Концепция биохимической эволюции

Концепция биохимической эволюции — это современное развитие гипотезы абиогенеза. В ней исследуется биохимический уровень эволюции живого на Земле. Данная концепция была создана, чтобы ответить на наиболее важные вопросы о происхождении живой материи на Земле:

• 1. Какие физические, химические и геологические условия могли способствовать возникновению органических соединений из неорганических в историческом прошлом Земли?
• 2. Как могло происходить образование жизненно важных полимеров из мономеров для живых организмов?
• 3. Какие полимеры возникли первыми: белки, не способные к самовоспроизведению, или нуклеиновые кислоты молекул ДНК и РНК?
• 4. Первыми возникли молекулы РНК или ДНК?
• 5. Какими могли быть первоначальные организмы с точки зрения механизма обмена веществ, строения и взаимодействия с другими организмами?
• 6. Как возникла клетка?
• 7. Каково биохимическое содержание главных факторов эволюции живого, естественного отбора и генетического механизма наследственности и изменчивости?

Основателями этой концепции являются два автора, которые независимо друг от друга развили сходные идеи: русский академик А. Опарин (1894−1980) и англичанин Дж. Холдейн (1892−1964). В 1924 г. А. Опарин, а затем в 1929 г. Дж. Холдейн сформулировали концепцию, согласно которой живое вещество на Земле возникло в результате химической эволюции неорганического вещества при наличии соответствующих условий.

Эта концепция основывается на следующих положениях:

• 1. Отсутствие жизни на Земле до ее возникновения. Считается, что физические, геологические и химические условия, когда возникала жизнь, существенно отличались от условий, когда ее не было, поэтому она не может возникнуть сегодня таким же образом, как это произошло раньше.
• 2. Единство химической основы живого и неживого.
• 3. Уникальность физических условий. Определенная масса Земли, расстояние от Солнца и других планет и другие физические параметры, которые позволяли удержать атмосферу
• 4. Наличие в ранней атмосфере химических элементов в восстановительной форме, без существования кислорода в газообразном, химически несвязанном состоянии.
• 5. Образование воды на Земле, играющей огромную роль в жизни живого.
• 6. Целая совокупность физических, химических и геологических факторов (относительно высокая температура поверхности Земли), возможность возникновения мощных электрических разрядов в ранней ее атмосфере, отсутствие озонного слоя, препятствующего губительному воздействию ультрафиолетового излучения на живые организмы.

Предположение о том, что первоначальная атмосфера Земли не содержала свободного кислорода, позволило А. Опарину в книге «Происхождение жизни» (1923) сформулировать следующие положения его концепции:

Химические и физические условия на Земле привели к образованию в океанах органических соединений, их накоплению в виде «первичного бульона». Из органической химии того периода было уже известно, что синтез органических веществ лучше проходит в бескислородной, чем кислородной (окислительной) среде, поскольку кислород чрезвычайно активен с другими химическими элементами. Кроме того, из геологических исследований было известно, что, например, металлы в окислительной форме встречаются в молодых породах Земли, а не в древних.

В «первичном бульоне» в его одинаковой (гомогенной) массе путем процесса фрагментации образовались капликоацерваты (лат. «coazervatus» — накопленный, собранный), обладающие способностью избирательно накапливать различные соединения.

Химический состав коацерватов определялся в основном физико-химическими свойствами среды. Различия в химическом составе и величине коацерватов, по мнению А. Опарина, стали основой для действия предбиологического отбора.

Взаимодействие коацерватов с внешней для них средой привело к образованию мембранных структур, обеспечивающих стабильность существования комплексов коацерватов.

Развитие мембранных структур, регулировавших взаимодействие коацерватов с внешней средой, могло привести, по мнению А. Опарина, к образованию клеток. Главнейшей ступенью предбиологической эволюции живого в концепции А. Опарина считается объединение способных к самовоспроизведению комплексов нуклеотидов (структуры, составляющие ДНК и РНК) с каталитической активностью белков (полипептидов).

В 1953 г. С. Миллер, молодой американский исследователь, под руководст-вом своего знаменитого соотечественника Нобелевского лауреата Г. Ори выполнил работу, результаты которой глубоко заинтересовали ученых. Миллер создал установку, с помощью которой моделировались химический состав предполагаемой первичной атмосферы Земли и ее физические условия, способствовавшие возникновению электрических разрядов в этой атмосфере. Газовая смесь, через которую пропускались электрические разряды, состояла из паров воды, метана, аммиака и водорода. Изучение состава жидкости, полученной в результате эксперимента, обнаружило в ней органические мономеры: мочевина, несколько аминокислот и молочная кислота.

Результаты С. Миллера проверялись другими исследователями, которые использовали такие факторы воздействия на смесь газов в установке С. Миллера, как ударная волна, радиация, ультрафиолетовое излучение и тепловое излучение. Во всех опытах получались сходные результаты. Из неорганических соединений синтезировались органические соединения. Например, при гамма-излучении обнаружили рибозу и дезоксирибозу На современном уровне идеи концепции биохимической эволюции живого с учетом информации о двух факторах эволюционного процесса (естественный отбор и наследственная изменчивость) успешно развиваютсясимбиотической теорией образования эукариотической клетки и эволюции одноклеточных и многоклеточных эукариотов (современного царства живых организмов). Эта теория учитывает способы питания первых организмов, уровень структурности их генетического материала, способы воспроизводства и другие факторы.

Согласно этой теории свободный кислород в атмосфере Земли появился в результате фотосинтетической деятельности зеленых растений. До этого ультрафиолетовое излучение являлось основным источником энергии для синтеза органических веществ. Далее высказывается предположение, что образованный древний белок (полипептид) обладал повышенной активностью, которая способствовала образованию молекул ДНК. Представители этой концепции полагают, что первые организмы — пробионты.- уже имели главные атрибуты жизни: ДНК, РНК, мембранные структуры, деление и некоторые другие. Действительно, все существующие сегодня живые организмы осуществляютобмен веществ или брожением, или фотосинтезом, или дыханием. По отношению к кислороду организмы делятся наанаэробные организмы, гибнущие в кислородной среде и на аэробные организмы, обязательно нуждающиеся в кислороде, и на те промежуточные, которые могут жить в кислородной и бескислородной среде (часть бактерий и грибов). В симбиотической теории много допущений, некоторые из них имеют подтверждение. Кратко об этих допущениях:

• 1. В восстановительной атмосфере Земли (без свободного кислорода) первые организмы должны были бытьанаэробными и гетеротрофами (греч. «heteros" — разный, «trophe» — пища) (т.е. питались органическими соединениями из «первичного бульона» океанов).
• 2. По мере их размножения органический ресурс океана истощался. Это привело к образованию автотрофных организмов, способных непосредственно использовать световую энергию Солнца и энергию химической связи из неорганических соединений.
• 3. Жизнедеятельность анаэробов на первичной стадии возникновения живого приводила к возникновению свободного кислорода в атмосфере Земли, что вело к созданию условий возникновения аэробных организмов.
• 4. Увеличение роста кислорода в атмосфере усложнило жизнь первичных анаэробов-гетеротрофов (появился озонный слой защиты аэробов и т. п.).
• 5. Некоторые первичные анаэробы вымерли, другие нашли бескислородные ниши для своего существования (например, метанобразующие бактерии существуют и сегодня в горячих источниках), некоторые из них вступили во взаимодействие с аэробами. Это привело к образованию первых клеток эукариотов. Эти утверждения основываются на исследовании строения, функций, структур современных организмов-анаэробов и организмов-аэробов, для которых необходима определенная норма концентрации кислорода в газообразном состоянии. Многие сохранившиеся роды прокариотов состоят исключительно из анаэробных организмов.
• 6. Вскоре после возникновения простейших организмов сформировались три надцарства жизни: архебактерии, эубактерии (включая синезеленые водоросли) и эукариоты (грибы, растения, животные). Для обоснования своих положений симбиотическая теория использует также сравнение геномов современных представителей этих царств и их прародителей.

Во временном масштабе считается, что первые фотосинтезирующие прокариотические бактерии возникли 3,5−3 млрд. лет тому назад. 2−1,5 млрд. лет назад возникли организмы-эукариоты. У этих организмов механизм обмена веществ эффективнее механизма обмена веществ у организмов-анаэробов в 18 раз. 2 млрд лет назад в атмосфере возник кислород.

Таким образом, согласно этой теории эволюция привела к возникновению анаэробов-прокариотов, затем деятельность анаэробов создала возможность возникновенияаэробов-эукариотов, для которых необходима определенная норма свободного кислорода. К сожалению, современный человек делает все, чтобы изменить норму содержания кислорода в атмосфере (сжигает, загрязняет и вырубает «легкие» Земли), и тем самым способствует возникновению исторически первой среды обитания для анаэробных бактерии. В современных условиях они усилят борьбу с ныне существующими живыми организмами, которым нужен свободный кислород. В последнем случае речь идет о возможных массовых эпидемиях. Антропогенный фактор современного человека ведет к деградации современной окружающей среды.

В конце прошлого века было сделано интересное открытие на дне рифтовых впадин океанов — «черных курильщиков». Это образования, напоминающие вулканы с кратером, возвышающиеся на десятки метров над океаническим дном. Они состоят из готовой руды. Черный дым, исходящий из них, является нагретой до 350 °C взвесью из железа, марганца, меди и серы. На поверхности «черных курильщиков» обнаружены живые организмы, живущие при температуре до +400°С. Они создают из неорганических веществ собственные органические соединения и способны синтезировать так же неорганические соединения в виде конечных продуктов своей жизнедеятельности, например золото. Эти существа напоминают кольчатых червей, достигающих 1 м в длину. Этот факт используется для доказательства правильности теории симбиоза.