Хімічні основи виникнення Життя
Введення
Природа
життя, різноманітність живих істот, що об'єднує їх структурна і функціональна
близькість завжди привертали до себе особливу увагу. Але в межах всі ці питання
зводилися до головного - загадки походження життя, на Землі й у Всесвіті. Ми
постараємося внести деяку ясність у сучасні уявлення про це
подію, а також подивимося, як змінювалося бачення цієї проблеми протягом століть
і тисячоліть. Для зручності сприйняття весь матеріал розбито на чотири розділи.
У першому ми дамо основні уявлення і поняття сучасної біохімії, без
яких розуміння всієї складності механізму зародження і розвитку життя було б
неможливим. У другому розділі розповімо про те, як бачилося людям
походження життя в різні часи. У третьому розділі розглянемо
пануючу сьогодні теорію походження життя і, нарешті, в останньому
розділі обговоримо можливість зародження життя в космосі та занесення її звідти на
Землю. Але спочатку необхідно дати визначення того, що ж таке життя, що в першу
чергу відрізняє живу природу від неживої. З біологічної точки зору, живим
називається будь-який об'єкт, здатний до самовідтворення та відтворенню
собі подібних, тобто розмноження.
Основні уявлення про біохімічної передачі
генетичної інформації
Біохімія
займає особливе місце в розвитку науки у ХХ столітті. Маючи безліч відгалужень і областей
у своєму складі, вона залучила до себе методи класичної біології, генетики,
фізики, що дозволило здійснити колосальний ривок у вивченні не тільки живих
організмів, але й принципів організації життя в цілому. Чимала її заслуга в тому,
що ХХ століття стали іноді називати "століттям біології". Було пояснено найбільш
загадкове і, разом з тим, основне властивість живої матерії:
здатність до відтворення собі подібного. Основними напрямками
досліджень сучасної біохімії та біології в цілому стали вивчення
молекулярної структури речовини, у якому записано генетичну інформацію,
механізмів відтворення інформації в поколіннях та механізмів її реалізації
через біосинтез білків. Правильне розуміння суті цих досліджень виявилося
критичним для моделювання виникнення життя. Тому ми коротко розберемо
знання та терміни і поняття сучасної біохімії.
Всі
процеси, що протікають в живих організмах, є наслідком складного
комплексу безлічі взаємозалежних хімічних реакцій. Нам будуть найбільш
цікаві ті з них, які є невід'ємними для існування будь-якого
організму. Це:
реплікація
(процес копіювання генетичної інформації)
трансляція
(процес її реалізації, тобто синтез різних білків, структура яких
визначається структурою їх генів).
Рис. 1. Структура
нуклеотидів
В
зазначених процесах беруть участь білки, нуклеїнові кислоти і різноманітні
допоміжні фактори. Ми не будемо розглядати останні, а зупинимося
докладно на перших двох.
Нуклеїнові
кислоти (НК) поділяються на два типи: рибо-(РНК) і дезоксирибонуклеїнової
(ДНК). І ті, й інші складаються з різного числа мономірних ланок --
нуклеотидів - і бувають різної довжини: від кількох десятків (транспортна
РНК) до мільйонів (мільярдів - П. З.) (геном людини) нуклеотидів. Самі
нуклеозиди складаються з пов'язаних один з одним N-Глікозидний зв'язком залишку
циклічної форми вуглеводу (рибози в РНК і дезоксирибози в ДНК) і одного з п'яти
гетероциклічних основ (Мал. 1). З цих підстав до складу ДНК входять
аденін, гуанін, цитозин і тимін, а у складі РНК тимін замінений на урацил (Мал. 2).
Між собою нуклеозиди з'єднуються фосфодіефірнимі зв'язками через залишки
фосфорної кислоти. У результаті виходять досить стійкі в звичайних
умовах макромолекули (Мал. 3). Необхідно відзначити, що природні нуклеозиди
у складі НК є оптично активними сполуками, це D-ізомери, тобто
вони закручують кут поляризації плоскополярізованного світла праворуч.
Рис.
2. Нуклеозид
Ланцюги
ДНК можуть взаємодіяти між собою, утворюючи знамениту подвійну спіраль
(дуплекс), у той час як ланцюга РНК більш схильні до взаємодій самі всередині
себе з отриманням "шпильок", петель, хрестів і т.д. Всі ці взаємодії як
між ланцюгами, так і всередині одного ланцюга нуклеїнових кислот (НК) обумовлені
специфічним утворенням водневих зв'язків між різними
гетероциклічними підставами. В утворенні водневих зв'язків беруть участь атоми
водню груп-донорів водневого зв'язку і атоми груп-акцепторів, що несуть
вільну електронну пару.
Енергія
цієї нековалентной зв'язку дуже мала, тобто зв'язок є слабкою, але оскільки
їх утворюється дуже багато, структура НК в цілому досить стійка.
Існують найбільш стійкі поєднання попарно взаємодіючих підстав
"Пуринові - піримідинові": аденін зв'язується з тиміном або урацілом, а гуанін
з цитозином. Такі пари називаються канонічними і найбільш часто
здійснюються в природі (особливо для ДНК).
Рис.
3. Нуклеотидні послідовність
В
сучасній живій природі саме ДНК несе на собі функцію зберігання
генетичної інформації організму. Сукупність усіх молекул ДНК утворює геном
організму. Можливо, це пов'язано з тим, що молекули ДНК хімічно більш
стійкі і конформаційної менш рухливі, ніж молекули РНК. РНК бере участь у процесі
реалізації генетичної інформації, окрім того, РНК має виражену
ферментативної активністю, тобто здатністю прискорювати і направляти
біохімічні реакції. Однак можна припустити, що молекули ДНК стали
сховищем генетичної інформації в процесі еволюції, а на ранніх етапах
появи і розвитку життя геном формувався з більш рухливих і активних
молекул РНК. РНК геноми існують і в сучасному світі, але тільки у таких
"Напівживих" істот, як віруси.
Рис. 4. Загальний вигляд
природного амінокислоти. R - одна з 20 можливих органічних угруповань
Білки
в клітинах виконують найрізноманітніші функції: транспортні,
структуротворчі, захисні, рухові, запасні та каталітичні. Білки,
також як і НК, складаються з мономірних ланок - амінокислот (АК) (Рис. 4). У природі
у складі білків зустрічається 21 амінокислота, при цьому всі вони звичайно є
левовращающімі (L-ізомери), тобто закручують кут поляризації плоскополярізованного
світла вліво при проходженні їм розчину АК. Білки синтезуються в процесі
трансляції за допомогою рибосом, дуже складно влаштованих РНК-білкових комплексів,
при цьому матрицею, яка визначає послідовність АК у синтезується
білку, є молекула РНК. Споруда поліпептидного (білкової) ланцюга
відбувається шляхом утворення між молекулами АК пептидних зв'язків (Мал. 5).
Білки, залежно від послідовності АК у їх складі, утворюють складні
просторові структури, що відповідають їх клітинним функцій. Для нас
важливо, що і в процесі реплікації, і в процесі трансляції в сучасних
організмах білки беруть безпосередню участь, реалізуючи свою
ферментативну функцію.
Рис.
5. Пептидний послідовність білка
В
цілому загальний вид процесу відтворення і реалізації генетичної інформації в
більшості живих організмів можна представити як тріаду послідовних
реакцій:
Реплікація.
Синтез дочірньої ДНК на ДНК-матриці;
Транскрипція.
Синтез РНК на ДНК-матриці;
Трансляція.
Синтез білка на РНК-матриці.
Однак
як уже зазначалося, цілком можливо функціонування організму, що не має
ДНК. Його геном в цьому випадку представлений у вигляді РНК та процеси транскрипції і трансляції
збігаються. Детальніше це явище обговорюється в розділі, присвяченому теорії
"РНК-світу".
Історія теорій виникнення життя
В
Протягом тисячоліть людство намагалося відповісти на питання про те, як
з'явилася на світло життя. У різні часи давалися різні пояснення цього
феномена. Ми звернемося до найбільш значущим з цих теорій, які правильніше
було б називати гіпотезами.
Теорія
стаціонарного стану.
Якщо
дотримуватися цієї гіпотези, Земля існувала вічно, ніколи не виникаючи, завжди
була здатна підтримувати життя і будь-які зміни на ній були зовсім
незначними. Види живих організмів також існували завжди і у будь-якого
виду є лише дві можливості - зміна чисельності або вимирання.
Зрозуміло, що ця "теорія" в даний час просто не витримує жодної
критики.
Теорія
спонтанного зародження.
Теорія
дуже давня, поширена ще в Китаї, Єгипті і Вавилоні. в Греції вона
знайшла прояв у вченні Емпедокла про органічної еволюції. Її ж
дотримувався і Аристотель. Відповідно до нього, певні частинки речовини несуть у
собі "активний початок", здатне у відповідних умовах створити живий організм.
Це "початок" на думку Аристотеля можна виявити в заплідненої яйце,
гниючому м'ясі, твані і сонячному світлі:
"Такі
факти - живе може виникати не тільки в результаті парування тварин, але й розкладання
грунту ... Деякі рослини розвиваються з насіння, а інші самозарождаются під
дією сил природи з розкладається землі або певних частин рослин ... "
Однак,
з приходом християнства, особливо в середні віки, теорія спонтанного зародження
опинилася під гнітом Церкви. Її вважали атрибутом чаклунства і проявом
чортівня. Тим не менш, вона продовжувала існувати. На рубежі XVI-XVII Ван Гельмонт
описав експеримент, в якому йому вдалося з брудної білизни і пшениці,
поміщених в темний шафа, отримати мишей. Активним початком зародження миші Ван Гельмонт
вважав людський піт. В кінці XVII століття італійцем Франческо Реді був
проведено більш суворий експеримент: в судини було поміщено м'ясо, риба, змії,
дещо з посуду була запечатана, частина залишалася відкритою. З'ясувалося, що в запечатаних
судинах ніякого зародження не відбулося, у відкритих ж завелися личинки мух.
З цього Реді був зроблений висновок про виникнення живого тільки з предсуществующей
життя.
В
1765 Ладзардо Спаланцані кривду м'ясні і овочеві відвари кип'ятіння і відразу
ж запечатав їх. Через кілька днів він досліджував відвари і не виявив
ніяких ознак життя. З цього він зробив висновок, що висока температура
знищила все живе і нічого нового вже не могло виникнути. Остаточно
теорія самозародження була переможена в дослідах Луї Пастера, який довів
справедливість теорії біогенезу, тобто походження життя з попередньої
життя. Правда, це викликало скрутний питання про походження самого
першого живого організму.
Теорія
креаціонізму.
Згідно
з цією теорією, життя виникло в результаті якогось надприродного події в минулому,
що частіше за все означає божественне творіння. У 1650 році ірландський єпископ
Ашер розрахував, що Земля виникла в жовтні 4004 до н. е.. Існує безліч
інших подібних "обчислень".
Теорія
панспермії.
Дана
теорія не пропонує ніякого механізму виникнення життя, просто висуваючи
постулат про її неземне походження. Стверджується, що життя могло виникати
неодноразово в різний час і в різних місцях всесвіту. При вивченні
метеоритних матеріалів дійсно були виявлені деякі речовини --
попередники живого, а також структури, схожі на найпростіші
мікроорганізми. Ймовірно, вони могли зіграти свою роль у зародженні або різноманітності
земного життя. Детальніше це питання ми розглянемо в останньому, четвертому
розділі цієї статті.
Теорія
біохімічної еволюції.
Історично
ця теорія зв'язується з ім'ям чудового російського вченого А.І. Опаріна,
який висловив думку, що в умовах первинної атмосфери Землі, значно
що відрізняється від нинішньої, міг відбуватися синтез всіх необхідних для зародження
життя речовин-попередників. Вважається, що первинна атмосфера складалася
переважно з аміаку, води, метану, окису і двоокису вуглецю. Відсутність
кисню надавало їй відновні властивості. У таких умовах
органічні речовини могли створюватися набагато простіше і могли зберігатися, не зазнаючи
розпаду тривалий час. Опарін вважав, що складні речовини могли синтезуватися
з простіших в умовах океану. Необхідна для реакцій енергія приносилася
сонячною радіацією, оскільки захисного озонового екрану ще не існувало;
також синтез мав місце в умовах грозових розрядів. Різноманітність що знаходилися
в океані простих з'єднань і великі масштаби часу дозволяють припустити
можливість накопичення в океані великої кількості органіки, що утворила
"Первинний бульйон", в якому могла зародитися життя. Блискуче підтвердження
ця теорія знайшла в експериментах Стенлі Міллера, проведених в 1953 році: через
суміш газів, що моделює первинну атмосферу, пропускалися потужні
електроразряди. У результаті вдалося синтезувати ряд АК, аденін, рибозу,
інші прості цукри ... У схожому досвіді Орджел були отримані короткі НК (олігонуклеотиди).
У результаті цих досліджень стало зрозуміло, що основні органічні
речовини-мономери, необхідні для виникнення полімерних молекул НК і білків,
дійсно могли бути хімічно одержані в умовах Пребіотичний миру, т.
тобто світу, ще позбавленого життя. Але головне питання - механізм переходу від неживого
до живого - теорія Опаріна все ж таки залишає відкритим. Передбачається, це
виглядало наступним чином. Головна роль належала білків - вони
утворювали колоїдні гідрофільні комплекси з молекулами навколишнього їх води.
Ці комплекси формували своєрідні міцели. Злиття таких комплексів один з
іншому призводило до їх відокремлення від водного середовища, що одержало назву
коацерваціі. Краплі-коацервати могли обмінюватися речовинами з навколишнім середовищем
і нагромаджувати різні сполуки. Різниця складу коацерватів відкривало
можливості для біохімічного природного відбору. У самих краплях відбувалися
подальші хімічні перетворення, які туди потрапили речовин. На кордоні крапель з зовнішньої
середовищем шикувалися молекули жирів (ліпіди), утворюючи примітивну мембрану,
підвищує стабільність всієї системи. При включенні в коацервати або при утворенні
всередині нього перша молекули, здатної до самовідтворення тим чи іншим
шляхом, з'являлася перша клеткоподобная структура. Зростання розмірів коацерватів і їх
поділ, ще статистичне, могло призвести до утворення ідентичних копій
коацерватів. Вони також поглинали компоненти навколишнього середовища і процес
продовжувався. Таким шляхом міг виникнути перший гетеротрофних організм,
використав для живлення органічні речовини "первинного бульйону".
Відзначаючи
малу ймовірність протікання всіх цих процесів у такому складному і цілеспрямованому
порядку, Фред Хойл сказав, що теорія ця "настільки ж безглузда, як і припущення
про можливість складання "Боїнга 747" буревієм, що пронісся над сміттєзвалищем ".
Дійсно, події ці малоймовірні, якщо розглядати їх у відриві один від
одного і вважати взаємно незалежними. Однак останні дослідження показують,
що цей підхід не є правильним, і в складних полімолекулярних системах
багато процесів синергетично детерміновані. У цьому випадку освіта
живого організму стає неминучим, після проходження певного етапу.
Теорія
«РНК-Світу»
В
Останніми роками все більше прихильників знаходить ця теорія виникнення життя,
стаючи панівною у вирішенні цього питання. Суть її полягає в тому, що
основоположниками життя були не білки, а молекули РНК. Освіта
компонентів мономірних ланок РНК - вуглеводних циклів рибози і гетероциклічних
підстав - як вже показано, не становило принципових труднощів.
Значно важче уявити собі процес утворення з них безпосередньо
нуклеозидів, а потім і з'єднання останніх в НК. Дійсно, в умовах
гомофазного процесу в газовій або рідкоїсередовищі такий синтез міг виявитися
вкрай скрутним. Однак він відносно легко здійснюється в умовах
гетерофазної каталізу на твердій підкладці. Як остання виступають
багато мінерали земної кори: карбонат кальцію, каолініт, монтморилоніт,
сполуки алюмінію, цеоліти. При цьому вони сприяють не тільки прискоренню
синтезу, але і правильної орієнтації реагуючих компонентів. На таких підкладках
здійснювалася зшивання спочатку нуклеозидів, а потім і освіта
межнуклеотідной зв'язку за участю фосфорної кислоти або її похідних.
Наприклад, вдалося здійснити синтез олігоцітідіна, тобто короткою молекули
РНК, що складається тільки з одного типу нуклеозидів, на монтморіллонітовой
підкладці з 5'-фосфорімідазоліда цітідіна. Аналогічно були отримані і більше
складні олігонуклеотиди, що містять нуклеозиди різних типів. Цікаво, що
РНК-ланцюг зберігалися стабільної дуже тривалий час. При цьому довгі
олігонуклеотиди, перебуваючи на мінеральній матриці, могли зв'язуватися з ді-і трінуклеотідамі
шляхом утворення водневих зв'язків між комплементарними підставами. Між
цими ді-і трінуклеотідамі також могли утворюватися межнуклеотідние зв'язку.
Так здійснювався синтез дочірньої РНК на РНК-матриці, тобто аналог
транскрипції. Подібна послідовність операцій могла мати місце і у випадку
матрично-направленого синтезу пептидів на РНК: окремі ді-і трінуклеотіди
пов'язувалися з молекулами АК, наприклад, за рахунок гідрофобних взаємодій або водневих
зв'язків та переносили їх до РНК-матриці. З молекулою РНК ді-і трінуклеотіди
взаємодіяли за допомогою водневих зв'язків. В результаті близько ланцюга РНК
вистраіваліть нуклеотиди, що несуть АК. Якщо вони розташовувалися близько один від одного,
то ставало за можливе утворення пептидних зв'язків між молекулами АК з утворенням
поліпептиду - невеликого "білка". Таким чином реалізовувалася реакція
трансляції, причому без участі білків-ферментів. Тут особливо важливо
підкреслити, що всі ці процеси здійснювалися високоспецифічний, оскільки саме
утворення водневих зв'язків між різними молекулами є досить
селективним: найбільш стійкі ті взаємодії, в яких реалізується
найбільше число водневих зв'язків. В умовах рівноважної процесів така
вибірковість приводила до відтворення певних молекул: кожна
матриця "виробляла" властиві тільки їй продукти. Такий синтез міг проходити в
первинних краплях-коацерватах. Це призводило до накопичення чітко окресленого
набору біомолекул в кожній з них, однак різноманітність самих крапель і умов,
в яких вони існували, давало великі можливості для відбору найбільш
стійких крапель, що було вже протоеволюціей. Самовідтворюються
діленням в краплі все збільшувалися розмірах і постійно ускладнювалися, залучаючи до
себе нові й нові речовини. Таким шляхом могла виникнути перша клітина.
Існує,
однак, неясність, була чи РНК перший жізнеобразующей молекулою або існували
більш давні попередники. Деякий час тому було здійснено
синтез речовини-химери, що зветься пептідонуклеіновая кислота (ПНК), в якому
скелет ланцюга був утворений молекулами амінокислоти, N-(2-аміноетил) гліцину, і до цього
скелету кріпилися гетероциклічні підстави. Таким чином, сахарофосфатний
кістяк був замінений на поліпептидний. В даний час деякі дослідники
вважають ПНК кандидатом на роль можливого попередника РНК, хоча
Пребіотичний роль ПНК ще строго не доведена.
Космічне зародження і космічний транспорт
З
розвитком спектральних методів дослідження космічного простору, були
отримані нові цікаві факти, які говорять на користь можливості виникнення
життя поза Землею та занесення її в подальшому на нашу планету метеоритним або іншим
транспортом.
Раніше
було виявлено, що багато метеорити містять у собі найрізноманітніші
хімічні речовини, що служать попередниками життя. Особлива увага в цій
зв'язку залучали вуглисті хондрити, у складі яких знаходили структури,
схожі на первинні найпростіші організми. Незважаючи на те, що біологічне
минуле цих включень поки не підтвердилося, теорія їх біологічного
походження бурхливо розвивається, продовжують надходити все нові дані про виявлення
подібних утворень у метеоритах, знайдених, зокрема, в нижніх шарах
материкового льодовика Антарктиди.
Тепер
ми маємо дані, що свідчать про наявність значних кількостей
органічної речовини в міжзоряних газопилових хмарах. Враховуючи, що щільні
і дифузні хмари становлять 20-30% усього галактичного речовини, стають
зрозумілими масштаби, в яких здійснюється органічний синтез в міжзоряному
просторі. Виявлено понад 130 органічних сполук, серед яких
формальдегід, ціанацетілен, мурашина кислота, вода, аміак, тобто необхідні
попередники біомолекул. Встановлено присутність фосфору, до дифузних
хмарах з високою ймовірністю передбачаються ароматичні вуглеводні,
виявлені фулерени, вуглецеві ланцюги, керогеноподобние структури складної
геометрії. Цікаво відзначити, що концентрація основних елементів, що беруть участь
в освіті біомолекул, C, N, S, P, O, H в цілому відповідає середній
концентрації цих елементів у космічному просторі. Відомо, що
космічний пил постійно захоплюється Землею (десятки тонн на добу). Цей
процес, безумовно, мав місце і в умовах первинної Землі, міг послужити
справі занесення органічних речовин на поверхню планети, де вони могли
зазнавати подальші перетворення в більш м'яких умовах, наприклад, у океанічної
воді.
Великий
інтерес представляє безпосередньо процес синтезу органічних сполук на
поверхні твердих частинок газопилових хмар. Вважається, що в їх основі
лежать аморфні силікати з домішкою оксидів і сульфідів металів (Al, Fe, Mg), а
також олівіну - змішаного сульфату заліза та магнію. Все це складає ядро
частинки, вкрите крижаною мантією, що включає воду, оксиди вуглецю і безліч
простих органічних сполук. Зрозуміло, що в умовах нульових температур
можливі тільки реакції, що мають знергію активації, близьку до нульової, також
можуть здійснюватися процеси за участю рухомого протона, здатного
тунелліровать через активаційний бар'єр. Також важливо врахувати, що через малу
концентрації речовини здійснюються тільки бінарні взаємодії. Однак,
при потраплянні частинки з стаціонарної фази в більш теплу активну
звездообразующую область, активуються процеси, що викликаються бомбардуванням
космічним випромінюванням, впливом УФ та температурними змінами. При дії
на аналоги льоду подібними агентами, були виявлені складні суміші радикалів і речовин,
аж до складної стабільної органіки. Можна припустити, що призводять до цього
нерівноважні хімічні процеси мають більш складну природу, ніж звичайні
процеси в умовах Землі.
Необхідно
також зазначити, що виникнення і розвиток життя поза Землею може відбуватися за кількома
шляхах. По-перше, можливий "землеподобний" шлях, тобто виникнення
біологічних молекул, схожих на земні НК і білки, наявність генів та зберігання і
передача генетичної інформації за механізмом, аналогічним земному. По-друге,
можна припустити існування "дзеркального світу", тобто світу, що складається з D-амінокислот
і L-нуклеозидів. Тим більше, що ці сполуки не є абсолюно екзотикою
навіть на Землі. D-амінокислоти входять до складу нейропептидів та опіоїдних
пептидів деяких вищих організмів, а в нижчих організмах вони входять до складу
клітинної стінки. Короткі НК, що складаються з L-нуклеозидів, були синтезовані
хімічно, і було показано, що вони не взаємодіють із звичайними
D-нуклеїновими кислотами, але можуть утворювати стійкі дуплекси з L-олігонуклеотиди.
Нарешті, не можна виключити, що в умовах, що сильно відрізняються від земних,
біологічні молекули і механізми їх функціонування можуть бути зовсім
іншими. Наприклад, теоретично можна припустити виникнення біомолекул,
що містять замість атомів вуглецю атоми кремнію. Зрозуміло, що молекулярна
маса таких молекул буде значно вище маси звичайних вуглець-містять
аналогів, що має суттєво обмежити рухливість що складаються з них
організмів і змінити шляху еволюції таких "живих каменів".
Список літератури
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://wsyachina.narod.ru
