2. Гіпотези виникнення життя і генетичного коду

Першими поставили як наукову проблему і висунули гіпотезу абіогенного синтезу органічних сполук в умовах первісної Землі російський біохімік А. І. Опарін (1894-1980 рр..), Англійський фізіолог Дж. Холдейн (1860-1936 рр..) Та англійський фізик Дж. Вірна ( 1901-1971 рр..). Складність проблеми самого життя, нерозуміння багатьох чинників і явищ, що мають місце на рівні клітин та організмів (виникнення матричного механізму, універсальність генетичного коду за відсутності універсальності білків, особливості структури ДНК тощо) »змусила багатьох учених найчастіше звертатися до фантастичних гіпотез і теорій походження життя. Так виникли гіпотези типу: життя створена Богом; занесена на Землю з космосу; позаземне послання інших цивілізацій; генетичний код як релікт, який потрапив на Землю від живих систем попереднього циклу Всесвіту, і т. д.

У проблемі походження життя є важко розривається кругова проблема; для саморепродукції нуклеїнових кислот - основи генетичного коду (будемо вважати цей факт добре відомим кожному) - необхідні ферментні білки, а для синтезу білків - нуклеїнові кислоти; ось коло і замкнулося. Що первинне: білки або нуклеїнові кислоти, «курка чи яйце»? Всі існуючі концепції походження життя поділяються на дві - голобіоз і генобіоз. Голобіоз грунтується на первинність структур типу клітин, здатних до елементарного обміну. Це концепція Опаріна і його послідовників. Генобіоз, навпаки, первинними визнає системи з властивостями генетичного коду. Це концепція Дж. Холдейна, гіпотеза так званого «голого гена». Проблема протистояння концепцій зводиться до питання первинності або старшинства - генетичної репродукції перед метаболізмом або, навпаки, метаболізму перед генетичної репродукцією. Але як би не вирішилася ця проблема в майбутньому, зараз треба брати до уваги твердо встановлені факти: діссімметрія або хіральність нуклеїнових кислот ДНК і РНК як фундаментальна ознака живої матерії, первинність молекули РНК (зараз вже під глибоким питанням), наявності у неї автокаталітіческій здібності, поєднання в ній рис фенотипу і генотипу. Але пошук відповідей на питання треба вести і в інших напрямках, особливо беручи до уваги, що хіральність і первинність РНК не могли виникнути в ході тривалої еволюції, а, швидше за все, виникли стрибком, одразу, раптом, за кінцевий час, в лічені роки, місяці, добу або, може бути, навіть годинник!

Одна з останніх гіпотез, що переросла до початку XXI століття в теорію про походження життя, заснована на ідеї М. К. Кольцова про матричному синтезі протоклеток та їх структурних елементів на кристалах апатиту. Запропоновано вона була чверть століття тому владивостоцькому вченими біологом Е. Я. Костецьким і геологом В. В. Чернобровкін. Вони звернули увагу на наступні емпіричні факти: присутність мінералу апатиту в живих системах у складі зубів і кісток, наявність подібності періодичності в 3,4 А 0 (1 А 0 = 10 -8 см, величина приблизно дорівнює розмірам атома, що отримала назву ангстрем на честь шведського фізика Ангстрема) в елементарній комірці апатиту і подвійної спіралі ДНК. Це дало підставу висунути гіпотезу і потім побудувати теорію абіогенного синтезу нуклеїнових кислот, білків, нуклеопротеїдів і полісахаридів ні матриці апатиту як основному джерелі неорганічного фосфату.

Гіпотеза Костецького і Чернобровкіна враховує також той фундаментальний факт, що всі клітинні елементи і цілі організми є рідкокристалічними гомеостатичними структурами. Виходячи зі сказаного, можна вести мову про реальні механізми виникнення життя, грунтуючись на твердофазних ефекти в мінеральних і рідких кристалах. Участь мінералів у процесі виникнення життя робить його закономірним, а час процесу дуже коротким (за кінцевий час, але ніяк не за багато мільйонів або мільярди років). У клітинах, якими ми їх знаємо сьогодні, всі елементи системи так тісно пов'язані один з одним, самоорганізована, що відсутність навіть одного з них, порушує роботу всієї системи.

Первинні пробіонти, мабуть, повинні були представляти собою добре впорядковані освіти. Виникає питання: а чи не були попередники первинних протоклеток органічними кристалами? Адже кристали - це утворення, здатні до самозбирання (про самосборке в живих організмах говорив і академік Микола Семенов), крім того, в них є деяка характерна періодичність, що порушується дефектами. Останні (дефекти) роблять кристали потенційно високо інформаційними, оскільки можуть призводити до утворення безлічі стабільних альтернативних конфігурацій, що є необхідною умовою для зберігання інформації. До речі, американський фізик Ф. Тіплер якось заявив: «Я визначаю життя як якусь закодовану інформацію, яка зберігається природним відбором». Передбачуваний механізм синтезу первинних пробіонтов, а крім того, і їх компонентів, також пояснює теорія Е. Костецького. Розглянемо цей механізм.

Як ми вже зазначали раніше, вік Землі (4,6 млрд. років) майже не відрізняється від віку живих систем і оцінюється в 4,2-4,0 млрд. років. При цьому вважається, що еукаріотичні (тобто клітини з ядром) і прокаріотів (тобто клітини без ядра) клітини мають близький вік. Час виникнення життя збігається з прогресивним метаморфозом базальтової кори, формуванням гранітної оболонки та доглядом щільною первинної атмосфери. Поверхня Землі тоді була нагріта до 600-700 ° С, а з надр Землі йшло активне виділення елементів відновної газової фази у вигляді вільних радикалів. У цей момент із залишкового магматичного розплаву йшло формування пегматитів (апатит, кальцит, слюда, кварц, польовий шпат та ін.) Апатит зазвичай сокрісталлізуется з цими мінералами. Його грати в цей період досить рухома, в кристалі відбувається дифузне заміщення елементів решітки вільними радикалами елементів газової фази, чому сприяють атомні радіуси основних елементів решітки апатиту, що перевершують розміри атомів газової фази в 3-5 разів. У явищах дифузного заміщення ключова роль належить температурі, космічним, ядерною і ультрафіолетовим випромінюванням, що діють на кристал зверху, і полю напруг, створюваному газової фазової, що діє на кристал знизу.

Всі ці фактори послаблюють кристалічну решітку і посилюють міграцію її елементів і полегшують проникнення всередину кристала малих атомів газової фази. Синтез, мабуть, відбувався при температурах близько 200 ° С в безводній середовищі. У силу того, що в одній елементарній комірці апатиту є кілька каналів проникнення газових частинок, одночасно могло синтезуватися кілька органічних молекул і між ними могли виникати взаємодії. Не можна виключати того, що навколо одного осередку могли синтезуватися відразу декілька, аж до 6 пар, ланцюгів ДНК з білком, тобто міг реалізовуватися варіант появи в одній протоклетки різного числа хромосом. У ході односпрямованого синтезу (знизу-вверх), що виникає органо комплекс майбутньої пробіотичної системи отримує у спадок від мінерального кристала всі його природні параметри, що визначають і складові дифузний процес в кристалі, а саме: вплив найскладнішої і одночасної системи квантів світла, електронів, протонів, ядерних випромінювань, рН, тепла тощо, тобто основи майбутнього метаболізму і гомеостазу в клітці. Йшла, як це можна образно відзначити, природна тренування майбутньої клітини.

Гомеостаз дозволяв уникнути високої дефективності в решітці, а значить і в майбутній пробіотичної системі, після її переходу з кристалічного стану в рідкокристалічне. Структурні елементи майбутніх протоклеток повністю повторюють особливості кристалічної решітки, її дефекти, ізоморфізм, наявність включення інших мінералів. Так, передбачається, що бездефектні області решітки апатиту відповідають неінформативною частини ДНК (в основному сателітний, баластних) - ось природне пояснення відомого факту; дефектна ж область відповідає інформативною зоні ДНК. Місця підвищеної дефективності і сокристаллизации в апатії (див. вище) переважні для формування матричного механізму майбутніх протоклеток, яке, в окремих випадках, не породжує подвійної спіралі ДНК, але і не забороняє формування ланцюгів РНК (вважається, що вони виникли першими), нуклеотидних фрагментів типу АТФ, білків, так чи інакше пов'язаних з КНК або з їх фрагментами (майбутніх ферментів).

Запропонований Е. Костецьким механізм формування органо комплексів майбутніх протоклеток дозволяє відповісти на деякі непрості питання, що стоять в проблемі виникнення життя. Наприклад, самі по собі відпадають питання:

Про синтезі біополімерів у воді.

Про створення впорядкованої живій системі, що діє проти законів термодинаміки, особливо проти її другого початку, - частина енергії віддається зовні за рахунок зміни типів зв'язків у гратах і заміни решітки на рідкокристалічну.

Про виникнення структурної асиметрії (хіральності) біомолекул.

Про виникнення матричного механізму синтезу пробіонтов.

Про виникнення універсального генетичного коду (через синтез на єдиній матриці апатиту), за відсутності універсальності в будові інших структур через сокристаллизации з іншими мінералами та їх різної дефективностью.

Про особливості структури ДНК еукаріотів (сателітного, помірна повторюваність, унікальність) через особливості решітки апатиту, і не дозволяє живим системам позбавлятися протягом мільярдів років від баластної ДНК, в силу необхідності підтримки гомеостатичного стану виникли на кристалі живих систем, і деякі інші , не менш важливі питання про особливості походження життя.

Рушійною силою подальшої еволюції протока льоток, мабуть, були, перш за все, такі змінюються фактори зовнішнього середовища Землі, як рН, температура і, у зв'язку з цим, якість енергії (її слабко виражені ентропійного, роль якої ми відзначали в главі 3), концентрація іонів і кисню в морській воді, наявність органічного матеріалу, симбіотичні процеси і катастрофи на Землі.

Хотілося б відзначити ще одну сучасну гіпотезу про походження життя, висловлену російським геологом Ю. А. Коляснікова, засновану на особливій ролі води. Багато поділяють думку, що вода - головний мінерал світобудови, що має унікально простий склад, але загадкову структуру, до кінця поки не пізнану. Використання води, точніше, її структурних понадстислі тетрамеров (особливих утворень з чотирьох молекул води), обумовлено наявністю в них розподілених порівну правих і лівих Н-зв'язків (водневих зв'язків), тобто обумовлено хіральність тетрамеров. Ще давно П. Кюрі, Л. Пастер і В. Вернадський вважали, що хіральність живої речовини є наслідок дисиметрії навколишнього середовища, в даному випадку - води. Доведено останнім часом, що в концентрованих розчинах кремнезему і біополімерів тетрамерная вода утворює праві і ліві спіральні ланцюжки, в яких, завдяки електричний дипольний входять до їх складу молекул води, може бути записана якась інформація. Використовуючи такі унікальні властивості води, Ю. Колясніков обгрунтовує свою гіпотезу біопоеза, в якій спочатку синтезується лівообертаюча, тобто хіральних, амінокислота, а потім йде синтез Сахаров - основи нуклеїнових кислот, на правих спіральних ланцюжках. Такий синхронний синтез поліпептидів і полінуклеотидів супроводжувався генерацією водних димерів і невблаганно вів до утворення складних нуклепротеідних комплексів, із записом в їх примітивною РНК виникає однозначного генетичного коду.

Крім цих гіпотез, необхідно згадати також про гіпотезу академіка Еріка Галімова, викладеної ним у книжці «Феномен життя» в 2001 році, в якій початком життя визнається поява безкисневому молекули аденіну. Відзначається, що ферментативний каталіз і реплікація кодують молекул є неодмінними властивостями живих систем. Тому шукати треба моделі початкового виникнення автокаталітіческіх і самореплицирующихся систем. Початок біогенезу тоді слід пов'язувати з виникненням елементарної стаціонарної хімічної осередки. Першим кроком у цьому напрямку є поява молекули або молекулярної системи, яка б забезпечила трансформацію енергії зовнішнього середовища в хімічну енергію. Далі необхідно, щоб з хімічною реакцією, що доставляє енергію, могли сполучатися хімічні реакції, здатні до створення нізкоентропійного продукту, тобто реакції, що йдуть з ускладненням організації. Молекулою № 1 в цій гіпотезі визнається аденозинтрифосфат (АТФ) і молекулою № 2 транспортна РНК t-PHK), які, проте, виникають у різний час і в різних умовах (місцях), що робить їх об'єднання проблематичним.

Не можна не вказати і на ідеї, викладені американським фізиком і біофізиком Ф. Дайсоном в його книзі «Походження життя». У ній він, грунтуючись на аналізі великого матеріалу, прийшов до висновку, що черговість у виникненні біополімерний структур могла бути іншою, ніж її пропонують інші автори. За Дайсон, спочатку виникла примітивна клітина, потім ферменти і тільки потім гени. Дайсон вважає, що: 1) на перших етапах живі організми представляли собою метаболічні осередки без механізму реплікації; 2) величезна різноманітність живих організмів виникло на основі порівняно невеликого асортименту молекул органічних речовин; 3) «центральна догма» сучасної біології (ДНК - РНК - білки ) про ключове положення нуклеїнових кислот і їх первинному виникненні повністю неспроможна.

Як бачимо, гіпотез і думок про початок походження життя багато. Але ми будемо вважати, як даність, що необхідна нам клітина, як елементарна одиниця життя, виникла. У процесі еволюції обміну речовин (метаболізму) у клітині і вироблення нею енергії, можна виділити 4 етапи або фази. Перший - ферментація, побічним продуктом якої є вуглекислий газ. Другий етап - гексозомонофосфатний цикл, в ході якого виділяється водень і вуглекислий газ і який є одним з перших прикладів метаболічного розщеплення води у фізіологічному процесі, що дає клітині необхідну їй енергію. Третій етап - фотофосфорілірованіе, тобто безпосереднє використання сонячної енергії для вироблення фосфатів, в тому числі, таких, як аденозинтрифосфат (АТФ), що володіють високою енергією. На цьому етапі розвитку одноклітинні організми навчилися виробляти пігмент - хлорофіл, за допомогою якого утворюється енергія світла. Це призвело до четвертого, найважливішого і фундаментального етапу, - етапу фотосинтезу. Клітка початку поглинати сонячне світло для синтезу глюкози, виділяючи в якості побічного продукту молекулярний кисень. Таким чином, кисень почав потрапляти в атмосферу.

Існує, однак, одна незвичайна гіпотеза про появу кисню в атмосфері, висловлена ​​російським геофізиком О. Сорохтіна. Він вважає, що перший кисень в атмосфері з'явився і продовжує з'являтися в нашу епоху з-за розплавлення окислів, в основному оксидів заліза, які досягли, при опусканні разом з мантією, межі ядра Землі. Звільнившись з оксиду, кисень йде вгору, зустрічає знову не окислене залізо, захоплюється ним, йде знову вниз до кордону мантії, розплавляється, знову звільняється і так до тих пір, поки шлях вгору до поверхні Землі і далі, в атмосферу, не стає вільним! До речі, як вважає автор гіпотези, коли всі процеси в надрах Землі закінчаться, приблизно через 2 млрд. років, весь кисень, поступово, звичайно, вийде назовні, і тоді тиск в атмосфері досягне значень 1-2 тисяч атмосфер.