Абіогенез: від коацерватів до РНК-гіпотези

Ми ніколи не були свідками абиогенеза – виникнення живого з неживого. Недарма у другій половині XIX ст. з’явилася гіпотеза панспермії: занесення життя на Землю з космосу у вигляді примітивних організмів. Прихильники цієї гіпотези існують дотепер. Пожвавлення інтересу до неї пов’язане з виявленням в деяких метеоритах органічних утворень, що нагадують за своєю формою бактерій, причому їх вік перевищує вік Землі. Втім, багато хто сумнівається в інтерпретації цих утворень як бактерій. Крім того, критики гіпотези панспермії зазвичай вказують, що в цьому випадку все одно залишається незрозумілим походження занесених організмів.
Найбільш популярною є гіпотеза хімічної еволюції, в результаті якої з’явилися перші організми. Концепція походження життя шляхом тривалої хімічної еволюції була висунута в 1920-і рр. незалежно один від одного вітчизняним біохіміком А. І Опаріним (1924) і англійським біологом Дж. Холдейном (1929). Багато в чому їхні погляди були подібні. Вони припустили, що важливим фактором абиогенеза було існування в ту далеку епоху відновної атмосфери, позбавленої кисню. У цих умовах потужне ультрафіолетове випромінювання безперешкодно проникало до поверхні Землі. Під його впливом, а також під впливом таких джерел енергії, як електричні розряди в атмосфері, вулканічна діяльність та інших в первісному теплому океані утворювалися прості органічні сполуки: амінокислоти, цукру, ліпіди та інші. Вони накопичувалися в океані, у вигляді своєрідного «первинного бульйону». З цих простих молекул могли утворюватися біологічні полімери. Для виникнення первинного метаболізму – обміну речовин – відбуваються між різними органічними речовинами хімічні реакції повинні бути якось просторово організовані. А.І. Опарін припустив, що в первісному океані утворювалися коацервати – колоїдні краплі, відокремлені від навколишнього середовища більш щільним зовнішнім шаром. Коацерватние краплі могли обмінюватися речовинами з навколишнім середовищем, рости і ділитися, представляючи собою прообраз живого організму. Згідно Опаріну еволюція цих крапель зрештою призвела до виникнення первинних організмів. У 1940-і рр. Дж. Берналом було сформульовано уявлення про основні етапи абиогенеза: спочатку освіту простих органічних речовин – мономерів, потім з них – біополімерів, потім формування структур, обмежених мембранами, і нарешті поява первинних організмів – пробіонтов.
У 1950-і рр. почалися досліди, в яких експериментатори (першими були американські вчені С. Міллер і Г. Юри) створювали суміш газів і водяної пари, що імітує атмосферу первісної Землі, на яку впливали електричними зарядами і ультрафіолетом. У результаті виникали амінокислоти, цукру, азотисті основи та інші важливі для живих організмів органічні речовини. Наприкінці 1950- х рр. С. Фокс зміг довести можливість мимовільної полімеризації амінокислот з утворенням белковоподобних молекул – відносно коротких поліпептидів.
Коли біологи зрозуміли, що носієм спадковості є нуклеїнові кислоти, стало ясно, що найважливішим етапом походження життя є утворення ДНК і РНК, які на відміну від білків здатні до реплікації, т. Е. До точного самовідтворення матричним способом. На початку 1980-х рр. були виявлені каталітичні властивості РНК. Це було сенсаційне відкриття, оскільки раніше вважалося, що каталізаторами біохімічних реакцій можуть виступати тільки білки-ферменти. Експериментально було показано можливість спонтанного, без участі білків-каталізаторів, синтезу коротких молекул РНК і така ж спонтанна їх самореплікація завдяки спаровування комплементарних нуклеотидів. В результаті цих відкриттів виникло припущення, що саме РНК були першими биополимерами, що з’явилися на Землі. Більше того, виникла гіпотеза про існування в давні часи на Землі цілого світу РНК, своєрідною протожізні, що передувала життя, заснованої на ДНК, білках і РНК. Ця гіпотеза отримала велику популярність, серед сучасних вчених, що займаються проблемою походження життя [Спірін]. Оскільки РНК здатні утворювати певні структури, виконувати каталітичні функції й одночасно бути речовиною спадковості, передбачається, що молекули РНК були об’єднані в особливі колонії-ансамблі. Вважається, що ці ансамблі були деяким чином, за допомогою мембран або якось по-іншому, відгороджені від навколишнього водного середовища або існували на твердих або гелієвих поверхнях. Такі колонії РНКмогли розмножуватися і обмінюватися між собою генетичним матеріалом. Припускають також, що ці колонії могли швидко еволюціонувати шляхом природного відбору. Все ж РНК малоефективні каталізатори. У ході цієї еволюції, на думку прихильників цієї гіпотези, РНК «навчилися» синтезувати білки і виникла також ДНК як більш надійний хранитель генетичної інформації. Залишки колишнього світу РНК прихильники таких уявлень вбачають в існуванні різних РНК – матричних, рибосомних і транспортних, що виконують всередині сучасних клітин різноманітні функції. Важливим етапом в еволюції життя була поява ліпопротеїдних мембран. Завдяки всьому цьому в кінцевому підсумку виникли перші клітинні організми – бактерії.
Великий внесок у розуміння можливих шляхів абиогенеза внесли сучасні концепції самоорганізації, засновані на нерівноважної термодинаміки, синергетики та теорії динамічного хаосу. Вони показують можливість спонтанного освіти впорядкованих систем, у тому числі систем хімічних реакцій з хаотичного стану. Але в цьому випадку мова йде про впорядковування на макроскопічному рівні.
Однак молекулярно-біологічні системи живих організмів впорядковані на мікроскопічному рівні, а саме на рівні будови і взаємодії окремих макромолекул. Пояснення виникнення такого мікроскопічного упорядкування шляхом природного відбору на основі випадкових процесів на початку 1980-х рр. запропонував М. Ейген. Він вважає, що системами хімічних реакцій, здатних до подібної еволюції, можуть бути так звані гіперциклу. Мова йде про каталітичних циклах, де продукти одних реакцій служать каталізаторами наступних реакцій. Гіперциклу виникає при об’єднанні кількох таких каталітичних циклів в єдину систему. Гіперциклу існують в клітинах сучасних організмів. Але чи міг в ході абиогенеза виникнути стійкий еволюціонуючий гіперциклу залишається під великим питанням, навіть на думку самого Ейгена.
Так чи інакше всі розглянуті вище уявлення про походження життя всього лише гіпотези, засновані на багатьох недоведених ще припущеннях. Так, перед РНК-гіпотезою постає ряд принципових труднощів [Kauffman, 2000; Аветисов, Костянский, 2006; Галімов, 2006; Галімов, Варфоломєєв, 2004]. Одна з них пов’язана з хімічною асиметрією живого. Багато органічні речовини існують у вигляді двох дзеркальних по своїй просторової конфігурації форм молекул. Їх умовно називають «ліві» і «праві». І в клітинах організмів ці речовини представлені тільки в одній з цих форм. Порушення такої асиметрії призводить до порушення біологічних функцій. Так, у всіх живих організмів білки побудовані тільки з лівих амінокислот, а до складу нуклеїнових кислот входять тільки праві цукру – рибоза в РНК і дезоксирибоза в ДНК. У клітці при біосинтезі цих біологічних полімерів відбір правильних з погляду симетрії компонентів з суміші, що містить обидві дзеркальні форми, здійснюють білки-каталізатори. В експериментах по синтезу молекул РНК без допомоги білків-ферментів вдалося синтезувати виключно з правими цукрами лише досить короткі ланцюжки. І по теоретичним оцінками таким чином можна зібрати Асиметрично чисті молекули, які складаються не більше, ніж з 40 ланок. А цього недостатньо для того, щоб РНК виконували необхідні функції. Але припустимо, що ці труднощі якимось чином вдалося обійти, тоді виникає наступна. РНК самі по собі мають досить недосконалим механізмом реплікації. У результаті цього постійно виникає дуже багато помилок копіювання, що веде до так званої «катастрофу помилок». На думку критиків РНК-гіпотези, вал помилок буде наростати з такою швидкістю, що природний відбір не встигатиме контролювати еволюцію подібних РНК-систем.
Однією з найважчих проблем є виникнення генетичного коду. Система з нуклеїнових кислот і білків, характерна для сучасних організмів, представляє передусім інформаційну систему. І багато вчених вважають, що така система, заснованої на генетичному коді, досить складна, щоб виникнути невеликими кроками шляхом випадкової самосборки, як це може відбуватися за допомогою природного відбору. Ще більша проблема того ж роду постає при спробі зрозуміти виникнення клітини, де все взаємопов’язано. У загальному вигляді це називають проблемою мінімальною, або незменшуваного, складності: навіть найпростіша біологічна система володіє деякою мінімальної складністю, яка не може виникнути з чого-небудь більш простого, вона повинна бути присутнім відразу.
За оцінками багатьох хіміків, фізиків і математиків випадкове, не спрямоване якимось чином виникнення полімерів, що володіють біологічною активністю, і тим більше їх системи, має настільки нікчемною ймовірністю, що для цього треба було б час, на багато порядків перевершує вік Всесвіту. У зв’язку з цим існує ще один підхід до цієї проблеми: абіогенез в ході еволюції на основі випадкових процесів неможливий, виникнення життя на Землі було закономірним, неминучим процесом, що підкорявся якимось загальним законам, і саме в цьому напрямку слід вести науковий пошук. Східного погляду дотримувався і знаменитий російський вчений В. І. Вернадський. Такий підхід узгоджується і з запропонованим не так давно «антропним принципом». Він стверджує, що тільки при існуючих значеннях світових фізичних постійних, що визначають всі фізичні та хімічні закони, можлива поява життя земного типу і самої людини. Будь-яке їх зміна, навіть незначне, зробило б життя неможливим.

Посилання на основну публікацію