Александр Вологдин - Земля и жизнь

Опираясь на идеи А. И. Опарина и Г. Юри о первичном составе атмосферы Земли из метана, аммиака, воды и водорода, профессор Колумбийского университета Стэнли Г. Миллер в 1955 г. провел очень интересный опыт синтеза органических соединений в искровом электрическом разряде. Он подводил к смеси метана, аммиака и водорода нагретые пары воды под давлением в пределах 100-200 мм рт. ст. Эта смесь подвергалась действию искровых разрядов с максимумом напряжения в 60 тыс. вольт. Было обнаружено что, кроме исходных газов, в приборе присутствует целый ряд новых углеродных соединений. Получившаяся сложная смесь соединений была разделена различными методами.

Результаты этого замечательного опыта подтвердили возможность природного образования сложных органических соединений из немногих простых компонентов, составляющих первичную атмосферу Земли С. Миллер получил глицин, аланин, аспарагиновую, глютаминовую кислоты и другие соединения, которые входят в состав белков или участвуют в биохимических процессах обмена веществ организмов. Многие из этих веществ могут быть единственными источниками углерода и энергии организмов. Таким образом, опыт С. Миллера показал, что органические соединения можно получить из простых неорганических соединений.

Аминокислоты и полипептиды еще далеки от живого организма. Нужно найти механизмы синтеза еще более сложных органических соединений - пуринов, пиримидинов, жиров, коферментов и нуклеиновых кислот, в особенности ферментов - полипептидов, способных содействовать обмену веществ. С. Миллер отмечает, что роль катализаторов в реакциях, происходящих в организмах, могут играть и некоторые металлы и простые органические соединения, но вряд ли их деятельность могла быть достаточной для обеспечения жизнедеятельности. Поэтому он приходит к заключению, что именно полипептиды были катализаторами почти с самого начала возникновения обмена веществ, еще до того, как развился воспроизводящий себя организм. Таким образом, чтобы существующая гипотеза о происхождении организмов стала вполне доказанной научной теорией, экспериментальному направлению химии и биологии предстоит еще получить искусственно эти полипептиды.

С. Миллер считает возможным два пути образования первичных живых организмов. Первый из них - это появление, согласно представлениям А. И. Опарина, коацерватов - разнороднейших по структуре и свойствам первичных сгустков белковых веществ. Попадая в виде микрокапель в сферы развития геохимических реакций с выделением тепла, эти' сгустки на момент или на более длительные сроки "оживали", становясь сами средой таких реакций. Продолжительность "жизни" соответствующих систем зависела от того, насколько успешно налаживалась их связь со средой, их породившей. Например, закисное соединение, проникнув внутрь коацервата путем осмоса через его граничный слой, превращалось в окись с выделением некоторого количества энергии. Поскольку закись исчезает, то сюда из среды путем осмоса поступает новая ее порция, чем поддерживается процесс и, следовательно, жизнь. Коацерваты могли накапливать еще больше белков и, таким образом, в течение длительного времени вырабатывать механизм для синтеза белка и для генетического размножения, что составляет признаки организма.

Вторую возможность развития органического вещества С. Миллер видит в возникновении так называемой дезоксирибонуклеиновой кислоты - сокращенно ДНК, свойственной веществу современных организмов. Молекулы этой кислоты могли содержать "биологическую информацию", образовывать мутации (скачкообразные изменения), в результате чего метаболические (созидательные) способности первичных форм жизни могли увеличиваться, мог расшириться обмен их веществ со средой. Полезные изменения - это уже признаки живого организма. Естественный отбор должен был обеспечить дальнейший ход эволюции организмов.

Какой из этих двух путей проявился в процессе возникновения жизни, пока еще не ясно. С. Миллер связывает решение этого вопроса с изучением путей синтеза ферментов и воспроизводства генов в современном организме.

Обширные геологические материалы говорят об определенном этапе истории нашей планеты, когда возникли процессы почвообразования на выступах суши, когда отлагались массы мелкозема в древнейших бассейнах, когда начали отлагаться микробиологическим и химическим путями известковые илы, гидрозакиси железа, сульфиды железа и других металлов в условиях восстановительных, т. е. при отсутствии в атмосфере и водах запасов свободного кислорода.

Общеизвестно, что перевод бикарбонатов в карбонаты, закисных соединений и элементов в окислы и закиси всегда сопровождается выделением свободной энергии. Поэтому естественно представить себе, что древнейшие формы жизни использовали для своей жизнедеятельности ту или другую геохимическую реакцию с выделением энергии. Таким образом, создается впечатление, что древнейшими формами жизни являлись автотрофные организмы, т. е. такие, которые не требуют готовых органических соединений и способны довольствоваться лишь углекислотой и перерабатываемыми ими минеральными веществами земной коры.

Известно, что наиболее распространенные в природе автотрофы - это зеленые растения. Для их жизнедеятельности нужна углекислота при источнике энергии в виде света, источник азота, серы и других элементов. На самой низкой ступени по уровню организации стоят одноклеточные микроскопические водоросли, которые иногда придают зеленую окраску стоячим пресным водам, верхнему слою морских и океанских вод, которые получают нужные им питательные вещества в виде углекислоты и минеральных солей из воды через клеточную оболочку. Среди бактерий есть формы пигментированные - окрашенные и бесцветные. Для их развития тоже необходим свет, и многие из них также принадлежат к автотрофным организмам. Есть и бактерии, жизнедеятельность которых подавляется светом и которые могут жить только в темноте. Но и они способны производить белки, углеводы, жиры и другие сложные соединения из соединений углерода типа углекислоты, используя энергию окисления некоторых минеральных веществ.

Весьма важно, что химический анализ живого вещества автотрофных бактерий показал в них наличие того же набора аминокислот, углеводов, жиров и биологически активных веществ - ферментов, который свойствен и гетеротрофным организмам. Из этого следует, что в широком смысле все формы жизни построены по одному образцу.

Возникновение жизни произошло, несомненно, сразу же, как только температура в водных бассейнах или на смежных выступах суши снизилась до пределов, допускающих сохранность белковых веществ. Идеи А. И. Опарина в отношении абиогенной эволюции углеродных соединений на основе синтеза из первичных газовых компонентов атмосферы при наличии паров воды или воды в жидкой фазе не встречают возражений ни со стороны биохимиков, ни со стороны геологов. Однако могут быть некоторые расхождения в представлениях, какими были первичные организмы - гетеротрофами или автотрофами. Несомненно при этом, что те или другие или те и другие обязательно должны были обладать способностью существования в анаэробных, т. е. в бескислородных условиях.