Возникновение жизни. «Первичный бульон» или «первичная пицца»?

Долгое время ученые придерживались теории, что жизнь зародилась в море. Вернее, в древнем океане, наполненном так называемым «первичным бульоном». Сейчас эта теория, при всей ее ценности для понимания некоторых процессов, уже несколько устарела. Если как следует проанализировать состав жидкостей в нашем теле, то картина получается более сложная.

Теорию «первичного бульона» выдвинул в первой трети прошлого века советский биохимик Александр Иванович Опарин, и она надолго стала одной из самых влиятельных в научном мире. Работа Опарина «Происхождение жизни» вышла в 1924 г. и была переведена на английский язык в 1938 г. Но еще раньше идеи Опарина нашли горячую поддержку у британского биолога Джона Холдейна, и он опубликовал ряд работ в том же направлении.

 

Согласно теории Опарина — Холдейна древнейшая атмосфера Земли была полностью лишена кислорода и состояла из метана, аммиака и водорода. Когда на эту атмосферу стали воздействовать различные естественные источники энергии — грозы и извержения вулканов, — в океане начали формироваться основные химические соединения, необходимые для органической жизни. С течением времени молекулы органических веществ накапливались в океанах, пока не достигли консистенции горячего разбавленного бульона. Однако в некоторых районах концентрация молекул, необходимых для зарождения жизни, была особо высокой, и там образовались нуклеиновые кислоты и протеины. Взаимодействие между возникшими нуклеиновыми кислотами и протеинами в конце концов привело к возникновению генетического кода. В дальнейшем эти молекулы объединились, и появилась первая живая клетка.

 

 

В 1954 г. Стэнли Миллер провел следующий эксперимент. Он создал аппарат из двух стеклянных колб, соединенных в замкнутую цепь. В одну из колб Миллер поместил устройство, имитирующее грозовые эффекты, — два электрода, между которыми происходит разряд при напряжении около 60 тыс. вольт; в другой колбе постоянно кипела вода. Затем он заполнил аппарат газовым составом, который, как он полагал, соответстветствовал атмосфере древней Земли: метаном, водородом и аммиаком. Аппарат проработал неделю, после чего были исследованы продукты реакции. В получившемся вязком месиве было обнаружено некоторое количество органических веществ, в том числе и простейшие аминокислоты — глицин и аланин. Позднее в разных условиях были получены также сахара и нуклеотиды.

 

Результат был очень вдохновляющим, но прошло несколько десятилетий —и восторги несколько поутихли. Во-первых, предположение, что древнейшая атмосфера Земли состояла из метана, аммиака и водорода не подтвердилось. Для атмосфер каменистых планет характерен углекислый газ. Во-вторых, в 1960-х гг. случился прорыв в области изучения внутреннего устройства клетки. Тутто и выяснилось, что даже самая простая клетка устроена невероятно сложно. В клетке налажен изумительный механизм сложнейших молекул, и чтобы научиться такому слаженному взаимодействию, они должны были собраться в одном месте и остаться в близком соседстве надолго. Это очень трудно представить себе на морских просторах, где любая тесная компания в любой момент может быть разбавлена. Молекулы современной клетки удерживает от разброда и шатания сложно устроенная оболочка, но ведь когда-то ее не было! Скорее всего, дружное сообщество молекул возникло в каком-то ограниченном пространстве, вероятно, очень небольшом. Вдумчивый анализ химического состава нашего организма поможет понять, где и как это произошло.

 

Продолжение статьи читайте в мартовском номере журнала «Наука и техника» за 2020 год.  Доступна как печатная, так и электронная версии журнала. Оформить подписку на журнал можно здесь.

 

В магазине на сайте также можно купить магниты, календари, постеры с авиацией, кораблями, сухопутной техникой

Гипотеза «первичного бульона»

Первичный бульон — термин, введённый советским биологом Александром Ивановичем Опариным. В 1924 году он выдвинул теорию о возникновении жизни на Земле через превращение, в ходе постепенной химической эволюции, молекул, содержащих углерод, в первичный бульон.

Первичный бульон предположительно существовал в мелких водоёмах Земли 4 млрд. лет назад. Он состоял из аминокислот, полипептидов, азотистых оснований, нуклеотидов. Он образовался под воздействием электрических разрядов, высокой температуры и космического излучения. При этом атмосфера Земли в то время не содержала кислорода.

В 1924 году будущий академик Александр Опарин опубликовал статью «Происхождение жизни», которая в 1938 году была переведена на английский и возродила интерес к теории самозарождения. Опарин предположил, что в растворах высокомолекулярных соединений могут самопроизвольно образовываться зоны повышенной концентрации, которые относительно отделены от внешней среды и могут поддерживать обмен с ней. Он назвал их Коацерватные капли, или просто коацерваты.

Согласно его теории процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделён на три этапа:

  1. Возникновение органических веществ

  2. Возникновение белков

  3. Возникновение белковых тел

Астрономические исследования показывают, что как звёзды, так и планетные системы возникли из газопылевого вещества.

Наряду с металлами и их оксидами в нём содержались водород, аммиак, вода и простейший углеводород — метан.

Условия для начала процесса формирования белковых структур установились с момента появления первичного океана (бульона). В водной среде производные углеводородов могли подвергаться сложным химическим изменениям и превращениям. В результате такого усложнения молекул могли образоваться более сложные органические вещества, а именно углеводы.

Наука доказала, что в результате применения ультрафиолетовых лучей можно искусственно синтезировать не только аминокислоты, но и другие органические вещества. Согласно теории Опарина, дальнейшим шагом по пути к возникновению белковых тел могло явиться образование коацерватных капель. При определённых условиях водная оболочка органических молекул приобретала чёткие границы и отделяла молекулу от окружающего раствора. Молекулы, окружённые водной оболочкой, объединялись, образуя многомолекулярные комплексы — коацерваты.

Коацерватные капли также могли возникать при простом смешивании разнообразных полимеров. При этом происходила самосборка полимерных молекул в многомолекулярные образования — видимые под оптическим микроскопом капли.

Капли были способны поглощать извне вещества по типу открытых систем. При включении в коацерватные капли различных катализаторов (в том числе и ферментов) в них происходили различные реакции, в частности полимеризация поступающих из внешней среды мономеров. За счёт этого капли могли увеличиваться в объёме и весе, а затем дробиться на дочерние образования. Таким образом, коацерваты могли расти, размножаться, осуществлять обмен веществ.

Далее коацерватные капли подвергались естественному отбору, что обеспечило их эволюцию.

Подобные взгляды также высказывал британский биолог Джон Холдейн.

Проверил теорию Стэнли Миллер в 1953 году в эксперименте Миллера — Юри. Он поместил смесь H

2O, NH3, CH4, CO2, CO в замкнутый сосуд и стал пропускать через неё электрические разряды (при температуре 80°С). Оказалось, что образуются аминокислоты. Позднее в разных условиях были получены другие сахара и нуклеотиды. Он сделал вывод, что эволюция может произойти при фазовообособленном состоянии из раствора (коацерватов). Однако, такая система не может сама себя воспроизводить.

Теория была обоснована, кроме одной проблемы, на которую долго закрывали глаза почти все специалисты в области происхождения жизни. Если спонтанно, путём случайных безматричных синтезов в коацервате возникали единичные удачные конструкции белковых молекул (например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному коацервату в росте и размножении), то как они могли копироваться для распространения внутри коацервата, а тем более для передачи коацерватам-потомкам? Теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного воспроизведения — внутри коацервата и в поколениях — единичных, случайно появившихся эффективных белковых структур. Однако, было показано, что первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно из липидов, синтезированных абиогенным путем, и они могли вступить в симбиоз с «живыми растворами» — колониями самовоспроизводящихся молекул РНК, среди которых были и рибозимы, катализирующие синтез липидов, а такое сообщество уже можно назвать организмом[2].

В поисках происхождения жизни: объяснение теории первобытного супа

Эволюционная биология помогла объяснить превращение одноклеточных организмов в разумные многоклеточные организмы. Однако точная причина, лежащая в основе происхождения жизни, до сих пор остается неоднозначной. Это привело к развитию нескольких теорий, пытающихся объяснить, как зародилась жизнь на первичной Земле, из которых теория первичного бульона является одной из самых известных теорий. Этот пост BiologyWise подробно объясняет эту теорию.

Возникновение жизни кажется в настоящий момент почти чудом, так много условий, которые должны были быть соблюдены, чтобы это произошло .
– Фрэнсис Крик

Со времен Аристотеля до 17 го века считалось, что жизнь зародилась спонтанно, и считалось, что она непрерывно генерируется в результате случайных событий. Процесс, посредством которого произошло это явление, был назван абиогенезом и относился к образованию живых организмов из неживой материи.

Однако благодаря экспериментальным усилиям, предпринятым Франческо Реди, Ладзаро Спалланцани и Луи Пастером, концепция абиогенеза была опровергнута и заменена концепцией биогенеза. Эта концепция объясняла, что новая жизнь возникает из ранее существовавшей жизни путем воспроизводства. Хотя эта теория объясняла продолжающееся появление форм жизни, она все же не могла предоставить никакой информации о происхождении самой жизни.

Развитие теории изначального супа

В 1924 г. Александр Иванович Опарин предположил, что абиогенез действительно происходил в теплом водоеме, подобном пруду или океану на древней Земле. Он объяснил, что существовавшие тогда условия могли спонтанно породить простые и грубые формы жизни. Отсутствие экспериментальных доказательств можно объяснить тем, что с тех пор не только радикально изменилась окружающая среда Земли, но и тем, что любые новые формы жизни будут немедленно поглощены современными организмами, населяющими эту область. Он предположил, что текущий уровень атмосферного кислорода препятствует синтезу органических соединений, необходимых для зарождения жизни, и что под действием солнечного света в атмосфере, лишенной кислорода, может образоваться «первичный бульон» из органических биомолекул. Затем эти биомолекулы будут объединяться друг с другом и расти до тех пор, пока не будет достигнута критическая масса, после чего они будут делиться путем деления на дочерние молекулы. Этот механизм лег бы в основу примитивной формы метаболизма.

Примерно в то же время британский биолог Дж. Б. С. Холдейн представил свою концепцию химического происхождения жизни. Он сравнил первобытный океан с огромной химической лабораторией, в которой есть смесь неорганических соединений. Под действием солнечного света атмосфера из углекислого газа, аммиака и водяного пара позволила бы превратить неорганические молекулы в органические молекулы (примитивные формы жизни). Затем эти молекулы будут взаимодействовать друг с другом с образованием сложных соединений, которые, в свою очередь, образуют клеточные компоненты. В конце концов, сформируется мембранная структура, которая затем эволюционирует, чтобы инкапсулировать самовоспроизводящиеся молекулы, тем самым создавая первую живую клетку. Эта гипотеза происхождения жизни была названа Дж. Д. Берналом биопоэзисом.

Теория изначального супа

Поскольку теории, выдвинутые Опариным и Холдейном, были разработаны независимо, но одновременно, и пришли к одним и тем же выводам, теория первичного супа также называется гипотезой Опарина-Халдейна. Он состоит из следующих постулатов:-

♦ Между живым организмом и неживой материей нет принципиальной разницы, а сложного сочетания проявлений и свойств, поэтому признаки жизни должны были возникнуть в процессе эволюции материи.

♦ Зарождающаяся Земля обладала сильно восстановительной атмосферой, содержащей метан, аммиак, водород и водяной пар, которые были сырьем для эволюции жизни.

♦ По мере роста и усложнения молекул появлялись новые свойства, и на более простые органические химические отношения, определяемые пространственным расположением и взаимоотношениями молекул, накладывался новый коллоидно-химический порядок.

♦ Уже в этом раннем процессе конкуренция, скорость роста, борьба за существование и естественный отбор определяли форму материальной организации, ставшую характерной для живых существ.

♦ Живые организмы являются открытыми системами, поэтому должны получать энергию и материалы извне, и поэтому не ограничены вторым законом термодинамики (который применим только к закрытым системам, в которых энергия не пополняется).

Эти принципы были позднее пересмотрены и обобщены Робертом Шапиро и представлены в зрелой форме, как показано ниже:

  • Ранняя Земля имела химически восстановительную атмосферу.
  • Эта атмосфера, подвергшаяся воздействию энергии в различных формах, производила простые органические соединения («мономеры»).
  • Эти соединения накапливались в виде «супа», который мог концентрироваться в различных местах (береговая линия, океанические жерла и т. д.).
  • В результате дальнейшей трансформации в супе развились более сложные органические полимеры и, в конечном счете, жизнь.

Экспериментальная поддержка

В 1953 году Стэнли Л. Миллер и Гарольд С. Юри провели эксперимент для проверки гипотезы Опарина-Холдейна. Они попытались воспроизвести атмосферные условия изначальной Земли, заключив метан, аммиак, водород и воду в газообразном состоянии в закрытую систему. Непрерывные электрические токи использовались для имитации возникновения грозы в этой закрытой системе. Полученные продукты анализировали с помощью хроматографических методов. Через семь дней анализ продуктов показал, что почти 10-15% углерода из метана перешло в органическую форму. Кроме того, 2% этого углерода находится в форме нескольких незаменимых аминокислот. Эти открытия помогли доказать, что жизнь могла возникнуть в соответствии с теорией первичного бульона. Этот эксперимент известен как эксперимент Миллера-Юри, и он лег в основу многих других подобных экспериментов.

В 1961 году каталонский биохимик Хоан Оро обнаружил, что в результате реакции между цианистым водородом и аммиаком образуются не только аминокислоты, но и огромное количество аденина, нуклеотидного основания. Аденин жизненно важен для функционирования любой живой клетки, поскольку он образует одно из четырех оснований в молекулах РНК и ДНК, а также является компонентом АТФ, молекулы, высвобождающей энергию. Эти результаты вдохновили на дальнейшие эксперименты, которые увенчались успехом по получению других оснований РНК и ДНК из аналогичной пребиотической реакционной смеси в восстановительной атмосфере. Эти открытия помогли обеспечить экспериментальную поддержку теории первичного супа.

Ограничения теории первобытного бульона

► Геохимические данные свидетельствуют о том, что первобытная среда не восстанавливалась и содержала водород, воду и углекислый газ. В таком случае единственной возможной аминокислотой, которая может образоваться, является глицин, и это происходит только при чрезвычайно высоком содержании водорода. Следовательно, необходимые строительные блоки жизни не могли быть созданы в этой среде.

► Химические вещества-пребиотики теоретически могут быть синтезированы в незначительных количествах, которые будут быстро разлагаться из-за высокой температуры и воздействия ультрафиолетового излучения. Следовательно, они не будут накапливаться и агрегировать, образуя сложные соединения.

► Наличие озонового слоя указывает на присутствие молекул кислорода, что делает атмосферу невосстановительной. Однако, если озоновый слой отсутствует, ультрафиолетовый свет разрушит любые биомолекулы. Получается ситуация «уловка-22».

► Если бы молекулы образовались случайно, получившийся суп был бы очень разбавленным и недостаточно концентрированным для взаимодействия молекул.

► С химической точки зрения, все химические реакции приводят к образованию рацемических смесей, т.е. имеется равное количество левых и правых хиральных продуктов. Однако все биомолекулы избирательно используют только левые хиральные молекулы. В первобытном состоянии эта избирательность не учитывается.

► В реакции полимеризации мономеры сливаются вместе, образуя полимер и молекулу воды. Согласно принципу химического равновесия Ле Шателье, присутствие продуктов (воды) сместит равновесие, что приведет к замедлению реакции и, в конечном итоге, к ее остановке. Это означает, что полимеризация биомолекул с образованием комплексного соединения либо приводит к образованию незначительных количеств полимера, либо вообще не происходит. Чтобы реакция произошла, она должна сопровождаться стадией дегидратации. Это противоречит основному постулату теории, утверждающей, что жизнь зародилась в теплом водоеме.

► В случае, если вышеупомянутые ограничения могут быть преодолены и учтены, теория все еще не объясняет, как белки, образованные агрегацией аминокислот, могут дать начало любой форме самовоспроизводящейся генетической молекулы.

В заключение отметим, что теория первичного бульона не полностью объясняет процесс возникновения жизни. Чтобы преодолеть множество ограничений, представленных этой теорией, были выдвинуты другие теории для объяснения спонтанного зарождения жизни, но ни одна из них не представила убедительных доказательств, чтобы быть широко принятым в качестве действительного объяснения. Примером одной из таких теорий является теория глубоководных жерл, согласно которой жизнь зародилась в подводных гидротермальных жерлах. Эта теория набрала обороты после эксперимента Тадаши Сугавары в 2011 году, в ходе которого удалось создать «протоклетку» в горячей воде.

Теория первозданного бульона Дарвина объясняет происхождение жизни

  • Ученые продолжают восхищаться теорией первичного бульона Чарльза Дарвина.
  • Воссоздание супа требует сложной химии, а также истории химии.
  • Дарвин сделал невероятно обоснованное предположение, учитывая объем знаний, с которыми он работал.

Более 150 лет назад Чарльз Дарвин написал личное письмо другу и изложил основы того, что позже будет названо теорией первичного бульона: свет и тепло, в конечном итоге образуя строительные блоки жизни в аминокислотах. Теперь ученые-исследователи выстраивают все больше и больше доказательств того, что он, вероятно, был прав.

⏳ Ты любишь крутую историю. И мы тоже. Давайте вместе разберемся с этим.

Дарвин не только предложил общий первобытный бульон, но и определил некоторые нюансы, благодаря которым меньший закрытый водоем мог бы дать лучшую смесь. В письме другу 1871 года Дарвин писал:

«Часто говорят, что сейчас имеются все условия для первого возникновения живого организма, которые могли бы когда-либо существовать. если бы мы могли вообразить себе, что в каком-нибудь теплом маленьком пруду со всеми видами аммиака и фосфорных солей, светом, теплом, электричеством и т. д. химически образовалось белковое соединение, готовое к еще более сложным изменениям, в наши дни такая материя ж d быть мгновенно съеденным или поглощенным, чего не было бы до образования живых существ».

Восемьдесят лет спустя ученые, наконец, последовали рецепту Дарвина, получив дополнительное понимание химических фактов, таких как аминокислоты, которые были открыты только спустя десятилетия после письма Дарвина. По мнению ученых, если в одном и том же водоеме циркулирует достаточное количество фрагментов аминокислот, в конечном итоге возникнут почти все комбинации. Миллионы обезьян превратились в помешивание супа.

Прочитать это
  • Пришла ли жизнь откуда-то еще?

Здесь есть несколько ключевых факторов, которые, по мнению ученых, имеют решающее значение для успешного приготовления первобытного супа. И, честно говоря, вы можете думать об этом как об обычном супе . Представьте, что вы бросаете один бульонный кубик в целую кастрюлю, а не в маленькую кастрюлю с водой. Мало того, что ваша полная кастрюля будет иметь очень слабый вкус, потребуется вечность, чтобы вода нагрелась до такой степени, чтобы бульонный кубик полностью растворился. Еще труднее будет приколоть оставшиеся кусочки деревянной ложкой.

Это означает, что первичный суп с одними и теми же ингредиентами, такими как разные аминокислоты и электролиты, будет по-разному реагировать на солнечный свет в маленьком пруду и в большом океане.

Лучшие книги об эволюции
Происхождение видов

Прочитать

Кредит: Amazon
W. W. Norton & Company Слепой часовщик: почему доказательства эволюции раскрывают вселенную без дизайна

Сейчас скидка 45%

3

Сейчас

Кредит: Amazon
Columbia University Press Эволюция: о чем говорят ископаемые и почему это важно

Читать сейчас

Авторы и права: Amazon
Издательство Quercus Невероятная невероятность бытия: эволюция и создание нас

Читать сейчас

Кредит: Amazon

И, как BBC указывает на , даже размер небольшого пруда меняется от дня к ночи и от сезона к сезону, создавая своего рода непрерывный эксперимент, в котором одни и те же материалы повторяются во всех возможных концентрациях и условиях:

Бассейны на суше могут периодически почти полностью высыхать, когда становится жарко, а затем снова наполняться, когда идет дождь.
Такие влажно-сухие циклы могут показаться безобидными, но они могут оказывать глубокое воздействие на химические вещества жизни.
[A] В эксперименте 2009 г. были получены только два из четырех строительных блоков РНК. В 2019 году исследователи из Германии сделали сразу все четыре. Они поместили простые химические вещества на основе углерода в горячую воду на минеральной поверхности и подвергли их повторяющимся циклам влажного и высыхания. Нескольких дней этого было достаточно, чтобы сделать строительные блоки РНК.

Одна невероятная вещь заключается в том, что благодаря своему пониманию даже основных концепций наследственности и эволюции Дарвин проделал довольно хорошую работу по обратному проектированию чрезвычайно сложных идей почти без каких-либо научных строительных блоков, о которых мы знаем сейчас.

До сих пор ученые не определили точную комбинацию факторов, которая может быть бесконечно сложной.