Происхождение жизни: абиогенная теория

Абиогенная теория происхождения жизни

Начало современной теории происхождения жизни положил российский ученый-биохимик Александр Иванович Опарин (автор коацерватной теории). В 1924 году он опубликовал труд «Происхождение жизни», в котором впервые сформулировал естественнонаучную гипотезу зарождения жизни на Земле — белково-коацерватную гипотезу происхождения живых организмов.

Согласно гипотезе Опарина, жизнь на Земле зародилась в результате целого ряда химических превращений органических веществ, происходивших в течение очень длительного периода времени (миллиардов лет) в особых условиях существования тогда еще молодой, формирующейся планеты. 

На Земле тогда были следующие условия:

 мощным ультрафиолетовым излучением, 

сильными электрическими разрядами в атмосфере,

 Очень высокая температура в результате вулканической деятельности. 

Он предположил, что 4-4,5 млрд лет назад из аммиака, метана, углекислого газа, водорода и паров воды, составляющих в то время земную атмосферу, произошло абиогенное образование органических веществ, среди которых важнейшее место занимали аминокислоты и белковоподобные полимеры — полипептиды. 
Условия образования простых органических соединений

После охлаждения атмосферы и длительных дождей образовался первичный океан, в котором из неорганических образовались много различных органических соединений (поэтому первичный океан называют «питательным бульоном» или «первичным бульоном»).

Затем возникли предшественники жизни — протобионты или  пробионтов (от греч. pro — «перед», «раньше» и bios — «жизнь») — в результате спонтанного объединения белковоподобных органических соединений, плавающих в более разбавленном водном растворе, в так называемые коацерватные капли (или коацерваты). Процесс образования таких капелек — коацервация (от лат. coacervatio — «собирание в кучу», «накопление») способствовал высокой концентрации полимеров и их обособлению от внешней среды. Позже ряд опытов, проведенных в лабораторных условиях, подтвердил возможность возникновения коацерватных капель.

А.И. Опарин полагал, что между коацерватными каплями должен был идти естественный отбор наиболее устойчивых в существовавших условиях, они могли расти, обмениваться веществами между собой, но НЕ МОГЛИ РАЗМНОЖАТЬСЯ.

Следовательно, целый ряд положений коацерватной теории нуждался в дополнительных объяснениях. Многие из них дала 

На Земле тогда были следующие условия:

- мощным ультрафиолетовым излучением, 

- сильными электрическими разрядами в атмосфере,

- очень высокая температура в результате вулканической деятельности. 

Он предположил, что 4-4,5 млрд лет назад из аммиака, метана, углекислого газа, водорода и паров воды, составляющих в то время земную атмосферу, произошло абиогенное образование органических веществ, среди которых важнейшее место занимали аминокислоты и белковоподобные полимеры — полипептиды. 
Условия образования простых органических соединений

После охлаждения атмосферы и длительных дождей образовался первичный океан, в котором из неорганических образовались много различных органических соединений (поэтому первичный океан называют «питательным бульоном» или «первичным бульоном»).

Затем возникли предшественники жизни — протобионты или  пробионтов (от греч. pro — «перед», «раньше» и bios — «жизнь») — в результате спонтанного объединения белковоподобных органических соединений, плавающих в более разбавленном водном растворе, в так называемые коацерватные капли (или коацерваты). Процесс образования таких капелек — коацервация (от лат. coacervatio — «собирание в кучу», «накопление») способствовал высокой концентрации полимеров и их обособлению от внешней среды. Позже ряд опытов, проведенных в лабораторных условиях, подтвердил возможность возникновения коацерватных капель.

А.И. Опарин полагал, что между коацерватными каплями должен был идти естественный отбор наиболее устойчивых в существовавших условиях, они могли расти, обмениваться веществами между собой, но НЕ МОГЛИ РАЗМНОЖАТЬСЯ.

Гипотеза происхождения живого, впервые выдвинутая А.И. Опариным, долгое время считалась основной и завоевала широкое признание во всем мире. Он утверждал, что именно белковые тельца (коацерваты) явились первыми живыми организмами — предорганизмами. От них образовались первые примитивные живые организмы- протобионты или пробионты.

 Но эта гипотеза не давала объяснения способности к самовоспроизведению.

Для решения этого вопроса английский биохимик и генетик Дж. Холдейн в 1929 году выдвигает генетическую гипотезу происхождения живого, ее суть: появлению жизни послужило возникновение нуклеиновых кислоты (ДНК) и основой  создания пробионтов были не белки, а нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК), поскольку они служат матрицей для синтеза белков. 

Затем от протобионтов возникли первые клетки - прокариоты; далее от них - эукариоты (сперва гетеротрофы, потом автотрофы). После появились многоклеточные, половое размножение, много кислорода в результате фотосинтеза и выход жизни из воды на сушу. Да  

Таким образом, на основе обобщения коацерватной и генетической гипотез и обогащения их накопленными фактами была сформулирована единая абиогенная гипотеза, рассматривающая происхождение жизни как результат длительной эволюции химических  соединений. 

Вслед за Опариным и Холдейном подобные идеи в 50-70-е годы XX века высказывали многие ученые. Так, видный английский физик и кристаллограф Джон Бернал (1947), в отличие от Опарина, считал, что скопление органических молекул в те времена происходило не путем коацервации, а с помощью адсорбции первых полимерных молекул а поверхностях асимметричных кристаллов кварца в водной среде.

В 1957 году американский ученый Сидней Фокс предположил, что на первобытной Земле при испарении воды из луж, оставшихся после отлива, между аминокислотами возникали пептидные связи и образовались белковоподобные соединения — олигопептиды. Из этих белковоподобных соединений могли образовываться шарообразные агрегаты с заключенными в них органическими соединениями — микросферы, покрытые сверху белками. Эти образования С. Фокс называл протеиноидами (то есть белковоподобными) и считал, что они, подобно ферментам, могли катализировать определенные химические реакции внутри микросфер. 

Первыми доказали возможность возникновения сложных органических веществ из неорганических соединений американские биохимики Стенли Миллер и Гарольд Юри. В 1953 году они в специально созданном приборе наблюдали, как из смеси воды, аммиака и метана под действием ультрафиолетового излучения, электрической искры и нагревания появлялись органические соединения — аминокислоты, которые, соединяясь между собой, образовывали белки. Экспериментаторам удалось получить таким же путем молекулы углеводов (различные сахара и среди них — рибозу), азотистые основания (например, аденин) и небольшие цепи простых нуклеиновых кислот, сходных с РНК. 
Устройство аппарата С. Миллера

В 1965 году американский биохимик Сирил Поннаперума с сотрудниками смогли синтезировать аминокислоты и пурины (строительные блоки белков и нуклеиновых кислот) и осуществили синтез нуклеотидов и молекул АТФ, АДФ, АМФ. Биохимик Дж. Оро при умеренном нагревании смеси цианистого водорода, аммиака и воды получил аденин. Он же синтезировал урацил, рибозу, дезоксирибозу.

В 1982 году произошло сенсационное открытие, сделанное американским молекулярным биологом Томасом Чеком. Он обнаружил каталитическую (ферментативную) способность молекул РНК. Возникла гипотеза РНК-мира. Ученым экспериментально была доказана способность рибонуклеотидов в определенных условиях среды спонтанно образовывать небольшие нити молекул РНК и синтезировать свои РНК-копии без участия ферментов или других белков. Есть предположение, что возможные контакты с какими-то кристаллами минеральных веществ способствовали упорядочению появившихся молекул органических соединений. Подобное открытие взаимодействия нуклеиновых кислот с аминокислотами приводит к выводу, что на определенных этапах химической эволюции мог существовать матричный синтез не только нуклеиновых кислот, но и молекул белков. Возможно, что подобные реакции, совершаясь в протобионтах, обеспечивали появление различных полимеров, способных хранить и передавать информацию о своей структуре и о структуре собственных белков. Подобное открытие подтверждает генетическую гипотезу происхождения жизни. 
Аналогичные эксперименты проводили многие ученые: А. Уилсон, К. Харада, М. Кальвин, Н. Пири, российские исследователи А.И. Опарин и его сотрудники Т.Е. Павловская, А.Г. Пасынский и др.

Их опыты свидетельствовали о том, что в условиях первобытной Земли из простых компонентов первичной земной атмосферы могли образовываться различные полимерные органические соединения, ставшие основой современной жизни. С потоками горячих ливневых дождей из атмосферы они попадали в водоемы Мирового океана, где накапливались и постепенно, со временем создали особую водную среду, насыщенную многочисленными и разнообразными органическими веществами. Все это могло служить основанием для возникновения элементарных живых форм.

Использованы рисунки и материал:  https://blgy.ru/origin-life/