Как менялись наши представления о зарождении жизни, или Бульон столетней давности
Теории зарождения жизни можно разделить на две большие группы – исходящих из того, что жизнь во вселенной возникла из неживой материи (современный мейнстрим), и предполагающих, что жизнь во вселенной была изначально (находятся на маргинальном положении).
Исторически популярной была концепция самозарождения. Считалось, что простые организмы способны самопроизвольно возникать в благоприятных условиях – личинки мух сами по себе заводятся в мясе, бактерии спонтанно возникают на питательном субстрате и т. д. К XIX веку концепция самозарождения была окончательно опровергнута, и вопрос возникновения жизни остался без традиционного ответа. Набиравший в те годы популярность дарвинизм ставил во главу угла дивергентную эволюцию (новые виды образуются расхождением старых) и на вопрос, откуда взялся самый первый организм, не отвечал.
Ответом стала теория Опарина–Холдейна, она же теория «первичного бульона», она же коацерватная теория. Более чем уверен, что читатели кошки про первичный бульон знают хотя бы в общих чертах, но повторить не помешает.
В начале XX века предполагалось, что ранняя атмосфера Земли была бескислородной (это действительно так) и состояла преимущественно из аммиака, водорода и метана (а вот это утверждение ошибочно, мы к нему еще вернемся). Опарин предположил, что первичные биологические молекулы могли возникнуть из смеси этих газов и воды, подобные реакции в химии были известны давно. В качестве источника энергии этих реакций могли выступать разряды молний. В 1953 году американский химик Стенли Миллер в лабораторных условиях попытался воспроизвести условия первичного бульона, и, действительно, под воздействием электрического разряда из смеси аммиака, углекислого газа, водорода и воды, возникали аминокислоты – составные единицы белков.
Согласно теории Опарина-Холдейна, полученные таким образом органические молекулы взаимодействовали друг с другом и образовывали своеобразные скопления, коацерваты, плавающие в толще воды. Коацерватные капли уже являлись биологическими системами, то есть могли самовоспроизводиться и эволюционировать.
С момента опыта Миллера прошло 70 лет, а основные положение коацерватной теории были опубликованы так и вовсе около века назад. Разумеется, за это время накопились новые знания и положения, благодаря которым теорию «первичного бульона» можно назвать устаревшей. Перечислим наиболее весомые из них.
1) Опыт Миллера исходил из неверных предпосылок. Миллер получал органические вещества из смеси водорода, аммиака и метана – в условиях древней Земли эта смесь была бы разрушена под воздействием ультрафиолета. Сейчас мы знаем, что тогдашняя атмосфера состояла преимущественно из азота(N2) и двуокиси кислорода (CO2). Это достаточно стабильные молекулы, крайне плохо встраивающиеся в биологические циклы. Современная жизнь умеет это делать, но использует достаточно сложные и энергозатратные механизмы, которые на заре жизни возникнуть не могли.
2) Низкая концентрация биологических молекул и избыток воды. На бытовом уровне понятно, чем меньше в растворе молекул, тем медленнее будет протекать реакция. Но есть и более тонкий момент, связанный с обратимостью. В химии есть так называемый принцип Ле Шателье, общую формулировку, кому интересно, можете посмотреть в Википедии, нам же сейчас интересно следствие – избыток продуктов в среде замедляет реакцию, так как продукты начинают реагировать друг с другом и превращаться в исходные реагенты. Многие реакции полимеризации, то есть реакции соединения простых молекул (мономеров) в сложные биологические молекулы (полимеры), в качестве побочного продукта имеют молекулу воды. Концепция первичного бульона предполагает, что в среде воды не просто много, а очень много, и это сдвигает равновесие в сторону обратной реакции, то есть в сторону мономеров. В современности это не является проблемой, так как практически на любую важную реакцию имеются суперэффективные биологические катализаторы – ферменты, но на заре жизни их еще только предстояло выработать.
3) Отсутствие пространственных границ. Предположим, что мы тем или иным способом получили необходимые нам биологические молекулы. На следующем этапе эти молекулы должны вступить в кооперацию и начать совместную эволюцию. Очевидно, необходима какая-то физическая граница, способная удержать молекулы вместе. В первичном бульоне молекулы плавают и взаимодействуют рандомно, и нет силы, которая позволит удержать вместе удачные сочетания.
4) Дефицит энергии. Любая живая система является открытой, то есть для ее поддержания требуются внешние источники энергии. Жизнь на Земле освоила три источника энергии – солнечный свет (фотосинтез), энергия неорганических реакций (хемосинтез) и потребление готовой органики (гетеротрофность). Фотосинтез эволюционно очень сложный процесс, на ранних этапах зарождения жизни возникнуть не мог. Гетеротрофность хороша, но предполагает, что потребляемую тобой органику должен произвести кто-то другой. Так или иначе, ранняя жизнь существовала за счет энергии окисления неорганических элементов – железа, серы, азота и др. В первичном бульоне нет ничего из этого. Единственный предложенный источник энергии – разряды молний – очевидно нестабилен и недостаточен.
Гипотезу «первичного бульона» можно сравнить с теорией Дарвина. Современная наука внесла множество корректив в дарвинизм – чего-то Дарвин не знал, в чем-то заблуждался, но главная идея (ведущая роль наследственной изменчивости в процессе видообразования) оказалась абсолютно верной. Так же и тут. Сама идея о том, что основные биологические молекулы изначально были синтезированы спонтанно, а затем, в процессе их взаимодействия, возникла способность к самовоспроизведению и дальнейшей эволюции, сомнений практически не вызывает. Вопрос в том, как именно это происходило.
Современных концепций на самом деле предложено множество, говорить о них можно долго, при этом далеко не все противоречат друг другу, а напротив, зачастую пересекаются и взаимно дополняют одна другую. Подозреваю, что вы уже и бульоном сыты по горло, оставим их разбор на следующий раз.
