Первые органические соединения и первые живые существа

Условия для синтеза органических соединений из неорганических сформировались на древней Земле примерно 4,5-4,4 млрд лет назад, вскоре после ее возникновения из пылевого облака. Поверхность планеты покрывали активно действующие вулканы и горячие водоемы. Атмосфера того периода состояла из вулканических газов и была насыщена парами воды. Жесткое ультрафиолетовое излучение и грозовые разряды могли стать источниками энергии для синтеза органических веществ из простых неорганических соединений, что неоднократно подтверждалось в лабораторных условиях.

Среди образовывавшихся органических молекул могли быть и полипептиды, и короткие нуклеиновые кислоты, т. е. два основных компонента современных живых систем. С какого же из этих соединений началось становление жизни?

Фундаментальное свойство живых организмов - передача потомкам информации о своей структуре и функциях - обеспечивается репликацией ДНК, где такая информация записана в виде последовательности нуклеотидных оснований. Способностью к репликации из всех известных биологических полимеров обладают только нуклеиновые кислоты. Однако их копирование (репликация ДНК, матричный синтез мРНК) невозможно без участия белков-ферментов. Получается замкнутый круг - белки не могут передать свои свойства потомкам без помощи нуклеиновых кислот, а нуклеиновые кислоты не способны к воспроизводству без белков-ферментов.

Проблема эта казалась неразрешимой, пока в 80-е гг. ХХ в. не было установлено, что некоторые типы РНК способны к саморепликации без участия белков-ферментов. Такие РНК вполне могли появиться в водоемах древней Земли, что можно считать первым шагом на пути биопоэза - формирования живого из неживого. В процессе саморепликации древних РНК неизбежными были ошибки в копировании, так что вновь синтезируемая цепочка могла отличаться от материнской. В результате росло разнообразие молекул РНК, и постепенно сформировался первый самодостаточный биологический мир - «мир РНК».

Молекулы РНК функционировали в этом мире и как генетический материал (передача свойств материнской цепи дочерним), и как катализаторы при собственном воспроизведении. На каком-то этапе эволюции функция носителя генетической информации перешла от РНК к ДНК. Последняя, обладая двухцепочечной структурой, более стабильна и в меньшей степени подвержена внешним воздействиям, чем одноцепочечная РНК. Это гарантирует высокую сохранность записанной на ДНК информации.

Одним из ранних событий в эволюции живого было обособление либо самореплицирующейся РНК, либо уже сформированной белоксинтезирующей системы от внешней среды. Возможно, такие протоорганизмы, или протобионты, имели вид коацерватов, с которыми длительное время экспериментировал отечественный ученый Александр Иванович Опарин, работавший в середине ХХ в. Коацерваты - это капли, которые самопроизвольно образуются в смеси некоторых полимеров. От внешней среды они отделены плотным наружным слоем, который можно считать прообразом клеточной мембраны, а коацерват в целом - прообразом клеток живых организмов.

Приведенный сценарий развития событий, конечно, гипотетичен. Далеко не все описанные выше процессы объяснимы с точки зрения современной биохимии. Особенно уязвим момент перехода от РНК и ее репликации к биосинтезу белка. Необходимо учитывать и тот факт, что палеонтологическая летопись не оставила нам никаких следов начальных этапов биопоэза. Поэтому любой вариант, который ученые предлагают сейчас или предложат в будущем, всегда будет носить характер предположения, каким бы реальным он ни выглядел.

Возможность образования органических соединений на древней Земле доказана экспериментально. Последующая эволюция жизни, скорее всего, связана с появлением самореплицирующихся РНК. Эволюция «мира РНК» привела к формированию процессов матричного синтеза белка и образованию первых примитивных организмов.

Жизнь на нашей планете прошло длительный путь эволюции, насчитывающий около 4 млрд лет. За это время появились все новые и новые, более совершенные организмы, что сопровождалось вымиранием огромного числа таксонов самого разного уровня, которые не устояли в ходе борьбы за существование. Толчком к вымиранию могли послужить естественные климатические изменения, природные катастрофы, резкая смена условий существования в связи с экспансией новых, более совершенных организмов и многие другие события, которые пока еще не выяснены современной наукой.

Развитие живого сопровождалось последовательной сменой биосфер: от первой, прокариотной и до современной, сформировавшейся в четвертичном периоде. Итак, смена биосфер - событие достаточно обычное и вероятное, оно сопровождается вымиранием доминирующих в предыдущей биосфере видов и воцарением новых (лишний повод задуматься о судьбе современной биосферы и принять меры к решению экологических проблем - иначе человек тоже может стать тем видом, который вымер).

Читать далее