Химические основы возникновения Жизни (стр. 1 из 3)

Введение

Природа жизни, разнообразие живых существ, объединяющая их структурная и функциональная близость всегда привлекали к себе особое внимание. Но в пределе все эти вопросы сводились к главному — загадке происхождения жизни, на Земле и во Вселенной. Мы постараемся внести некоторую ясность в современные представления об этом событии, а также посмотрим, как изменялось видение этой проблемы на протяжении веков и тысячелетий. Для удобства восприятия весь материал разбит на четыре раздела. В первом мы дадим основные представления и понятия современной биохимии, без которых понимание всей сложности механизма зарождения и развития жизни было бы невозможным. Во втором разделе расскажем о том, как виделось людям происхождение жизни в разные времена. В третьем разделе рассмотрим господствующую сегодня теорию происхождения жизни и, наконец, в последнем разделе обсудим возможность зарождения жизни в космосе и занесения её оттуда на Землю. Но сначала необходимо дать определение того, что же такое жизнь, что в первую очередь отличает живую природу от неживой. С биологической точки зрения, живым называется всякий объект, способный к самовоспроизведению и воспроизведению себе подобных, т. е. размножению.

Основные представления о биохимической передаче генетической информации

Биохимия занимает особое место в развитии науки в ХХ веке. Имея множество ответвлений и областей в своём составе, она вовлекла в себя методы классической биологии, генетики, физики, что позволило совершить колоссальный рывок в изучении не только живых организмов, но и принципов организации жизни в целом. Немалая её заслуга в том, что ХХ век стали иногда называть „веком биологии“. Было объяснено наиболее загадочное и, вместе с тем, основополагающее свойство живой материи: способность к воспроизведению себе подобного. Основными направлениями исследований современной биохимии и биологии в целом стали изучение молекулярной структуры вещества, в котором записана генетическая информация, механизмов воспроизведения информации в поколениях и механизмов её реализации через биосинтез белков. Правильное понимание сути этих исследований оказалось критичным для моделирования возникновения жизни. Поэтому мы кратко разберём основную терминологию и понятия современной биохимии.

Все процессы, протекающие в живых организмах, являются следствием сложнейшего комплекса множества взаимозависимых химических реакций. Нам будут наиболее интересны те из них, которые являются неотъемлемыми для существования любого организма. Это:

репликация (процесс копирования генетической информации)

трансляция (процесс её реализации, т. е. синтез различных белков, структура которых определяется структурой их генов).

Рис. 1. Структура нуклеотидов

В указанных процессах принимают участие белки, нуклеиновые кислоты и разнообразные вспомогательные факторы. Мы не будем рассматривать последние, а остановимся подробно на первых двух.

Нуклеиновые кислоты (НК) подразделяются на два типа: рибо- (РНК) и дезоксирибонуклеиновые (ДНК). И те, и другие состоят из различного числа мономерных звеньев — нуклеотидов — и бывают различной длины: от нескольких десятков (транспортная РНК) до миллионов (миллиардов — П. З.) (геном человека) нуклеотидов. Сами нуклеозиды состоят из связанных друг с другом N-гликозидной связью остатка циклической формы углевода (рибозы в РНК и дезоксирибозы в ДНК) и одного из пяти гетероциклических оснований (Рис. 1). Из этих оснований в состав ДНК входят аденин, гуанин, цитозин и тимин, а в составе РНК тимин заменён на урацил (Рис. 2). Между собой нуклеозиды соединяются фосфодиэфирными связями через остатки фосфорной кислоты. В результате получаются довольно устойчивые в обычных условиях макромолекулы (Рис. 3). Необходимо отметить, что природные нуклеозиды в составе НК являются оптически активными соединениями, это D-изомеры, т. е. они закручивают угол поляризации плоскополяризованного света вправо.

Рис. 2. Нуклеозид

Цепи ДНК могут взаимодействовать между собой, образуя знаменитую двойную спираль (дуплекс), в то время как цепи РНК более склонны к взаимодействиям сами внутри себя с получением „шпилек“, петель, крестов и т. д. Все эти взаимодействия как между цепями, так и внутри одной цепи нуклеиновых кислот (НК) обусловлены специфическим образованием водородных связей между различными гетероциклическими основаниями. В образовании водородных связей участвуют атомы водорода групп-доноров водородной связи и атомы групп-акцепторов, несущие свободную электронную пару.

Энергия этой нековалентной связи очень мала, т. е. связь является слабой, но поскольку их образуется очень много, структура НК в целом достаточно устойчива. Существуют наиболее устойчивые сочетания попарно взаимодействующих оснований „пуриновое — пиримидиновое“: аденин связывается с тимином или урацилом, а гуанин с цитозином. Такие пары называются каноническими и наиболее часто осуществляются в природе (особенно для ДНК).

Рис. 3. Нуклеотидная последовательность

В современной живой природе именно ДНК несёт на себе функцию хранения генетической информации организма. Совокупность всех молекул ДНК образует геном организма. Возможно, это связано с тем, что молекулы ДНК химически более устойчивы и конформационно менее подвижны, чем молекулы РНК. РНК участвует в процессе реализации генетической информации, кроме того, РНК обладает выраженной ферментативной активностью, т. е. способностью ускорять и направлять биохимические реакции. Однако можно предположить, что молекулы ДНК стали хранилищем генетической информации в процессе эволюции, а на ранних этапах появления и развития жизни геном формировался из более подвижных и активных молекул РНК. РНК геномы существуют и в современном мире, но только у таких „полуживых“ существ, как вирусы.

Рис. 4. Общий вид природной аминокислоты. R — одна из 20 возможных органических группировок

Белки в клетках выполняют самые разнообразные функции: транспортные, структурообразующие, защитные, двигательные, запасные и каталитические. Белки, также как и НК, состоят из мономерных звеньев — аминокислот (АК) (Рис. 4). В природе в составе белков встречается 21 аминокислота, при этом все они обычно являются левовращающими (L-изомеры), т. е. закручивают угол поляризации плоскополяризованного света влево при прохождении им раствора АК. Белки синтезируются в процессе трансляции с помощью рибосом, очень сложно устроенных РНК-белковых комплексов, при этом матрицей, которая определяет последовательность АК в синтезируемом белке, является молекула РНК. Постройка полипептидной (белковой) цепи происходит путём образования между молекулами АК пептидных связей (Рис. 5). Белки, в зависимости от последовательности АК в их составе, образуют сложные пространственные структуры, соответствующие их клеточным функциям. Для нас важно, что и в процессе репликации, и в процессе трансляции в современных организмах белки принимают непосредственное участие, реализуя свою ферментативную функцию.

Рис. 5. Пептидная последовательность белка

В целом общий вид процесса воспроизводства и реализации генетической информации в большинстве живых организмов можно представить как триаду последовательных реакций:

Репликация. Синтез дочерней ДНК на ДНК-матрице;

Транскрипция. Синтез РНК на ДНК-матрице;

Трансляция. Синтез белка на РНК-матрице.

Однако как уже отмечалось, вполне возможно функционирование организма, не имеющего ДНК. Его геном в этом случае представлен в виде РНК и процессы транскрипции и трансляции совпадают. Подробнее это явление обсуждается в разделе, посвящённом теории „РНК-мира“.

История теорий возникновения жизни

В течение тысячелетий человечество пыталось ответить на вопрос о том, как появилась на свет жизнь. В разные времена давались различные объяснения этого феномена. Мы обратимся к наиболее значимым из этих теорий, которые правильнее было бы называть гипотезами.

Теория стационарного состояния.

Если следовать этой гипотезе, Земля существовала вечно, никогда не возникая, всегда была способна поддерживать жизнь и любые изменения на ней являлись совершенно незначительными. Виды живых организмов также существовали всегда и у любого вида есть всего две возможности — изменение численности либо вымирание. Понятно, что эта „теория“ в настоящее время просто не выдерживает никакой критики.

Теория спонтанного зарождения.

Теория очень древняя, распространённая ещё в Китае, Египте и Вавилоне. в Греции она нашла проявление в учении Эмпедокла об органической эволюции. Её же придерживался и Аристотель. Согласно ему, определённые частицы вещества несут в себе „активное начало“, способное в подходящих условиях создать живой организм. Это „начало“ по мнению Аристотеля можно обнаружить в оплодотворённом яйце, гниющем мясе, тине и солнечном свете:

„Таковы факты — живое может возникать не только в результате спаривания животных, но и разложения почвы… Некоторые растения развиваются из семян, а другие самозарождаются под действием сил природы из разлагающейся земли или определённых частей растений…“

Однако, с приходом Христианства, особенно в Средние века, теория спонтанного зарождения оказалась под гнётом Церкви. Её считали атрибутом колдовства и проявлением дьявольщины. Тем не менее, она продолжала существовать. На рубеже XVI-XVII Ван Гельмонт описал эксперимент, в котором ему удалось из грязного белья и пшеницы, помещённых в тёмный шкаф, получить мышей. Активным началом зарождения мыши Ван Гельмонт считал человеческий пот. В конце XVII века итальянцем Франческо Реди был проведён более строгий эксперимент: в сосуды было помещено мясо, рыба, змеи, часть сосудов была запечатана, часть оставалась открытой. Выяснилось, что в запечатанных сосудах никакого зарождения не произошло, в открытых же завелись личинки мух. Из этого Реди был сделан вывод о возникновении живого только из предсуществующей жизни.