Теорія Опаріна-Холдейна, Біологія
Сучасні гіпотези виникнення живого базуються на тому, що життя - це особлива форма існування матерії, яка характеризується такими фундаментальними відмітними ознаками, як обмін речовин з навколишнім середовищем та самовідтворення.
Білково-коацерватна теорія походження життя
Згідно з гіпотезою Опаріна, життя на Землі зародилося в результаті цілого ряду хімічних перетворень, що відбувалися протягом дуже тривалого періоду часу (мільярдів років) в особливих умовах існування тоді ще молодої планети, що формується. Цей період супроводжувався потужним ультрафіолетовим випромінюванням, сильними електричними розрядами в атмосфері, виділенням тепла внаслідок вулканічної діяльності. Він припустив, що 4-4,5 млрд років тому з аміаку, метану, вуглекислого газу, водню і водяної пари, що становлять на той час земну атмосферу, відбулося абіогенне утворення органічних речовин, серед яких найважливіше місце займали амінокислоти та білковоподібні полімери — поліпептиди.
За сучасними уявленнями, у первинному океані у період існування Землі було накопичено багато різних органічних сполук. На цій підставі води первинного океану на пропозицію англійського вченого Дж. Холдейна називають «поживним бульйоном» або «первинним бульйоном».
Основним постулатом Опарину є виникнення попередників життя - пробіонтів (від грец. (або коацервати). Процес утворення таких крапельок – коацервація(від латів. coacervatio - «збирання в купу», «нагромадження») сприяв високій концентрації полімерів та їх відокремленню від зовнішнього середовища. Пізніше низка дослідів, проведених у лабораторних умовах, підтвердила можливість виникнення коацерватних крапель.
Коацервати фактично служили місцем зустрічі та взаємодії простих білків, попередників нуклеїнових кислот, вуглеводів і ліпідів, які незалежно виникли до цього в умовах молодої планети і містилися в «первинному бульйоні».
А.І. Опарін вважав, що серед безлічі коацерватних крапель повинен був йти природний відбір найбільш стійких в умовах. Здатність коацерватів до адсорбції поступово перетворилася на стійкий обмін речовин гетеротрофного типу (за рахунок поглинання органічних речовин із первинного бульйону). У процесі подальшого природного відбору серед коацерватів залишалися лише ті, які при розтіканні на дочірні коацервати зберігали свої властивості, тобто здатні до самовідтворення. З придбанням цих властивостей коацерватна крапля вже могла вважатися найпростішим живим організмом — протобіонтом (від грец. protos – «перший» та bios – «життя»). Цей процес природного відбору тривав мільйони років.
Інші гіпотези походження життя
Гіпотеза походження живого, вперше висунута А.І. Опарин, довгий час вважалася основною і завоювала широке визнання у всьому світі. Однак вона залишала невирішеним питання переходу від складних органічних речовин до простих живих організмів. На думку Опаріна, головну роль відіграють білки, саме вони дали початок обміну речовин, забезпечивши відокремлення коацерватних крапель один від одного і навколишнього середовища. Вінстверджував, що саме білкові тільця (коацервати) з'явилися першими живими організмами передорганізмами. Але ця гіпотеза не давала пояснення здібності до самовідтворення.
Для вирішення цього питання англійський біохімік і генетик Дж. Холдейн в 1929 висуває генетичну гіпотезу походження живого, згідно з якою першоосновою появи життя послужило виникнення дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). За гіпотезою Дж. Холдейна, в основі створення пробіонтів були не білки, а нуклеїнові кислоти (РНК і ДНК), оскільки вони є матрицею для синтезу білків. На підтвердження цього твердження Холдейн спирався на висловлену ще 1927 року американським генетиком Г.Д. Меллер ідею про те, що молекули ДНК здатні містити «біологічну інформацію» і можуть утворювати мутації, а отже, накопичувати корисні зміни. Завдяки молекулам ДНК протобіонти (протоклетки) та отримали здатність до самовідтворення. Вирішення питання про походження життя Холдейн пов'язував також із вивченням шляхів синтезу ферментів та відтворення генів. При цьому він наголошував на важливій ролі ультрафіолетового випромінювання в утворенні органічних молекул.
Після Опариним і Холдейном подібні ідеї на 50-70-ті роки ХХ століття висловлювали багато вчених. Так, видний англійський фізик і кристалограф Джон Бернал (1947), на відміну від Опаріна, вважав, що скупчення органічних молекул у ті часи відбувалося не шляхом коацервації, а за допомогою адсорбції перших полімерних молекул а поверхнях асиметричних кристалів кварцу у водному середовищі. Подібну думку викладав і наш відомий ботанік і мікробіолог Микола Григорович Холодний. На його думку, спочатку утворювалися не білки, а вуглеводні, і це сталося не в Світовому океані, а на мілководдях після появисуші.
У 1957 році американський вчений Сідней Фокс припустив, що на первісній Землі при випаровуванні води з калюж, що залишилися після відливу, між амінокислотами виникали пептидні зв'язки та утворилися білковоподібні сполуки - олігопептиди. З цих білковоподібних сполук могли утворюватися кулясті агрегати із ув'язненими в них органічними сполуками - мікросфери, покриті зверху білками. Ці утворення С. Фокс називав протеїноїдами (тобто білковоподібними) і вважав, що вони, подібно до ферментів, могли каталізувати певні хімічні реакції всередині мікросфер.
Подальші дослідження самого Опаріна та дослідження багатьох вчених підтвердили та розвинули його ідею про виникнення живої матерії на Землі внаслідок тривалої еволюції хімічних сполук. У той же час у міру вивчення хімії високомолекулярних сполук і механізмів передачі спадкової інформації стало очевидним, що самі білки не мають здатності самовідтворення та закріплення своєї набутої структури. Отже, ціла низка положень коацерватної теорії потребувала додаткових пояснень. Багато хто з них дала генетична гіпотеза Дж. Холдейна.
Обидві гіпотези привертали увагу багатьох вчених, оскільки змогли, доповнюючи один одного, вирішити проблему та утворення протокліток (протобіонтів), та відтворення, передачі набутих властивостей.
На основі узагальнення коацерватної та генетичної гіпотез та збагачення їх накопиченими природознавством фактами була сформульована єдина гіпотеза, що розглядає походження життя як результат тривалої еволюції вуглецевих сполук.
Доказ гіпотез походження життя
Становлення концепцій походження життя результаті абіогенного процесу вимагало доказів, пошуку яких було присвячено багато експериментальні роботи вчених усього світу. Першими довели можливість виникнення складних органічних речовин із неорганічних сполук американські біохіміки Стенлі Міллер та Гарольд Юрі. У 1953 році вони у спеціально створеному приладі спостерігали, як із суміші води, аміаку та метану під дією ультрафіолетового випромінювання, електричної іскри та нагрівання з'являлися органічні сполуки – амінокислоти, які, з'єднуючись між собою, утворювали білки. Експериментаторам вдалося отримати таким же шляхом молекули вуглеводів (різні цукру і серед них рибозу), азотисті основи (наприклад, аденін) і невеликі ланцюги простих нуклеїнових кислот, подібних до РНК.
У 1965 році американський біохімік Сиріл Поннаперума зі співробітниками змогли синтезувати амінокислоти та пурини (будівельні блоки білків та нуклеїнових кислот) та здійснили синтез нуклеотидів та молекул АТФ, АДФ, АМФ. Біохімік Дж. Оро при помірному нагріванні суміші ціаністого водню, аміаку та води отримав аденін. Він синтезував урацил, рибозу, дезоксирибозу.
1982 року відбулося сенсаційне відкриття, зроблене американським молекулярним біологом Томасом Чеком. Він виявив каталітичну (ферментативну) здатність молекул РНК. Вченим експериментально була доведена здатність рибонуклеотидів у певних умовах середовища спонтанно утворювати невеликі нитки молекул РНК та синтезувати свої РНК-копії без участі ферментів чи інших білків. Є припущення, що можливі контакти з якимись кристалами мінеральних речовин сприяли впорядкуванню молекул органічних сполук, що з'явилися.Подібне відкриття взаємодії нуклеїнових кислот з амінокислотами призводить до висновку, що на певних етапах хімічної еволюції міг існувати матричний синтез як нуклеїнових кислот, а й молекул білків. Можливо, що подібні реакції, відбуваючись у протобіонтах, забезпечували появу різних полімерів, здатних зберігати та передавати інформацію про свою структуру та структуру власних білків. Подібне відкриття підтверджує генетичну гіпотезу походження життя. Аналогічні експерименти проводили багато вчених: О. Вілсон, К. Харада, М. Кальвін, Н. Пірі, українські дослідники О.І. Опарін та її співробітники Т.Є. Павловська, А.Г. Пасинський та ін.
Їхні досліди свідчили про те, що в умовах первісної Землі з простих компонентів первинної земної атмосфери могли утворюватись різні полімерні органічні сполуки, що стали основою сучасного життя. З потоками гарячих дощів з атмосфери вони потрапляли у водойми Світового океану, де накопичувалися і поступово, згодом створили особливе водне середовище, насичене численними та різноманітними органічними речовинами. Усе це могло бути основою виникнення елементарних живих форм.
А.І. Опарін вважав, що головну роль цьому процесі грали білкові коацервати, що вони забезпечували відокремлення пробіонтів друг від друга і від довкілля. Дж. Холдейн та інші вчені вважали, що першими біополімерами на Землі були не білки, а молекули РНК і ДНК, здатні до самовідтворення шляхом реплікації.
Яка з цих двох гіпотез виникнення перших живих організмів - білкова (коацерватна) Опарину або нуклеїнова (генетична) Холдейна - вірна, поки що не вирішено. Обидві гіпотези завоювали широке покликання, але обидві залишаютьневирішеним питання: як відбувся перехід від складних органічних речовин, що перебувають у коацерватах, до елементарних живих організмів – протобіонтів.
Важким обох гіпотез є пояснення здатності структур, що виникли, стати живою клітиною. Поки що не вдалося експериментальним шляхом довести сам перехід від неживої коацерватної краплі або мікросфери до живої клітини, тому всі «теорії» походження життя поки що називаються гіпотезами, тобто науковими припущеннями, істинність яких ще не доведена з абсолютною достовірністю (тобто експериментально) , хоч і є цілком можливою.
Однак і та й інша гіпотези загалом подібним чином визначають умови, етапи та час виникнення життя на Землі, і обидві розглядають її походження як результат хімічної еволюції на нашій планеті, що забезпечила можливість виникнення живої речовини та різноманіття життя на Землі.