Жизнь на планете Земля

Жизнь на Земле существует в огромном разнообразии форм и проявлений: видимых и невидимых глазу, простых и сложных, изменчивых и постоянных. Самое удивительное в ней то, что при фантастическом разнообразии она обладает одними и теми же признаками на всех уровнях сложности строения живых организмов. Для нее характерны следующие легко наблюдаемые признаки: рождение и развитие, воспроизведение потомства, наследование свойств и реакция на изменение внешних условий. Более скрытыми и более сложными для познания являются признаки, связанные со структурой и функционированием живых организмов: клеточное строение, использование энергии химических реакций для поддержания жизнедеятельности и способность сохранять свое внутреннее состояние при воздействии внешней среды. Все названные признаки могут быть объединены в следующий список:

• Воспроизводство.
• Способность к развитию.
• Реакция на раздражители.
• Адаптация.
• Гомеостаз.
• Метаболизм.
• Клеточное строение.
• Использование информации для функционирования.

Под гомеостазом понимается способность жизни сохранять свое внутреннее состояние при воздействии внешней среды, а метаболизм означает использование энергии химических реакций для жизненных целей.  Основываясь на данных признаках, ученые попытались дать лаконичное и достаточно точное определение того, что такое жизнь. Приведем наиболее известные из них. 

Ф. Энгельс определил жизнь как существование белковых тел, важным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей внешней природой. По М. Волькенштейну «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из полимеров – белков и нуклеиновых кислот». 

А. Ляпунов в своем определении сделал акцент на важности информации в организации жизни: «Жизнь – это высокоустойчивое состояние вещества, использующее для выработки сохраняющихся реакций информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул».

Как видим, приведенные определения, равно как и другие, не представленные здесь, отличаются друг от друга текстовыми формулировками, но сохраняют общность в акценте на саморегуляцию и белково-молекулярную структуру. Объединяя определения М. Волькенштейна и А.Ляпунова можно сказать, что жизнь это высокоустойчивые, самоорганизующиеся и самовоспроизводящие системы, построенные из белков и нуклеиновых кислот, использующие обмен информации на молекулярном уровне для управления необходимыми физико-химическими процессами. Другими словами, жизнь это невероятно сложная по структуре и принципам функционирования молекулярная фабрика, обеспечивающая непрерывный технологический цикл воспроизводства и эволюции биологических существ.

Возникает естественный вопрос: как возникла подобная уникальная система. Есть несколько гипотез, объясняющих происхождение жизни. Самая древняя из них – концепция божественного творения, провозглашаемая последователями креационизма. Согласно этой концепции все формы жизни были созданы Творцом или Богом. Каким образом жизнь была создана Творцом, гипотеза не поясняет. Она просто постулирует факт сотворения жизни в рамках разумного замысла.

Альтернативными по отношению к концепции креационизма являются различные гипотезы естественного происхождения жизни. Они пытаются дать ответ на вопросы о том, как возникла жизнь на основе науки. Согласно доминирующим научным воззрениям жизнь является продуктом поэтапной биохимической эволюции, Вначале образовались простые органические соединения: спирты, кислоты, пурины, пиримидины. Затем наступил период образования «биомолекул» или мономеров: моносахаридов, аминокислот, жирных кислот и нуклеотидов. Завершающим этапом биохимической эволюции стало образование биополимеров: полисахаридов, белков и нуклеиновых кислот.

Для того, чтобы реализовались все три этапа биохимической эволюции необходимо наличие подходящих неорганических элементов и физических условий. Основными элементами простых органических молекул, мономеров и биополимеров являются углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера. В Таблице 1 представлен элементный состав основных органических молекул жизни.

Помимо наличия исходных неорганических элементов для синтеза сложных органических соединения жизни необходимы благоприятные физико-химические условия: подвижная среда, источники энергии, минералы и металлы, обеспечивающие эффективное протекание химических реакций. В качестве подвижной среды лучше всего подходят газ и жидкость, источниками энергии могут служить тепло планетных недр и солнечная радиация. История Земли показывает, что приблизительно 4 млд лет назад в Архее на нашей планете были условия, подходящие для возникновения жизни. В то далекое время Земля окончательно сформировалась как планета. Ее поверхность остыла, возникла водяная оболочка первичного океана, насыщенная солями, началась активная вулканическая деятельность, образовалась атмосфера, состоящая из водяных паров (H₂O), углекислого газа (CO₂), сероводорода (H₂S), аммиака (NH₃) и метана (CH₄). Таким образом, в самой атмосфере и в выбросах вулканов и гейзеров содержались все необходимые для синтеза жизни элементы. Это дало основание советскому биохимику Александру Опарину выдвинуть теорию возникновения  жизни из «первичного» бульона органических веществ. В таком «бульоне», по мысли А.Опарина, могли образоваться коацерваты – протоклетки — органические структуры, окружённые жировыми мембранами. На рис.1 представлена схема возникновения жизни в первичной атмосфере Земли при действии таких факторов, как извержение вулканов, солнечная радиация, падения комет и грозовых электрических разрядов. Как видно из рис.1, образование жизни начинается с переработки H₂O, CO₂, H₂S, NH₃ и CH₄ во все более сложные химические соединения. Заключительным этапом цикла Опарина является образование прокариот – простейших живых организмов.

Подтвердить жизнеспособность гипотезы А.Опарина о биохимическом механизме зарождения жизни на Земле решили американские биохимики Стенли Миллер и Гарольд Юри. Они создали экспериментальную установку, которая имитировала земную атмосферу на этапе возможного зарождения жизни. Схема этой установки приведена на рис.2.

Для имитации молний в установке использовался газовый разряд, который обеспечивал химические реакции необходимой энергией. Опыты Миллера и Юри в целом оказались успешными. Они обнаружили, что в их экспериментах синтезируется 5 аминокислот (важных составных элементов живой материи). Позднее было показано, что в их опытах синтезировалось 22 аминокислоты, что еще больше подняло авторитет полученных результатов. Но это не устранило главную претензию критиков Миллера и Юри о том, что в их опытах не были синтезированы нуклеотиды – еще более важные молекулы живой материи. Чтобы снять претензии креационистов ученые-эволюционисты постарались развить основные идеи А.Опарина о биохимическом происхождении жизни. И, надо признать, им удалось значительно продвинуться в понимании возникновения таких важных элементов жизни как белки и рибонуклеиновые кислоты. Для этого они использовали самые разные подходы: эксперименты на уникальных установках, достижения молекулярной биохимии, геномики и протеомики, математическое моделирование сложных биохимических систем. Большой вклад в прояснение биохимической эволюции внесли Сидней Фокс, Томас Чек и Сидней Алтман, Уолтер Гилберт, Манфред Эйген, Юлий Ребек, Джон Корлис, Гюнтер Вэхтерсхойзер, Д.Диммер. Приведем прорывные для проблемы биохимической эволюции жизни результаты этих авторов

• С. Фокс показал, что из протеноидов могут образовываться микросферы, которые могут стать потенциальной оболочкой для протожизни.
• Т.Чек и С. Алтман открыли каталитическую способность РНК, в результате чего рибонуклеиновые кислоты способны катализировать собственные превращения.
• У. Гилберт разработал идею возникновения жизни на Земле на основе молекул РНК, в которой функцию хранения генетической информации и катализа химических реакций выполняли ансамбли молекул рибонуклеиновых кислот.
• М. Эйген открыл гиперциклы, в которых макромолекулы могут самовоспроизводиться на основе автокаталитических химических циклов.
• Ю. Ребек создал искусственную молекулу, которая может самореплицироваться в растворе хлороформа.
• Г. Вэхтерсхойзер предложил гипотезу о том, что пириты (сульфиды железа) могли быть источниками энергии для развития самореплицирующихся структур с обменом вещества на поверхности кристалла.
• Д. Диммер показали, что в концентрированном бульоне органические молекулы могут накаливаться в крошечных везикулах (пузырьках) с оболочкой из липидов. Внутри везикул могут происходить превращения, напоминающие обмен вещества в клетке. Приведенные научные достижения подтвердили обоснованность следующих положений теории биохимического зарождения жизни:

Данные выводы, не давая окончательного ответа на то, как возникла ДНК и клетка, показывают, что у биохимических процессов есть потенциал для создания самосохраняющихся и самовоспроизводящихся систем, к которым относится жизнь.

Наиболее сложным в теории биохимического синтеза жизни Земли является вопрос о том, как происходила сборка таких основных элементов жизни как дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Первая их этих кислот является носителем генетического кода, а вторая в разных вариантах служит для информационного обеспечения и управления на молекулярной фабрике жизни. Чтобы лучше представить невероятную сложность такой сборки достаточно обратиться к справочным данным по этой молекуле. Из них следует, что ДНК представляет собой гигантскую молекулу длиной в несколько сантиметров (это-то при радиусе одного атома порядка 0.1 нанометров), состоящую из сотен миллионов атомов углерода, водорода, азота, кислорода и фосфора. Структурные элементы из этих атомов закручены в двойную спираль вокруг общей оси. Диаметр спирали 2 нм, шаг спирали на котором укладывается один структурный элемент ДНК – 3.4 нм. На рис.3 изображена пространственная структура участка молекулы ДНК, рассчитанные на ЭВМ.

Как видно из приведенного рисунка, молекула ДНК имеет структуру винтообразной паутины, две направляющие нити которой связаны друг с другом ячейками-перемычками. В роли ячеек выступаю нуклеотиды: тимин, аденин, гуанин и цитозин, а в роли нитей, связанные друг с другом нуклеотиды дезоксирибозы и метафосфорной кислоты. Детальная атомная структура нитей и перемычек представлена на рис. 4.

Нуклеотиды не только скрепляют нити молекулы ДНК, но, что важнее, служат для кодирования наследственной информации, записанной в молекуле, и выполнения дополнительных операционных функций. Для кодирования информации используются кодоны – единицы генетического кода, состоящие из троек (триплетов) нуклеотидов: тимина, аденина, гуанина и цитозина. Нетрудно показать, что из четырех разных нуклеотидов можно составить 64 различных комбинаций кодонов, что более чем достаточно для записи информации о структуре 20 аминокислот, используемых в живых организмов для производства белков. Этапу выработки белков на рибосомах по калькам ДНК (процесс трансляции) предшествует этап копирования или транскрипции информации с образованием различных типов РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Информационная мРНК копирует последовательности кодонов ДНК, которые определяют набор аминокислот определенного гена. Процесс копирования осуществляется с помощью РНК-полимеразы, информация о которой также записана в ДНК. Там же помимо кодирующих последовательностей, содержатся последовательности  кодонов, выполняющие регуляторные и структурные функции.

Из приведенного краткого описания конструкционных и функциональных возможностей, заложенных в ДНК, хорошо просматривается невероятная сложность создания подобного хранилища наследственной информации. Именно эти невероятные сложности реализации заставляют многих людей, прежде всего, креационистов, не верить в то, что подобная конструкция хранения и передачи наследственной информации могла возникнуть в результате случайной игры физико-химических и био-химических процессов. Дополнительным аргументом скепсиса этих людей является исключительная сложность устройства элементарной ячейки жизни – клетки, конструкция и принципы действия которой не менее удивительны, чем ДНК. Поскольку это важно для общего понимания проблем, с которыми сталкивается теория биохимического синтеза жизни, рассмотрим вкратце, как устроена биологическая клетка и как в ней организуется обмен информацией, закодированной в ДНК. Строение животной клетки представлено на рис. 5.

Следуя первоисточнику, выделим наиболее важные структурные элементы клетки: плазматическая мембрана, цитоскелет, цитоплазма, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, ядро, лизосома, митохондрии.  Отметим наиболее важные функции указанных структурных элементов.

• Плазматическая мембрана обеспечивает сохранность клетки как целого во внешней среде. Состоит в основном из фосфолипидов и липопротеидов с вкрапленными молекулами белков.
• Цитоплазма является внутренней средой клетки. Состоит из цитозеля. Химический состав цитозеля: вода (85%), белки (10%), органические соединения: углеводы, липиды, азотосодержащие соединения и неорганические соединения. Внутреннее пространство эукариотической клетки строго упорядочено. Передвижение органоидов координируется внутриклеточными «дорогами» из микротрубочек и специальных белков динеинов и кинезинов, играющих роль «двигателей».
• Рибосомы осуществляют синтеза белка. В клетке их может быть несколько миллионов. Они формируются в области ядрышек и через ядерные поры выходят в цитоплазму. 
• Эндоплазматический ретикулум обеспечивает трансляцию и транспорт белков, синтез и транспорт липидов и стероидов в клетке.  Состоит из системы переходящих друг в друга емкостей разной формы и размеров.
• Аппарат Гольджи служит для созревания некоторых белков, предназначенные для секреции или образования липосом.
• Ядро является центром управления всеми процессами клетки. В нем содержатся молекулы ДНК, происходят репликации – удвоение молекул ДНК, транскрипции – синтез молекул РНК на матрице ДНК, сборка рибосом и модификация РНК. На поверхности ядра имеются ядерные поры, через которые происходит материальный обмен между ядром и цитоплазмой.
• Лизосома отвечают за внутриклеточное переваривание макромолекул с помощью ферментов, а также секрецию вещества за пределы клетки.
• Цитоскелет – система белковых структур клетки, обеспечивающих поддержание формы и транспортировке органелл.
• Митохондрии осуществляют синтез молекул АТФ – универсальный носитель энергии в живом мире.  За счет энзиматических систем митохондрий происходит дыхание – преобразование кислорода в углекислый газ. Обычно в клетке содержится до 2000 митохондрий.

Как видно из приведенного описания, живая клетка представляет собой настоящую молекулярную фабрику, состоящую из центра управления, производственных и технологических цехов, логистической транспортной системы, центров энергообеспечения, контроля и безопасности, цехов утилизации отходов. Это не просто молекулярная фабрика, а суперсовременное биохимическое производство, на котором вырабатываются сотни сложных химических соединений на основе тонких технологий. Без преувеличения можно сказать, что это такое же чудо природы, как и молекула ДНК. И сразу бросается в глаза бездонная пропасть в уровне организации молекулярных реакций, происходящих в клетке и колбе Миллера – Юри и современных экспериментальных установках по биохимическому синтезу жизни. Через эту пропасть вот уже более полувека пытаются проложить надежный мост ученые. Как было показано выше, они достигли определенных успехов в этом вопросе. Им удалось выяснить, каким образом в ходе естественной эволюции могли синтезироваться нуклеотиды, простые и сложные белки, различные РНК. Благодаря этому на мозаике «Происхождение жизни» появляется все больше элементов и черты будущей картины проявляются все четче и четче. Можно не сомневаться, что придет время, когда все элементы мозаики займут свои места и люди узнают, как возникла жизнь на Земле.