Вода, постоянно испаряясь с поверхности Земли, конденсировалась в верхних слоях атмосферы и вновь выпадала в виде дождей на раскалённую земную поверхность. Постепенное снижение температуры привело к тому, что на Землю обрушились ливни, сопровождавшиеся непрерывными грозами. На земной поверхности начали образовываться водоёмы.

В горячей воде растворялись атмосферные газы и те вещества, которые вымывались из земной коры. В атмосфере из её компонентов под действием частых и сильных электрических грозовых разрядов, мощного ультрафиолетового излучения, идущего от Солнца, и активной вулканической деятельности, которая сопровождалась выбросами радиоактивных соединений, образовывались простейшие органические вещества (формальдегид, глицерин, аминокислоты, мочевина, молочная кислота).

Так как в атмосфере свободного кислорода ещё не было, эти соединения, попадая в воды древнего океана, не окислялись и могли накапливаться, усложняясь в строении и образуя концентрированный «первичный бульон» — термин, введённый . Органические вещества, накапливаясь миллионы лет в воде древнего океана, образовывали концентрированный раствор, или «первичный бульон».

Образование биологических полимеров и коацерватов

Первый этап биохимической эволюции был подтверждён многочисленными экспериментами, а вот что происходило на следующем этапе, учёные могут только предполагать, опираясь на знания химии и молекулярной биологии.

По-видимому, образовавшиеся простейшие органические вещества взаимодействовали друг с другом и с неорганическими соединениями, попадающими в водоёмы. Жирные кислоты, вступая в реакцию со спиртами, образовывали липиды, которые формировали жировые плёнки на поверхности водоёмов. Аминокислоты, соединяясь друг с другом, образовывали пептиды. Важным событием этого этапа стало появление нуклеиновых кислот — молекул, способных к редупликации.

Современные биохимики считают, что первыми образовывались короткие цепи РНК, которые могли синтезироваться самостоятельно, без участия специальных ферментов. Образование нуклеиновых кислот и взаимодействие их с белками стало необходимой предпосылкой для возникновения жизни, в основе которой лежат реакции матричного синтеза и обмен веществ.

В 20-30-х годах XX в. наука вновь вернулась к идее самозарождения с учетом той критики, которой были подвергнуты концепции абиогенеза в XIX в. Самопроизвольное зарождение жизни невозможно в современных условиях, но оно могло осуществиться в давно прошедшее время, когда условия на Земле были иными. В начале XX в. господствовало убеждение, что лежащие в основе жизни органические вещества (белки, жиры, углеводы) в природных условиях могут возникать только биогенно, т.е. путем синтеза их самими организмами. В двадцатые годы А.И. Опарин и Дж. Холдейн экспериментально показали, что в растворах высокомолекулярных органических соединений могут возникать зоны повышенной их концентрации - коацерватные капли - которые в некотором смысле ведут себя подобно живым объектам: самопроизвольно растут, делятся и обмениваются веществом с окружающей их жидкостью через уплотненную поверхность раздела.

Советский биохимик А.И. Опарин (1894-1980) высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в атмосфере Земли, которая 4-4,5 млрд. лет назад состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни. Предсказание А.И. Опарина получило широкое признание и было подтверждено экспериментами. Особую известность получили опыты Г. Юри и С. Миллера (1955), проведенные в Чикагском университете. Пропуская электрические разряды напряжением до 60 000 В через смесь углекислого газа, метана, аммиака, водорода и паров воды под давлением в несколько паскалей при температуре +80* С, они получили простейшие жирные кислоты, мочевину, уксусную и муравьиную кислоты и несколько аминокислот, в том числе глицин и аланин. Схема прибора Миллера приведена на рис. 49 Как известно, аминокислоты - это те "кирпичики", из которых построены молекулы белков. Через некоторое время С. Фоксу удалось соединить последние в короткие нерегулярные цепи - безматричный синтез полипептидов; подобные полипептидные цепи были потом реально найдены, среди прочей простой органики, в метеоритном веществе. Экспериментальное доказательство возможности образования аминокислот из неорганических соединений дало основание предположить, что первым шагом на пути возникновения жизни на Земле был абиогенный синтез органических веществ ( рис. 39).

В настоящее время в разных лабораториях осуществлен абиогенный синтез многих биологически важных мономеров. Большая информация получена относительно абиогенного синтеза аминокислот ( табл. 14). Перечисленные в таблице аминокислоты образуются в простых по составу газовых или водных смесях в результате воздействия на них разными источниками энергии. При некотором усложнении реакционной смеси введением в нее С2-, С3-углеводородов, уксусного альдегида, гидроксиламина, гидразина и других соединений, образование которых легко происходит в условиях первобытной Земли, синтезируется значительно большее число аминокислот, в том числе и таких, которые не были обнаружены в качестве продуктов реакции в газообразных и водных смесях простого состава. Экспериментально доказано, что почти все аминокислоты, входящие в состав природных белков, можно получить в лаборатории при имитации условий первобытной Земли.

Важный шаг на пути химической эволюции - синтез нуклеозидов и нуклеотидов, и в первую очередь адениновых. Американскому биохимику К.Поннамперума (К.Ponnamperuma) удалось показать, что при УФ-облучении смеси водных растворов аденина и рибозы при температуре 40 гоадусов по С в присутствии фосфорной кислоты происходит реакция конденсации, приводящая к образованию аденозина. Если реакцию проводить при добавлении к реакционной смеси этилметафосфата, имеет место образование также и нуклеотидов: АМФ , АДФ , АТФ . Функция фосфорных соединений в этих химических синтезах двоякая: они играют каталитическую роль и могут непосредственно включаться в продукты реакции. Абиогенный синтез АТФ, представляющий собой результат нескольких относительно простых химических реакций, говорит о возможном раннем появлении этого соединения. Первые живые структуры могли получать АТФ из окружающей среды.

Следующий этап предбиологической эволюции - дальнейшее усложнение органических соединений, связанное с полимеризацией мономеров. Все живые клетки состоят из четырех основных типов макромолекул: белков, нуклеиновых кислот, липидов и полисахаридов. Из них белки и нуклеиновые кислоты являются самыми сложными веществами клетки.

С.Фокс (S.Fox) осуществил абиогенный синтез полипептидов, состоящих из 18 природных аминокислот, с молекулярной массой от 3000 до 10000 Да. Особенностью первичной структуры этих полимеров была обнаруженная у них определенная последовательность аминокислотных остатков в цепи, обусловленная, вероятно, структурными особенностями самих аминокислот. Полученные полимеры обладали многими свойствами, сближающими их с природными белками: служили источником питания для микроорганизмов, гидролизовались протеиназами, при кислотном гидролизе давали смесь аминокислот, обладали каталитической активностью и способностью к образованию микросистем, отграниченных от окружающей среды мембраноподобными поверхностными слоями. Из-за большого сходства с природными белками полипептиды, синтезированные С.Фоксом, были названы

Многовековая история человечества знает множество гипотез о возникновении жизни на Земле. С самых древних веков в этом вопросе существует две абсолютно противоположные точки зрения. Одна из них утверждает, что живое зарождается из неживого - это абиогенез. Вторая придерживается мнения, что живое может возникнуть только от живого - это биогенез. В чем отличие теорий биогенеза от абиогенеза, попробуем разобраться в данной статье.

История воззрений

Представления о четко коррелируют с уровнем знаний конкретной эпохи. В древние времена, когда уровень знаний был еще мал, теории происхождения живого поражают своей фантастичностью. Приведем некоторые воззрения философов и натуралистов прошлого. Например, Эмпедокл (V в. до н.э.) считал, что деревья несут яйца. Аристотель (IV в. до н.э.) утверждал, что вши происходят из мяса, а клопы - из сока тела животных. Эти воззрения самозарождения жизни как таковой существовали вплоть до середины XVII века, когда английский философ Ф. Бекон (1561-1626) теоретически, а итальянский врач Ф. Реди (1626-1698) и Луи Пастер (1822-1895) практически доказали невозможность самозарождения жизни. Именно тогда начали формироваться эти два противоположных лагеря, две взаимоисключающие теории возникновения жизни - биогенез и абиогенез.

Немного теории

Под абиогенезом (от греческой приставки отрицания - a, bio - жизнь и genesis - возникновение) понимают теорию возникновения органических структур из неорганических и вне живого организма. В широком смысле абиогенез - о происхождении живого из неживого. И тут необходимо уточнение, что считать жизнью и когда неживое становится живым. И поскольку и сегодня определение жизни трактуется по разному и с различных точек зрения, сторонников как абиогенеза, так и биогенеза остается множество.

Жизнь в теории абиогенеза

В данной концепции наиболее важными считаются генетические и эволюционные критерии, определяющие жизнь. Все остальные критерии - термодинамический и экологический - признаются второстепенными. Положения абиогенеза следующие:

• Живое и неживое различаются по химическому составу и его особенностям (обмену веществ). Все теории данного направления называют биохимическим абиогенезом.
• Происхождение жизни произошло именно на Земле, естественным путем и с затратами свободной энергии. Это результат появления сложных органических веществ из простых неорганических с появлением новых химических реакций между ними. Все теории происхождения жизни данного направления называются геоцентрическими.
• Главные свойства и признаки живого - это обмен веществ, самовоспроизведение себе подобных, наследственность и изменчивость.

Таким образом, абиогенез - это геоцентрические и химические теории, объясняющие происхождение живого.

Жизнь как результат биогенеза

Биогенез во главу угла ставит термодинамические и экологические свойства, отличающие живое от неживого. При этом генетический, эволюционный и биохимический подходы считаются дополнительными. Концепции биогенеза следующие:

• Живое, как и неживое, - это два взаимосвязанных и неразделимых состояния материи. Эти теории носят название физических.
• Термодинамическая (противостояние энтропии) и системная (соподчинение и устойчивые динамические связи) составляющая - это главные свойства и признаки жизни.
• Жизнь возникла во Вселенной, а биосфера Земли - проявление живой части Космоса. Эти теории называют космическими.

Биогенез, таким образом, это космоцентрические физические теории происхождения жизни.

Современные воззрения

Современная наука придерживается точки зрения, которая объединяет все концепции в единую систему знаний о том, как неживая материя превратилась в живую. Как наиболее вероятный путь происхождения живого современная наука признает, что начальный этап - это абиогенез. И состоит он из 3 начальных этапов:

• Появление биологических мономеров.
• Образование биологических полимеров.
• Появление мембранных структур и первичных простейших организмов - протобионтов.

Небиологическое образование органики

Или добиологический абиогенез - это возникновение органических веществ из неорганических. В 1924 году русский академик А.И. Опарин (1894-1980) предположил, что в насыщенных высокомолекулярными соединениями растворах самопроизвольно образуются зоны повышенных концентраций (коацерваты или коацерватные капли), которые обособлены от окружающей среды, но поддерживают с ней обмен. в 1929 году поддержал английский ученый Джон Холдейн (1892-1964), и в науку прочно вошла теория коацерватов, которая предполагает самозарождение органических веществ на ранних этапах развития нашей планеты с уникальными физическими условиями.

Доказательства гипотезы абиогенеза

Поначалу доказать возможность самопроизвольного синтеза органических веществ из неорганических не представлялось возможным. Однако сегодня уже пройдены определенные этапы и получены результаты.

А началось все в 1953 году, когда химики Стенли Миллер и Гарольд К. Юри провели эксперимент с первичным бульоном (среда, похожая на предбиотическую на Земле). Приток энергии (до 60 тысяч В) под давлением и при температуре 80 градусов по Цельсию привел к образованию жирных кислот, мочевины и нескольких аминокислот (мономеров белка). А уже в 2008 году американские биологи создали «протоклетку» с мембраной, в 2011 году японские биологи опубликовали работы по созданию везикулы с оболочкой и способностью к делению.

Шаткость позиций

Не смотря на успехи биологов в экспериментальных попытках подтверждения теории Опарина-Холдейна о зарождении жизни на планете в коацерватах, всё же все полученные структуры далеки от строения живой клетки. не признает эти опыты как неоспоримое доказательство именно такого зарождения жизни. Как биогенез, так и абиогенез - это теории на сегодня не подтвержденные экспериментально. Учитывая, что путь от неорганических молекул к живой клетке был долгим, со множеством развилок и остановок, ученым остается пока только строить гипотезы, как мог быть пройден данный путь. Но все эти гипотезы не доказывают, что все именно так и случилось на Земле много миллиардов лет назад.

Вероятность совершенно невероятна

Случайность возникновения живой клетки в первичном бульоне подсчитана математически. Британский математик Фред Холл с использованием современных компьютеров подсчитал вероятность случайного образования белка амебы. И эта вероятность оказалась ничтожно малой - 1/10*40000. Напомним, что это при некоторых идеальных условиях. И это наводит на определенные размышления и дает аргументы сторонникам других теорий и концепций возникновения жизни на нашей планете.

Невероятное вероятно

Но, как известно, все относительно. На нашей планете и в нашем мире - это Вот несколько примеров, которые заставят задуматься - так ли уж невозможна такая случайность, как возникновение жизни в первичном бульоне.

• Если бы продолжительность жизни человека была 100 000 лет, то мы гарантированно (то есть в 100%) погибали бы в авиакатастрофах.
• Вероятность выиграть в лотерею Cool Million составляет 1 к 5 200 000. И тем не менее американка Валери Вильсон выиграла главный приз дважды: в 2002 и в 2006 годах.
• В 2009 году в болгарской лотерее «6 из 41» в двух тиражах с разницей в 4 дня выпали одинаковые цифры (4 15 23 24 35 42). Вероятность такого события составляет 3,61 . 10 −14 .

Вспомните!

Какие химические элементы входят в состав белков и нуклеиновых кислот?

Что такое биологические полимеры?

Какие организмы называют автотрофами? Гетеротрофами?

Теория биохимической эволюции. Наибольшее распространение в XX в. получила теория биохимической эволюции, предложенная независимо друг от друга двумя выдающимися учеными: российским химиком А. И. Опариным (1894–1980) и английским биологом Джоном Холдейном (1892–1964). В основе этой теории лежит предположение, что на ранних этапах развития Земли существовал продолжительный период, в течение которого абиогенным путем образовывались органические соединения. Источником энергии для этих процессов служило ультрафиолетовое излучение Солнца, которое в то время не задерживалось озоновым слоем, потому что ни озона, ни кислорода в атмосфере древней Земли не было. Синтезированные органические соединения в течение десятков миллионов лет накапливались в древнем океане, образуя так называемый «первичный бульон», в котором, вероятно, и возникла жизнь в виде первых примитивных организмов – пробионтов.

Эта гипотеза была принята многими учеными разных стран, и на ее основе в 1947 г. английский исследователь Джон Десмонд Бернал (1901–1971) сформулировал современную теорию возникновения жизни на Земле, названную теорией биопоэза.

Бернал выделил три основные стадии возникновения жизни: 1) абиогенное возникновение органических мономеров; 2) образование биологических полимеров; 3) формирование мембранных структур и первичных организмов (пробионтов). Рассмотрим более подробно, что происходило на каждом из этих этапов.

Абиогенное возникновение органических мономеров. Наша планета возникла около 4,6 млрд лет назад. Постепенное уплотнение планеты сопровождалось выделением огромного количества тепла, распадались радиоактивные соединения, от Солнца шел поток жесткого ультрафиолетового излучения. Спустя 500 млн лет началось медленное остывание Земли. Образование земной коры сопровождалось активной вулканической деятельностью. В первичной атмосфере накапливались газы – продукты реакций, происходящих в недрах Земли: двуокись углерода (СО 2), оксид углерода (СО), аммиак (NH 3), метан (СН 4), сероводород (H 2 S) и многие другие. Такие газы и в настоящее время выбрасываются в атмосферу при извержениях вулканов.

Вода, постоянно испаряясь с поверхности Земли, конденсировалась в верхних слоях атмосферы и вновь выпадала в виде дождей на раскаленную земную поверхность. Постепенное снижение температуры привело к тому, что на Землю обрушились ливни, сопровождающиеся непрерывными грозами. На земной поверхности начали образовываться водоемы. В горячей воде растворялись атмосферные газы и те вещества, которые вымывались из земной коры. В атмосфере из ее компонентов под действием частых и сильных электрических грозовых разрядов, мощного ультрафиолетового излучения, активной вулканической деятельности, которая сопровождалась выбросами радиоактивных соединений, образовывались простейшие органические вещества (формальдегид, глицерин, некоторые аминокислоты, мочевина, молочная кислота и др.). Так как в атмосфере свободного кислорода еще не было, эти соединения, попадая в воды первичного океана, не окислялись и могли накапливаться, усложняясь в строении и образуя концентрированный «первичный бульон». Это продолжалось в течение десятков миллионов лет (рис. 135).

Рис. 135. Основные этапы формирования жизни

В 1953 г. американский ученый Стэнли Миллер осуществил эксперимент, в котором смоделировал условия, существовавшие на Земле 4 млрд лет назад (рис. 136). В качестве источника энергии вместо грозовых разрядов и ультрафиолетового излучения ученый использовал электрический разряд высокого напряжения (60 тыс. вольт). Пропускание разряда в течение нескольких дней соответствовало по количеству энергии периоду в 50 млн лет на древней Земле. После окончания эксперимента в сконструированной установке были обнаружены органические соединения: мочевина, молочная кислота и некоторые простые аминокислоты.

Образование биологических полимеров и коацерватов. Первый этап биохимической эволюции был подтвержден многочисленными экспериментами, а вот что происходило на следующем этапе, ученые могли только предполагать, опираясь на знания химии и молекулярной биологии. По-видимому, образовавшиеся органические вещества взаимодействовали друг с другом и с неорганическими соединениями, попадающими в водоемы. Часть из них разрушалась, летучие соединения переходили в атмосферу. Высокая температура вызывала постоянное испарение воды из первичных водоемов, что приводило к многократной концентрации органических соединений. Жирные кислоты, вступая в реакцию со спиртами, образовывали липиды, которые формировали жировые пленки на поверхности водоемов. Аминокислоты, соединяясь друг с другом, образовывали пептиды. Важным событием этого этапа стало появление нуклеиновых кислот – молекул, способных к редупликации. Современные биохимики считают, что первыми образовывались короткие цепи РНК, которые могли синтезироваться самостоятельно, без участия специальных ферментов. Образование нуклеиновых кислот и взаимодействие их с белками стало необходимой предпосылкой для возникновения жизни, в основе которой лежат реакции матричного синтеза и обмен веществ .

Рис. 136. Эксперимент С. Миллера, имитирующий условия первичной атмосферы Земли

Опарин считал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежала белкам. Благодаря особенностям строения эти молекулы способны образовывать коллоидные комплексы, притягивающие к себе молекулы воды, которые формируют вокруг белков своеобразную оболочку. Такие комплексы, сливаясь друг с другом, образовывали коацерваты – структуры, обособленные от остальной массы воды. Коацерваты были способны обмениваться веществами с окружающей средой и избирательно накапливать различные соединения. Поглощение коацерватами ионов металлов приводило к образованию ферментов. Белки в коацерватах защищали нуклеиновые кислоты от разрушающего действия ультрафиолета. Системы такого рода уже обладали некоторыми признаками живого, но для превращения их в первые живые организмы им не хватало биологических мембран.

Формирование мембранных структур и первичных организмов (пробионтов). Мембраны могли образовываться из покрывающих поверхности водоемов липидных пленок, к которым присоединялись различные растворенные в воде пептиды. При порывах ветра, при волнении водоема поверхностная пленка изгибалась, от нее могли отрываться пузырьки, которые поднимались в воздух и падали обратно, покрываясь вторым липидно-пептидным слоем (рис. 137). Для дальнейшей эволюции жизни важны были те пузырьки, которые содержали в себе коацерваты с белково-нуклеиновыми комплексами. Биологические мембраны обеспечивали защиту и независимое существование коацерватам, создавая упорядоченность биохимических процессов. В дальнейшем сохранялись и превращались в простейшие живые организмы только те структуры, которые были способны к саморегуляции и самовоспроизводству. Так возникли пробионты – примитивные гетеротрофные организмы, питавшиеся органическими веществами первичного бульона. Произошло это 3,5–3,8 млрд лет назад. Закончилась химическая эволюция, наступило время биологической эволюции живой материи (см. ).

Рис. 137. Формирование мембранных структур (по А. И. Опарину)

Первые организмы. Первые живые организмы были анаэробными гетеротрофами, не имели внутриклеточных структур и были похожи по строению на современных прокариотов. Они получали пищу и энергию из органических веществ абиогенного происхождения. Но за время химической эволюции, которая длилась 0,5–1,0 млрд лет, условия на Земле изменились. Запасы органических веществ, которые синтезировались на ранних этапах эволюции, постепенно истощались, и между первичными гетеротрофами возникала жесткая конкуренция, которая ускорила появление автотрофов.

Самые первые автотрофы были способны к фотосинтезу, т. е. использовали в качестве источника энергии солнечную радиацию, но кислород при этом не образовывали. Лишь позднее появились цианобактерии, способные к фотосинтезу с выделением кислорода. Накопление кислорода в атмосфере привело к образованию озонового слоя, который защитил первичные организмы от ультрафиолетового излучения, но при этом прекратился абиогенный синтез органических веществ. Наличие кислорода привело к образованию аэробных организмов, которые сегодня составляют большинство среди живых организмов.

Параллельно с совершенствованием обменных процессов происходило усложнение внутреннего строения организмов: образовывались ядро, рибосомы, мембранные органоиды, т. е. возникали эукариотические клетки (рис. 138). Некоторые первичные гетеротрофы вступали в симбиотические отношения с аэробными бактериями. Захватив их, гетеротрофы начинали использовать их в качестве энергетических станций. Так возникли современные митохондрии. Эти симбионты дали начало животным и грибам. Другие гетеротрофы захватывали не только аэробных гетеротрофов, но и первичных фотосинтетиков – цианобактерий, которые вступали в симбиоз, образуя нынешние хлоропласты. Так появились предшественники растений.

Рис. 138. Возможный путь образования эукариотических организмов

В настоящее время живые организмы возникают только в результате размножения. Самозарождение жизни в современных условиях невозможно по нескольким причинам. Во-первых, в условиях кислородной атмосферы Земли органические соединения быстро разрушаются, поэтому не могут накопиться и усовершенствоваться. А во-вторых, в настоящее время существует огромное количество гетеротрофных организмов, которые используют любое скопление органических веществ для своего питания.

Вопросы для повторения и задания

1. Какие космические факторы на ранних этапах развития Земли явились предпосылками для возникновения органических соединений?

2. Назовите основные стадии возникновения жизни согласно теории биопоэза.

3. Как образовывались, какими свойствами обладали и в каком направлении эволюционировали коацерваты?

4. Расскажите, как возникли пробионты.

5. Опишите, как могло происходить усложнение внутреннего строения первых гетеротрофов.

6. Почему невозможно самозарождение жизни в современных условиях?

<<< Назад

Вперед >>>

0

Теория биопоэза

На основе гипотезы биохимической эволюции Опарина — Холдейна в 1947 году английский исследователь Джон Бернал сформулировал современную теорию возникновения жизни на Земле, названную теорией биопоэза (греч. bios — жизнь и poiesis — сотворение).

Она включала в себя три стадии:

• абиогенное возникновение органических мономеров;

• образование биологических полимеров;

• формирование мембранных структур и первичных организмов — пробионтов.

Абиогенное возникновение органических мономеров

Наша планета возникла около 4,6 млрд лет назад.

Образование земной коры сопровождалось активной вулканической деятельностью. В первичной атмосфере накапливались газы — продукты реакций, происходящих в недрах Земли: двуокись углерода (СО 2), оксид углерода (СО), аммиак (NH 3), метан (СН 4), сероводород (Н 2 S) и многие другие. Такие газы и в настоящее время выбрасываются в атмосферу при извержениях вулканов.

Вода, постоянно испаряясь с поверхности Земли, конденсировалась в верхних слоях атмосферы и вновь выпадала в виде дождей на раскалённую земную поверхность. Постепенное снижение температуры привело к тому, что на Землю обрушились ливни, сопровождавшиеся непрерывными грозами. На земной поверхности начали образовываться водоёмы.

В горячей воде растворялись атмосферные газы и те вещества, которые вымывались из земной коры. В атмосфере из её компонентов под действием частых и сильных электрических грозовых разрядов, мощного ультрафиолетового излучения, идущего от Солнца, и активной вулканической деятельности, которая сопровождалась выбросами радиоактивных соединений, образовывались простейшие органические вещества (формальдегид, глицерин, аминокислоты, мочевина, молочная кислота).

Так как в атмосфере свободного кислорода ещё не было, эти соединения, попадая в воды древнего океана, не окислялись и могли накапливаться, усложняясь в строении и образуя концентрированный «первичный бульон» — термин, введённый А. И. Опариным. Органические вещества, накапливаясь миллионы лет в воде древнего океана, образовывали концентрированный раствор, или «первичный бульон».

Образование биологических полимеров и коацерватов

Первый этап биохимической эволюции был подтверждён многочисленными экспериментами, а вот что происходило на следующем этапе, учёные могут только предполагать, опираясь на знания химии и молекулярной биологии.

По-видимому, образовавшиеся простейшие органические вещества взаимодействовали друг с другом и с неорганическими соединениями, попадающими в водоёмы. Жирные кислоты, вступая в реакцию со спиртами, образовывали липиды, которые формировали жировые плёнки на поверхности водоёмов. Аминокислоты, соединяясь друг с другом, образовывали пептиды. Важным событием этого этапа стало появление нуклеиновых кислот — молекул, способных к редупликации.

Современные биохимики считают, что первыми образовывались короткие цепи РНК, которые могли синтезироваться самостоятельно, без участия специальных ферментов. Образование нуклеиновых кислот и взаимодействие их с белками стало необходимой предпосылкой для возникновения жизни, в основе которой лежат реакции матричного синтеза и обмен веществ.

А. И. Опарин считал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежала белкам. Благодаря особенностям строения эти молекулы способны образовывать сгустки — коллоидные комплексы, притягивающие к себе молекулы воды. Такие комплексы, сливаясь друг с другом, образовывали коацерваты — структуры, обособленные от остальной массы воды. Коацерваты были способны обмениваться веществами с окружающей средой и избирательно накапливать различные соединения. Поглощение коацерватами ионов металлов приводило к образованию ферментов. Белки в коацерватах защищали нуклеиновые кислоты от разрушающего действия ультрафиолета. Системы такого рода уже обладали некоторыми признаками живого, но для превращения их в первые живые организмы им не хватало биологических мембран.

Коацерват (лат. coacervatio — собирание в кучу, накопление) — сгустки с большей концентрацией коллоида (растворённого вещества), чем в остальной части раствора того же химического состава.

Коацерваты образуются в концентрированных растворах белков и нуклеиновых кислот. Они способны адсорбировать различные вещества. Из раствора внутрь коацерватных капель поступают химические соединения, которые преобразуются в результате реакций, проходящих в коацерватных каплях, и выделяются в окружающую среду.

Понятие «коацерват» имеет важное значение в ряде гипотез о происхождении жизни на Земле.

Формирование мембранных структур и первичных организмов (пробионтов)

Как могли сформироваться мембраны на ранних этапах возникновения жизни?

Поверхности водоёмов были покрыты жировыми плёнками. Длинные неполярные углеводородные «хвосты» липидных молекул торчали наружу, а заряженные «головки» были обращены в воду. Растворённые в водоёмах молекулы полипептидов и нуклеиновых кислот могли адсорбироваться на поверхности липидной плёнки благодаря электрическому притяжению к заряженным «головкам». При порывах ветра поверхностная плёнка изгибалась, от неё могли отрываться пузырьки. Такие пузырьки поднимались ветром в воздух, а когда падали на поверхность водоёма, то покрывались вторым липидным слоем. Это происходило за счёт гидрофобных взаимодействий между обращёнными друг к другу неполярными «хвостами» липидов. Такая двуслойная липидная оболочка удивительным образом напоминает нам современную биологическую мембрану и, возможно, могла быть её прародительницей.

Для дальнейшей эволюции жизни важны были те пузырьки, которые содержали в себе коацерваты с белково-нуклеиновыми комплексами. Биологические мембраны обеспечивали защиту и независимое существование коацерватам, создавая упорядоченность биохимических процессов. В дальнейшем сохранялись и превращались в простейшие живые организмы только те структуры, которые были способны к саморегуляции и самовоспроизводству. Так возникли пробионты (или протобионты : от греч. protos — первый и bios — жизнь) — примитивные гетеротрофные организмы, питавшиеся органическими веществами «первичного бульона». Произошло это 3,5—3,8 млрд лет назад. Закончилась химическая эволюция, наступило время биологической эволюции живой материи.

Пробионты , или протобионты (греч. protos — первый и bios — жизнь), — доклеточные образования, обладающие некоторыми свойствами клеток: способностью к обмену веществ, самовоспроизведением и др.

Пробионты были гетеротрофными организмами, потреблявшими органические вещества из «первичного бульона». Очевидно, они были анаэробными гетеротрофами, поскольку древняя атмосфера, как считают исследователи, не содержала кислорода.

Эти гипотетические первичные организмы, содержавшие макромолекулы белков и нуклеиновых кислот и приобретшие способность к самовоспроизводству, как считают учёные, положили начало всему современному разнообразию жизни на Земле.