Подпишитесь на наши новости
Вернуться к началу с статьи up

ПРОИСХОЖДЕ́НИЕ ЖИ́ЗНИ

  • рубрика

    Рубрика: Биология

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 27. Москва, 2015, стр. 568-570

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: А. В. Лопатин, А. Ю. Розанов

ПРОИСХОЖДЕ́НИЕ ЖИ́ЗНИ, на­уч­ная про­бле­ма, свя­зан­ная с объ­яс­не­ни­ем воз­мож­но­сти воз­ник­но­ве­ния жи­вой при­ро­ды, рас­смат­ри­ваю­щая во­про­сы мес­та, вре­ме­ни и об­стоя­тельств это­го про­цес­са. Осн. совр. тео­рии (ги­по­те­зы) П. ж. на Зем­ле: тео­рия био­хи­мич. эво­лю­ции (абио­ге­не­за) и тео­рия пан­спер­мии (пе­ре­нос жиз­ни кос­мич. те­ла­ми или ра­зум­ны­ми су­ще­ст­ва­ми). По­след­няя не ре­ша­ет про­бле­мы П. ж., но уве­ли­чи­ва­ет чис­ло по­тен­ци­аль­ных мест воз­ник­но­ве­ния и раз­но­об­ра­зие воз­мож­ных ус­ло­вий за­ро­ж­де­ния жиз­ни.

П. ж. вклю­ча­ет по­сле­до­ват. эта­пы – от син­те­за про­стых ор­га­нич. ве­ществ и об­ра­зо­ва­ния слож­ных ор­га­нич. со­еди­не­ний до воз­ник­но­ве­ния пред­био­ло­гич. сис­тем и по­яв­ле­ния пер­вых жи­вых су­ществ. Ны­не раз­ра­бо­та­ны об­щие пред­став­ле­ния о пред­био­ло­гич. эво­лю­ции, не­ко­то­рые ста­дии ко­то­рой под­твер­жде­ны экс­пе­ри­мен­таль­но.

В тео­рии био­хи­мич. эво­лю­ции вы­де­ля­ют­ся две гл. ги­по­те­зы: го­ло­био­за и ге­но­био­за. Го­ло­би­оз под­ра­зу­ме­ва­ет пер­вич­ность струк­тур, на­де­лён­ных спо­соб­но­стью к эле­мен­тар­но­му об­ме­ну ве­ществ (при уча­стии фер­мен­тов), и вто­рич­ность ге­не­тич. сис­те­мы. Эта ги­по­те­за из­вест­на как бел­ко­во-коа­цер­ват­ная тео­рия А. И. Опа­ри­на (1924) и англ. био­ло­га Дж. Б. С. Хол­дей­на (1929). В ней по­сту­ли­ру­ет­ся об­ра­зо­ва­ние уг­ле­во­дов и воз­ник­но­ве­ние бел­ков в пер­вич­ном океа­не, по­яв­ле­ние коа­цер­ва­тов – мак­ро­мо­ле­ку­ляр­ных ком­плек­сов, обо­соб­лен­ных от ок­ру­жаю­ще­го рас­тво­ра обо­лоч­ка­ми из гид­ро­фоб­ных ве­ществ и снаб­жён­ных ка­та­ли­за­то­ра­ми, обес­пе­чи­ваю­щи­ми спо­соб­ность к об­ме­ну ве­ществ, рос­ту (за счёт по­ли­ме­ри­за­ции мо­но­ме­ров, по­сту­паю­щих из внеш­ней сре­ды) и раз­мно­же­нию (пу­тём про­сто­го де­ле­ния). Воз­мож­ность хи­мич. эво­лю­ции слож­ных ор­га­нич. со­еди­не­ний до­ка­за­ли экс­пе­ри­мен­таль­но амер. учё­ные Г. Юри и С. Мил­лер (1953) и др. Сла­бое ме­сто ги­по­те­зы – от­сут­ст­вие ме­ха­низ­ма на­сле­до­ва­ния и вос­про­из­ве­де­ния бел­ко­вых струк­тур и объ­яс­не­ния асим­мет­рии (хи­раль­но­сти) мо­ле­кул ами­но­кис­лот и мо­но­са­ха­ри­дов. С кон. 1960-х гг. на ос­но­ве от­кры­тий в об­лас­ти мо­ле­ку­ляр­ной био­ло­гии фор­ми­ру­ет­ся ги­по­те­за о пер­вич­но­сти сис­те­мы со свой­ст­ва­ми ге­не­тич. ко­да – ге­но­би­оз. Это на­прав­ле­ние раз­ра­ба­ты­ва­ет­ся ис­хо­дя из идеи древ­не­го «Ми­ра РНК», вы­ска­зан­ной амер. мик­ро­био­ло­гом К. Вё­зе (1968) и раз­ви­той англ. хи­ми­ком Л. Ор­ге­лом, А. С. Спи­ри­ным и др. Ги­по­те­тич. до­клеточ­ной без­бел­ко­вой фор­мой жиз­ни счи­та­ют­ся вре­мен­ные ко­ло­нии (на­но­ко­ло­нии) са­мо­вос­про­из­во­дя­щих­ся ан­самб­лей мо­ле­кул РНК с функ­ция­ми хра­нения ге­не­тич. ин­фор­ма­ции и ка­та­ли­за хи­мич. ре­ак­ций (ри­бо­зи­мы). Пред­по­ла­га­ет­ся, что пу­тём от­бо­ра на эф­фек­тив­ность ка­та­ли­за­то­ров из на­но­ко­ло­ний воз­ник­ла совр. ДНК-РНК-бел­ко­вая жизнь. В ги­по­те­зе ге­но­ге­не­за шотл. хи­ми­ка А. Г. Кернс-Сми­та (1971) при­зна­ёт­ся пер­вич­ность ге­на пе­ред бел­ко­вой сис­те­мой, а мат­ри­цей для фор­ми­ро­ва­ния струк­ту­ры и свойств мо­ле­кул РНК и ДНК пред­по­ло­жи­тель­но счи­та­ет­ся ре­шёт­ка гли­ни­стых ми­не­ра­лов.

Ги­по­те­за ги­пер­цик­лов М. Эй­ге­на и австр. хи­ми­ка П. Шус­те­ра (1973) опи­сы­ва­ет спо­соб объ­е­ди­не­ния са­мо­вос­про­из­во­дя­щих­ся мак­ро­мо­ле­кул и про­ис­хо­ж­де­ние сис­те­мы «нук­леи­но­вая ки­сло­та – бе­лок» на ос­но­ве вза­им­но­го ка­та­ли­за. Сход­ная ги­по­те­за про­ге­нов рос. ви­ру­со­ло­га А. Д. Альт­штей­на (1987) пре­ду­смат­ри­ва­ет од­но­вре­мен­ное по­яв­ле­ние ге­нов и бел­ков; в ней пер­вое жи­вое су­ще­ст­во (про­то­ви­ро­ид) рас­смат­ри­ва­ет­ся как са­мо­ре­п­ли­ци­рую­щая­ся сис­те­ма из де­зок­си­ри­бо­по­ли­нук­ле­о­ти­да и ко­ди­руе­мо­го им фер­мен­та, воз­ни­каю­щая из ги­по­те­тич. про­ге­нов, об­ра­зо­ван­ных ди­нук­ле­о­ти­дом и ами­ноа­цил­нук­ле­о­ти­дом и спо­соб­ных обес­пе­чить син­хрон­ный син­тез по­ли­нук­лео­тид­ной и по­ли­пеп­тид­ной це­пей.

В га­зо­вой фа­зе в меж­звёзд­ном, око­ло­звёзд­ном и ко­мет­ном ве­ще­ст­ве об­на­ру­же­но бо­лее 120 ор­га­нич. со­еди­не­ний. Хи­мич. эво­лю­ция ор­га­нич. ве­ществ шла в ре­жи­ме ав­то­ка­та­ли­за при внеш­нем вы­со­ко­энер­ге­тич. воз­дей­ст­вии, напр. УФ-из­лу­че­ния. На этой ос­но­ве В. Н. Пар­мо­ном (2002) и др. раз­ра­ба­ты­ва­ет­ся ги­по­те­за ас­т­ро­ка­та­ли­за – П. ж. как про­цес­са са­мо­ор­га­ни­за­ции ве­ще­ст­ва на про­то­пла­нет­ной ста­дии, со­глас­но ко­то­рой абио­ген­ный син­тез в ус­ло­ви­ях про­то­пла­нет­ных дис­ков при­вёл к по­яв­ле­нию вы­со­ко­мо­ле­ку­ляр­ных ор­га­нич. со­еди­не­ний, вклю­чая нук­лео­ти­ды, уг­ле­во­ды, ли­пи­ды, бел­ки, а на фор­ми­рую­щих­ся за­ро­ды­шах пла­нет про­изо­шёл пе­ре­ход к древ­не­му «Ми­ру РНК».

По совр. дан­ным (рос. пла­не­то­лог Л. М. Му­хин, 2009), по­верх­ность Зем­ли 4–4,6 млрд. лет на­зад мог­ла быть в осн. от­но­си­тель­но хо­лод­ной, с отд. го­ря­чи­ми об­лас­тя­ми, обу­слов­лен­ны­ми им­пакт­ны­ми со­бы­тия­ми. Та­кая силь­но ге­те­ро­ген­ная по темп-ре сис­те­ма и мог­ла обес­пе­чить воз­мож­ность про­цес­сов пер­вич­ных син­те­зов ор­га­нич. со­еди­не­ний.

Для древ­не­го «Ми­ра РНК» не­об­хо­ди­мость обо­соб­ле­ния на­но­ко­ло­ний от ок­ру­жаю­ще­го рас­тво­ра пред­по­ла­га­ет их фор­ми­ро­ва­ние на влаж­ных твёр­дых суб­стра­тах. Сре­дой для об­ра­зо­ва­ния и рос­та мо­ле­ку­ляр­ных на­но­ко­ло­ний мог слу­жить гид­ро­филь­ный гли­ни­стый ми­не­рал монт­мо­рил­ло­нит, от­ли­чаю­щий­ся боль­шой сорб­ци­он­ной и ио­но­об­мен­ной ём­ко­стью, со­дер­жа­щий не­об­хо­ди­мо­го раз­ме­ра по­ры и об­ла­даю­щий спо­соб­но­стью кон­цен­три­ро­вать на се­бе суб­стра­ты для син­те­за РНК. Этот ми­не­рал по­все­ме­ст­но рас­про­стра­нён на Зем­ле и об­на­ру­жен в со­ста­ве ме­тео­ри­тов, а так­же на Мар­се. В от­сут­ст­вие кле­точ­ной мем­бра­ны та­кая сре­да да­ва­ла воз­мож­ность со­вме­ст­но­го на­сле­до­ва­ния раз­ных ви­дов РНК, со­став­ляю­щих сме­шан­ную мо­ле­ку­ляр­ную ко­ло­нию, ко­то­рая мог­ла раз­мно­жать­ся при вы­вет­ри­ва­нии ми­не­ра­ла.

Су­ще­ст­во­ва­ние древ­не­го «Ми­ра РНК» тре­бо­ва­ло темп-ры по­верх­но­сти ок. 30 °C, на­ли­чия жид­кой во­ды и гид­ро­си­ли­ка­тов ти­па мон­тмо­рил­ло­ни­та. По-ви­ди­мо­му, на ран­ней Зем­ле та­кие ус­ло­вия име­лись в до­воль­но уз­ком вре­менно́м ин­тер­ва­ле про­дол­жи­тель­но­стью ок. 100 млн. лет – ме­ж­ду окон­ча­ни­ем по­след­ней тя­жё­лой ме­тео­рит­ной бом­бар­ди­ров­ки ок. 4–3,9 млрд. лет на­зад (эли­ми­ни­ро­вав­шей всю во­ду на по­верх­но­сти) и по­яв­ле­ни­ем кле­точ­ной жиз­ни, сле­ды ко­то­рой фик­си­ру­ют­ся в ис­ко­пае­мой ле­то­пи­си на уров­не 3,85 млрд. лет на­зад. Эти об­стоя­тель­ст­ва по­зво­ля­ют пред­по­ла­гать вне­зем­ное су­ще­ст­во­ва­ние древ­не­го «Ми­ра РНК» и по­яв­ле­ние жиз­ни на Зем­ле уже в кле­точ­ной или пред­кле­точ­ной фор­ме. Ус­ло­вия су­ще­ст­во­ва­ния древ­не­го «Ми­ра РНК» мог­ли быть реа­ли­зо­ва­ны в ро­ди­тель­ских те­лах уг­ли­стых хон­д­ри­тов, а так­же в пла­не­те­зи­ма­лях во внеш­ней час­ти Сол­неч­ной сис­те­мы, в об­лас­ти об­ра­зо­ва­ния пла­нет-ги­ган­тов.

Ги­по­те­тич. ста­биль­ные фор­мы на­но­ко­ло­ний мно­го­функ­цио­наль­ных РНК (ри­бо­ци­ты, или про­ток­лет­ки) мог­ли син­те­зи­ро­вать или ад­сор­би­ро­вать гид­ро­фоб­ные ве­ще­ст­ва для фор­ми­ро­ва­ния при­ми­тив­ной обо­лоч­ки. Рос. био­лог Е. В. Ку­нин с со­ав­то­ра­ми (2006), вы­дви­нув­шие идею древ­не­го «Ми­ра ви­ру­сов», пред­по­ла­га­ют, что на ста­дии ри­бо­ци­тов с РНК-ге­но­мом в них воз­ник­ли РНК-ви­ру­сы. На их ос­но­ве поя­ви­лись ДНК-ви­ру­сы, на­чав­шие син­те­зи­ро­вать ДНК на мат­ри­це РНК. В ре­зуль­та­те за­ра­же­ния про­то­кле­ток ДНК-ви­ру­са­ми воз­ник­ли клет­ки с ДНК-ге­но­мом и мем­бра­ной (про­ка­рио­ты). Со­глас­но пред­став­ле­ни­ям, раз­ви­вае­мым Ю. В. На­то­чи­ным (2005), пер­вые клет­ки воз­ник­ли в мел­ко­вод­ных во­до­ёмах, где до­ми­ни­ро­ва­ли со­ли ка­лия и маг­ния. В по­сле­дую­щем про­изош­ла адап­та­ция этих кле­ток к внеш­ней вод­ной сре­де, в ко­то­рой пре­об­ла­да­ли со­ли на­трия. Этот этап эво­лю­ции по­тре­бо­вал об­ра­зо­ва­ния плаз­ма­тич. мем­бра­ны, спо­соб­ной обес­пе­чить ион­ную асим­мет­рию ци­то­плаз­мы кле­ток по от­но­ше­нию к внеш­ней сре­де.

Ги­по­те­за вне­зем­но­го П. ж. под­дер­жи­ва­ет­ся на­ход­ка­ми ос­тат­ков мик­ро­ор­га­низ­мов в ме­тео­ри­тах (уг­ли­стые хон­д­ри­ты воз­рас­том ок. 4,5 млрд. лет). В рам­ках тео­рии пан­спер­мии рас­смат­ри­ва­ет­ся идея о воз­мож­но­сти пе­ре­но­са слож­ных ор­га­нич. со­еди­не­ний (амер. учё­ный Дж. Оро, 1961) или жи­вых ор­га­низ­мов в со­стоя­нии ана­био­за (напр., эн­дос­пор бак­те­рий) в ле­дя­ных яд­рах ко­мет.

Со­глас­но идее Г. А. За­вар­зи­на (2001), жизнь на Зем­ле поя­ви­лась сра­зу в ви­де пер­вич­ной эко­си­сте­мы, вклю­чаю­щей про­ду­цен­тов-ав­то­тро­фов, ис­поль­зо­вав­ших мо­ле­ку­ляр­ный во­до­род в ка­че­ст­ве ис­точ­ни­ка энер­гии. По­яв­ле­нию жиз­ни пред­ше­ст­во­ва­ло фор­ми­ро­ва­ние на Зем­ле ок. 4 млрд. лет на­зад (А. Ю. Ро­за­нов, 2003) фи­зи­ко-хи­мич. ус­ло­вий, при­год­ных для её су­ще­ст­во­ва­ния.

Лит.: Опа­рин А. И. Про­ис­хо­ж­де­ние жиз­ни. М., 1924; Жур­нал Все­со­юз­но­го хи­ми­че­ско­го об­ще­ст­ва им. Д. И. Мен­де­лее­ва. 1980. Т. 25. № 3, 4; Эй­ген М., Шус­тер П. Ги­пер­цикл. Прин­ци­пы са­мо­ор­га­ни­за­ции мак­ро­мо­ле­кул. М., 1982; Chyba C. F., Sagan C. Comets as a source of prebiotic organic molecules for the early Earth // Comets and the origin and evolution of life. N. Y., 1997; Бак­те­ри­аль­ная па­лео­нто­ло­гия. М., 2002; Пар­мон В. Н. Пре­био­ти­че­ская фа­за за­ро­ж­де­ния жиз­ни // Вест­ник РАН. 2002. Т. 72. № 11; Rozanov A. Yu., Hoover R. B. Bacterial paleontology and astrobiology // Instruments, methods and missions for astrobiology IV. Bellingham, 2002; Ро­за­нов А. Ю. Ис­ко­пае­мые бак­те­рии, се­ди­мен­то­ге­нез и ран­ние ста­дии эво­лю­ции био­сфе­ры // Па­лео­нто­ло­ги­че­ский жур­нал. 2003. № 6; Orgel L. E. Prebiotic chemistry and the origin of the RNA world // Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology. 2004. Vol. 39. № 2; На­то­чин Ю. В. Роль ио­нов на­трия как сти­му­ла в эво­лю­ции кле­ток и мно­го­кле­точ­ных жи­вот­ных // Па­лео­нто­ло­ги­че­ский жур­нал. 2005. № 4; Спи­рин А. С. Мир РНК и его эво­лю­ция // Мо­ле­ку­ляр­ная био­ло­гия. 2005. Т. 39. № 4; Про­бле­мы про­ис­хо­ж­де­ния жиз­ни. М., 2009; За­вар­зин Г. А. На­чаль­ные эта­пы эво­лю­ции био­сфе­ры // Вест­ник РАН. 2010. Т. 80. № 12.

Вернуться к началу