Коацерватние краплі в розчині.
Одна з моделей їх виникнення запропонована А. І. Опаріним. Протоклітини Опарін називає коацерватами (від латинського дієслова коацерваре - об'єднуватися, злипатися). Явище коацервації відомо давно. Дослідники з давніх пір примічали, що розчини високомолекулярних речовин при стоянні можуть мутнеть, тому що молекули їх злипаються в комплекси, а комплекси утворюють крихітні краплі, зважені в рідині. Зовні вони схожі на краплі молочного жиру в молоці. Концентрація речовин в таких краплях може бути в десятки і сотні разів вище, ніж в оточуючому розчині.
Однак до робіт Опаріна ніхто не підозрював, на що здатні Коацервати. Справа в тому, що раз концентрація речовин в них більше, значить, з набагато більшою швидкістю йдуть хімічні реакції. Коацервати можуть обмінюватися речовинами з навколишнім середовищем (щось на кшталт асиміляції і дисиміляції), набухати (рости), ділитися і злипатися. Такий шлях виникнення клітин на Опаріна - з емульсії коацерватов в "первинному бульйоні".
Інший механізм утворення клітин запропонував також згадуваний нами С. Фокс. Ми вже говорили, що термін нагріванням безводної суміші амінокислот отримував ланцюжка амінокислот, схожі з білками. Він назвав їх протеіноіди. Протеіноіди, отримані в результаті нагрівання амінокислот в шматку лави з Гавайських островів, розчиняли гарячою водою. У результаті виходила рідина, каламутна від якоїсь суспензії. Мікроскоп показав, що ця суспензія складається з крихітних, близько двох мікрон в діаметрі, кульок, які нагадували сучасні бактерії-коки. Фокс, не мудруючи лукаво, так і назвав їх мікросферами - маленькими кульками.
Електронна мікрофотографія мікросфер, отриманих в досвіді С. Фокса.
Деякі з них утворювали ланцюжки або нагадували дріжджові клітини в період поділу. Електронний мікроскоп показав, що кожна мікросфера оточена подвійною оболонкою, дуже схожою на мембрани сучасних клітинних стінок.
Надалі Фокс ставив досліди з комплексами протеіноідов і полинуклеотидами. Ці комплекси також могли утворювати мікросфери, причому діляться і почкующиеся. Подібність їх з сучасними мікроорганізмами разюче. Мене, у всякому разі, воно потрясло, особливо коли професор Фокс став показувати чудові діапозитиви процесу поділу мікросфер.
Так що ж було спочатку: Коацервати Опаріна або мікросфери Фокса? Яка з моделей ближче до протоклітини? ... Важко сказати, тим більше що є й інші точки зору. Дж. Бернал, наприклад, вважає, що перші клітини утворилися шляхом осідання органічних молекул на частинках глини або інших подібних мінеральних утвореннях. Життя, згідно Берналь, виникла не в товщі води, а в грунті. "Первинний бульйон" був перемішаний з глиною. Така точка зору дуже близька до точки зору, висунутої в довоєнні роки нашим відомим біологом Л. С. Бергом. Берг вважав, що життя має наземне, вірніше, підземне походження.
Справа в тому, що при відсутності в атмосфері кисню не виникає захищає нас зараз "озоновий екран", і жорсткий ультрафіолет Сонця досягає земної поверхні. Але під товстим шаром води життя цілком могла б розвиватися. Крім того, чи не був жорсткий ультрафіолет необхідною умовою виникнення життя - не тільки джерелом енергії для синтезу біомолекул, а й фактором своєрідного відбору? Є дані, що чим довше молекула нуклеїнової кислоти, тим краще вона протистоїть жорсткому випромінюванню. А. Ван де Ворст, вивчаючи дію рентгенівських променів на ДНК, прийшов до висновку, що "радіохімічний відбір" відігравав велику роль в процесі виникнення життя. Не слід, однак, змішувати цей відбір з дарвинова. Подібного відбору піддається, наприклад, галька на морському березі, коли хвилі сточують м'які камені швидше, ніж тверді.
Чи можемо ми вважати Коацервати або мікросфери живими, іншими словами, чи створена вже життя в колбі? Ні, як справедливо відповідають Опарін і Фокс, поки ми створюємо тільки моделі, що показують, яким шляхом могла б виникнути клітина. Або, вірніше, структура, що передувала їй. Ці досліди мають, однак, велике значення, бо свідчать, що в процесі розвитку життя з досить високою ймовірністю повинні виникати обмежені, замкнуті в собі структури, що мають найважливішу здатність - обмінюватися речовинами з навколишнім середовищем (зрозуміло, це ще не обмін речовин в біологічному розумінні ).
На цьому місці біохімія перестає бути нам провідником так само, як раніше, на шляху від складного до простого, спасувала палеонтологія. Між коацерватами, отриманим в лабораторії, і найпростішої бактеріальної клітиною існує нічим не заповнений розрив.
Спробуємо, як говорив Кольцов, "перелетіти його на аероплані натурфілософії". Іншими словами, залишаючись строго на грунті матеріального, шляхом логічних викладок представимо ускладнення протоклітини до першої клітини, не привертаючи божественну сверхслучайность.
Отже, уявімо собі "первинний бульйон", в якому плавають протоклітини - мікроскопічних розмірів освіти, оточені мембранами - одно- або двошаровий, як у випадку мікросфер Фокса, оболонками. Вони можуть зливатися в результаті зіткнення або ділитися від випадкового механічного обурення. Таке припущення прийнятно - і Опарін і Фокс згідно доводять, що подібні структури просто не можуть не виникнути в розчині біополімерів.
І в протоклетках, і в навколишньому їхньому середовищі йдуть одні і ті ж хімічні реакції. Але вони в обох випадках призводять до абсолютно різних результатів. Бо протоклетка - шматочок середовища, відгороджений від зовнішнього оточення напівпроникною мембраною, через яку проходять порівняно вільно маленькі молекули і з труднощами, а то і зовсім не проходять великі.
Реакції полімеризації, що йдуть зі зростанням молекулярної ваги кінцевого продукту, відбуваються і в протоклетках, і в "первинному бульйоні". Але в "первинному бульйоні" результат таких реакцій - лише утворення нових протоклеток. У протоклітини справа інше: якщо там зменшується число молекул - а це і відбувається, коли прості молекули зливаються в більш складні - знижується осмотичний тиск, який залежить тільки від числа молекул, а не від їх маси.
Другий закон термодинаміки не може довго терпіти існуючого перепаду ні в чому - в тому числі і в осмотичний тиск. Починається перекачування молекул амінокислот, нуклеотидів, цукрів і т. Д. В протоклітини. Коли відношення обсягу до поверхні стає критичним, збільшується протоклетка ділиться або нирки, надстраівая при цьому мембрани, - і процес починається спочатку.
В результаті протоклітини повинні були перекачати в себе всю органіку "первинного бульйону". Але ясно, що вони були аж ніяк не однорідними. В одних процеси синтезу йшли швидше, в інших повільніше. "Швидкі" процвітали, але це був ще не дарвінівський відбір, не життя! У них не було неодмінного атрибута життя - спадковості. Вдалі комбінації молекул, що призводять до швидкого синтезу, в процесі росту і ділення "розлучалися" і зникали. Так було до тих пір, поки в одній з протоклеток не сформувалася нуклеотидная ланцюжок, здатна реплицировать себе.
Зрозуміло, цей процес ще не нагадував сучасний механізм реплікації ДНК. Адже ферментів ще не було, не було і рибосом, і транспортних РНК. Були лише короткі, близько 10-20 ланок, ланцюжки нуклеїнових кислот і пептидів, які утворювали комплекси між собою.
Тут доречно згадати про старий суперечці схоластів: що з'явилося раніше - яйце чи курка, трансформованому в наш час в суперечку: що було раніше - ген або фермент? Здавалося б, ми потрапляємо у замкнене коло - адже ДНК не може подвоюватися без ферменту ДНК-полімерази, а він сам в свою чергу не може виникнути без ДНК. Сперечальники в запалі дискусії забували про одну обставину. Фермент, як і всякий каталізатор, не може зробити неможливу реакцію можливою. Він лише прискорює хід можливої реакції, зрушуючи її рівновагу в бік утворення кінцевого продукту. Крім того, наводить на роздуми то, що більшість ферментів - комплекси, що складаються з білкової частини, з одного боку, і простого органічної сполуки (коферменту) або іона металу, - з іншого. Можливість абіогенного синтезу ряду коферментів доведена, а вже іони металів в "первинному бульйоні", безсумнівно, були. Чи не вони в комплексі з короткими полипептидами грали роль ферментів? Ефективність дії таких проферментов, зрозуміло, не можна порівняти з сучасними; навряд чи вони мали специфічністю дії. Але ж і вся наша витончена техніка бере початок від кам'яного рубила пітекантропів, яким можна було, правда, насилу, виконувати різноманітні операції.
Як тільки в протоклітини сформувався Протогена, Дуплікація (подвоєння) якого каталізувала профермент, півдорозі до справжньої живої клітини було вже зроблено. Мабуть, в цей же час сформувався енергетичний механізм, близький до сучасного, з використанням багатих енергією зв'язків аденозинтрифосфату і гуанозінтріфосфата. До того протоклітини використовували, швидше за все, енергію гідролізу поліфосфатів. Дослідження останніх років показують, що цей процес найбільш імовірний.
Дуплікація Протогена, крім того, що вона забезпечила стійкий процес синтезу, що передається у спадок (від чого нащадки цих протоклеток набули широкого поширення), привела до вельми важливим наслідків. Одне з них - виникнення оптичної активності, точніше, асиметрії біологічних молекул.