Происхождение жизни

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПЕРВИЧНЫХ КОЛЛОИДНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ

Как мы видели в предыдущей главе, в процессе * эволюции Земли в ее первичном океане должны были образоваться весьма сложные и разнообразные органические вещества, подобные тем, из которых построены современные живые организмы. Но между этими последними и простым водным раствором органических веществ, конечно, имеется очень большое различие.

Основу всякого растительного или животного организма, основу тел разнообразных бактерий, амеб, грибков и всех других наипростейших организмов составляет протоплазма — тот материальный субстрат, в котором и развертываются жизненные явления. По своему внешнему виду протоплазма представляет сероватую полужидкую слизистую массу, в состав которой, помимо воды, входят главным образом белки, а также ряд других органических веществ и неорганических солей. Но это не простая смесь этих веществ. Протоплазма обладает весьма сложной организацией. Эта организация выражается, во-первых, в ее определенном строении, структуре, пространственном взаиморасположении частиц составляющих ее веществ, а во-вторых, в определенной гармонии, в известной последовательности и закономерном сочетании происходящих в ней физических и химических процессов.

Живая материя представлена в настоящее время отдельными организмами — индивидуальными системами, обладающими как определенной формой, так и тонким внутренним строением, организацией. Ничего подобного, конечно, не могло быть в водах того первичного океана, историю которого мы разбирали в предыдущей главе. Изучение разнообразных растворов, в том числе и растворов органических веществ, показывает, что в них частицы вещества распределены более или менее равномерно во всем объеме растворителя и находятся в постоянном беспорядочном движении. Таким образом, здесь интересующее нас вещество, во-первых, неразрывно слито с окружающей его средой и, во-вторых, не обладает какой-либо структурой, основанной на закономерном расположении его частиц по отношению друг к другу. Но мы не можем себе представить организм, лишенный определенного строения, полностью растворенный в окружающей среде. Поэтому на пути между органическими веществами и живыми существами должно было произойти возникновение каких-то индивидуальных образований — систем, пространственно отделенных от окружающей среды и обладающих известным расположением частиц материи внутри своего тела.

Низкомолекулярные органические вещества, как, например, спирт или сахар, при их растворении в воде подвергаются чрезвычайно высокой степени раздробления. Они равномерно рассеяны в растворе в виде отдельных молекул, которые существуют более или менее независимо друг от друга. Поэтому их свойства в основном определяются в данном случае лишь строением самих молекул, расположением в этих молекулах атомов углерода, водорода, кислорода и т. д.

Но по мере увеличения размеров молекул на эти простые закономерности органической химии накладываются новые, более сложные отношения, составляющие предмет изучения коллоидной химии. Более или менее разведенные растворы низкомолекулярных веществ являются системами вполне устойчивыми, где степень раздробления вещества и равномерность его распределения в пространстве сама по себе не нарушается. Напротив, частицы высокомолекулярных соединений дают коллоидные растворы, для которых характерна их сравнительно малая устойчивость. Эти частицы имеют тенденцию под влиянием разнообразных факторов соединяться между собой в целые рои, комплексы или агрегаты. Очень часто это объединение частиц заходит так далеко, что коллоидное вещество выпадает из раствора в виде осадка, происходит так называемая коагуляция.

В других случаях дело не доходит до образования осадка, но все же происходит коренное нарушение равномерности распределения веществ в растворе. Растворенные органические вещества концентрируются в определенных точках пространства, создаются сгустки, где отдельные молекулы, или частицы, каким-то образом взаимосвязаны между собой и где вследствие этого возникают новые сложные отношения, определяемые не только расположением атомов в молекулах, но и взаиморасположением самих этих молекул.

Возьмем растворы каких-нибудь высокомолекулярных органических веществ: например, водный раствор желатины и такой же раствор гуммиарабика. Эти растворы являются прозрачными и однородными. В них органическое вещество полностью слито с окружающей средой. Частицы взятых веществ равномерно распределены, рассеяны в растворителе. Но смешаем между собой указанные выше растворы. Сейчас же можно заметить, что наша смесь замутится. Рассматривая ее под микроскопом, мы увидим, что из однородных ранее растворов выделились капельки, отделенные от окружающей среды резкой границей.

Аналогичное явление можно получить при смешивании растворов и других высокомолекулярных веществ, в особенности легко — при смешивании разнообразных белков. Оказалось, что при этом происходит как бы скучивание их молекул в определенных точках пространства. Поэтому выделяющиеся капельки были названы коацерватами (от латинского слова acervus —куча). Эти интересные образования подробно исследовались и исследуются сейчас в ряде лабораторий, например в лаборатории Бунгенберг де-Ионга, Кройта, в лаборатории биохимии растений Московского государственного университета и в Институте биохимии имени А. Н. Баха Академии наук СССР. Подвергая химическому анализу коацерватные капельки и окружающую их жидкость, можно убедиться, что все коллоидное вещество (например, в приведенном нами случае вся желатина и весь гуммиарабик) сконцентрировалось в коацерватных капельках, а в окружающей их среде почти не осталось молекул этого вещества. Здесь мы имеем почти чистую воду; внутри же коацерватных капелек наши вещества находятся в таком концентрированном состоянии, что здесь правильнее говорить о растворе воды в желатине и гуммиарабике, чем наоборот. Этим объясняется то чрезвычайно характерное для коацерватов свойство, что их капельки, будучи жидкими и пропитанными водой, никогда не смешиваются с окружающим водным раствором.

Это же свойство присуще и протоплазме живых организмов. Если мы разорвем растительную клетку и выдавим содержащуюся в ней протоплазму в воду, то протоплазма, несмотря на свою жидкую консистенцию, не смешается с окружающей водой, а будет в ней плавать в виде резко очерченных, отграниченных от окружающего раствора шариков. Это сходство между искусственными коацерватами и протоплазмой не является лишь внешним. Как показали работы последних лет, протоплазма действительно находится в коацерватном состоянии. Конечно, строение протоплазмы несравненно сложнее, чем строение искусственных коацерватов. В частности, в протоплазме сочетаются не два, как в нашем примере, а очень многие коллоидные вещества. Но все же ряд физических и химических свойств протоплазмы, как, например, ее способность образовывать вакуоли, характер ее смачиваемости, проницаемости и т. д., может быть понят лишь с точки зрения изучения коацерватов.

Интересной особенностью коацерватных капелек является то, что они, несмотря на свою жидкую консистенцию, обладают определенным строением. Входящие в их состав молекулы й коллоидные частицы не разбросаны в них случайно, а определенным образом взаиморасположены в пространстве.

Первоначально белковые вещества находились просто в растворе, но затем их частички стали объединяться между собой, образуя целые молекулярные рои, и, наконец, они выделялись из раствора в виде маленьких плававших в воде капель — коацерватов, которые уже можно видеть под микроскопом

Искусственно полученные коацерватные капли, сфотографированные под микроскопом

Коацерватные капли поглощали из окружающего их водного раствора разнообразные органические вещества и за их счет увеличивались в объеме и весе — росли. При этом одни из них росли быстрее, другие медленнее.Внутреннее строение быстро растущих капель делалось все более сложным и все более приспособленным к питанию и разрастанию.

В течение многих миллионов лет изменялось и совершенствовалось строение коацерватных капель.

Сложный комплексный коацерват

Более просто устроенные капли погибали, более совершенные разрастались и размножались делением. В конечном итоге из них и возникли простейшие живые существа

В некоторых коацерватных капельках можно обнаружить даже видимые под микроскопом структуры, но эти структуры являются очень нестойкими и существуют только до тех пор, пока сохраняются направляющие силы, вызывающие определенное расположение частиц. Небольшое изменение водоудерживающих или электростатических сил, действующих внутри коацервата, может изменить расположение его частиц. Иной раз при этом может даже произойти полное распадение коацервата на отдельные молекулы, растворение его в окружающей среде. Наоборот, в других случаях коацерват делается плотнее, его внутренняя вязкость увеличивается, и он может принять студнеобразный вид. В этом случае его структура несколько усложняется и вместе с тем стабилизируется, делается более устойчивой. Указанные изменения коацервата могут происходить как в результате изменения внешних условий, так и под влиянием внутренних химических превращений.

Таким образом, мы имеем в коацерватах некоторые зачатки организации вещества, конечно, организации еще очень примитивной и весьма неустойчивой. Однако эта организация уже определяет собой целый ряд свойств коацерватных капелек. Особенно ярко выражена у коацерватов их способность улавливать (адсорбировать) различные вещества, находящиеся в окружающем растворе. В частности, эту способность очень легко продемонстрировать, добавляя к жидкости, окружающей коацерватную каплю, различные красители. При этом непосредственно можно видеть, как краска очень быстро из окружающего раствора переходит в капельку коацервата.

Нередко это явление усложняется еще и рядом химических превращений, идущих внутри коацервата. Уловленные капелькой частицы вещества вступают в химическое взаимодействие с веществами самого коацервата. В результате этого капельки коацервата могут увеличиваться, разрастаться за счет адсорбированных ими из окружающей жидкости веществ. При этом не только происходит увеличение объема и веса капельки, но существенно изменяется и ее химический состав. Следовательно, в коацерватных капельках могут происходить определенные химические процессы. Очень важно то, что характер и скорость этих процессов в значительной степени зависят от внутреннего физико-химического строения данной коацерватной капельки, и поэтому они могут быть различными в различных коацерватах.

После ознакомления со свойствами коацерватов вернемся вновь к тем высокомолекулярным белковоподобным соединениям, которые образовались в первичной водной оболочке Земли. Как уже было отмечено нами выше, молекулы этих соединений, подобно частицам современных белков, несли на своей поверхности разнообразные боковые цепи, наделенные различными химическими функциями. Вследствие этого по мере роста и усложнения «первичных белков» неизбежно должны были возникать новые взаимоотношения между отдельными молекулами. Каждая такая молекула не могла существовать изолированно от других, неизбежно и закономерно должны были возникать молекулярные рои, кучи, целые комплексы частиц, включающие в себя не однородные, а различные по своим размерам и свойствам белковые молекулы. Это в свою очередь с железной необходимостью должно было привести к концентрации органического вещества в определенных пунктах пространства. Рано или поздно в том или ином уголке первичного океана обязательно должно было произойти выделение из водного раствора разнообразных белковых веществ в виде коацерватных капель. Ведь, как мы видели выше, условия для возникновения коацерватов элементарно просты. Это возникновение происходит при простом смешивании растворов двух' или нескольких высокомолекулярных органических веществ. Значит, как только в первичной земной гидросфере образовались разнообразные более или менее высокомолекулярные белковоподобные соединения, так немедленно же должны были возникнуть и коацерватные капли.

Образованию коацерватов не могла воспрепятствовать и та сравнительно невысокая концентрация органических веществ, которая имела место в первичном океане Земли. Вода современных нам морей и океанов содержит в себе лишь ничтожные следы органических соединений, возникающих при распаде погибших организмов. В громадном большинстве случаев эти вещества поглощаются живущими в воде микроорганизмами, для которых они служат основной пищей. Но в некоторых, довольно редких, случаях в глубине морских пучин органические вещества могут оставаться в течение сравнительно непродолжительного срока не затронутыми микробами. Ряд данных по изучению илистых глубоководных грунтов показывает, что в этих условиях растворенные органические вещества образуют студенистые осадки. Это же явление выделения комплексных коацерватов из воды, содержащей только следы высокомолекулярных органических веществ, нередко удается наблюдать и в искусственных условиях, когда действие микроорганизмов может быть исключено.

Итак, в результате смешивания тех или иных коллоидов, в первую очередь первичных белковоподобных соединений, в водах Земли должны были возникнуть капли коацерватов. Это образование коацерватов является весьма важным этапом в эволюции первичного органического вещества и в процессе возникновения жизни. До этого момента органическое вещество было неразрывно слито с окружающей его средой, равномерно распределено во всей массе растворителя. При образовании коацервата молекулы органического вещества сконцентрировались в определенных пунктах пространства и отделились от окружающей среды более или менее резкой границей. Каждая коацерватная капля приобрела известную индивидуальность, так сказать, противопоставила себя окружающему внешнему миру. Только на основании такого выделения коацерватных капель могло создаться то диалектическое единство организма и среды, которое явилось решающим фактором в процессе возникновения и развития жизни на Земле. Вместе с тем при образовании коацерватов органическая материя приобрела и известное строение. Раньше в растворе имелось лишь скопление беспорядочно двигающихся частиц, в коа- церватной капле эти частицы расположились определенным образом по отношению друг к другу. Следовательно, здесь уже появились зачатки некоторой, правда, весьма элементарной, организации. Вследствие этого на простейшие органохимические отношения здесь наложились новые коллоидно-химические закономерности. Эти закономерности присущи и живой протоплазме современных организмов. Поэтому мы можем установить известное сходство между физико-химическими свойствами протоплазмы и нашими коацерватами.

Но можем ли мы на основании этого признать коацерватную каплю живой? Конечно, нет. И дело здесь сводится не только к сложности состава и тонкости строения протоплазмы. В искусственно полученном нами коацервате или в той капле, которая возникла естественным путем, выделившись, отслоившись от раствора органических веществ в первичном океане Земли, отсутствовала та «целесообразность» строения, та приспособленность внутренней организации к несению определенных жизненных функций в данных условиях существования, которая так характерна для протоплазмы всех без исключения живых существ. Эта приспособленность к условиям внешней среды не могла явиться результатом одних только физических или химических закономерностей, в частности, и коллоидно-химические отношения здесь являются недостаточными. Поэтому при возникновении первичных живых существ должны были создаться в процессе эволюции материи новые закономерности, носящие уже биологический характер.