Тіршіліктің пайда болуы туралы қазіргі көзқарастар

Қазіргі эволюция теориясының негізгі сұрақтарының бірі Жер бетіндегі тіршіліктің қалай пайда болғандығы, оның бейорганикалық заттардан қалай алғашқы тіршіліктің (небиогенез) пайда болуын химиялық эволюция тұрғысынан эволюция теориясы да қарастырып отыр. Қазіргі уақытта абиогенездік көзқарастарға қарсы тіршіліктің пайда болуы және оның дамуы өте ұзақ кезеңдерді қамтиды. Осы тұжырым архебиоз немесе археогенез деп аталады. Тіршіліктің пайда болуы туралы көшілік мойындаған теорияны 1924 жылы А. И. Опарин (1894-1980) «Тіршіліктің пайда болуы» деген кітабында жазды. Бұдан әрі қарай бұл теорияны автор бірнеше рет толықтырды. Оны ары қарай дамытуда және толықтыруда басқа да белгілі ғалымдар да үлес қосты. А. И. Опариннің теориясы бойынша тіршілік дегеніміз органикалық дүниенің (субьединиц) тарихи бір бағытта бірте-бірте күрделенуі және тірі организмдерге тән күрделі жүйелердің дамуы.

Жер осыдан шамамен 4,5-5 млрд жылдай бұрын ғарыштағы тозаңдардан пайда болған деп есептелінеді. Гравитациялық күштердің нэтежиесінде шаң-тозаңдар бірігіп, оның салмағы арта түсті. Алғашқы тіршіліктің қалай пайда болғанын білу үшін ежелгі атмосфера құрамының қандай болғанын еске түсірейік. Қазіргі кезде Жердің атмосферасының 80%-ы азоттан, қалған 20%-ы оттегі, көмірсутектен және басқа да газдардан (өте аз мөлшерде) тұрады. Ежелгі атмосфера судың, сутектің, аммиак және метанның буларынан түрды. Судың буы судан пайда болды және ол кезде Жер әлі ыстық болатын, сондықтан су бу күйінде атмосферада кездесетін. Жердің суый бастауына байланысты су булары жиналып бұлтқа айналып, қайтадан жерге жаңбыр күйінде түсетін, содан қайтадан буға айналып атмосфераға көтерілетін. Судың булануы және суға қайта айналу үрдістері қазіргі күні де жүріп жатыр. А. И. Опариннің теориясы бойынша тіршіліктің пайда болуы бірнеше сатыдан тұрады. Бірінші сатыда ежелгі атмосфера қарапайым көмірсутектерден тұрды. Необиогенез шамамен, 3-3,5 млрд жыл бұрын пайда болды.

Екінші сатыда Жердің атмосферасы көмірсутен айырыла бастады, яғни олар су, аммиак және басқа газдардың буларымен реакцияға түсе бастады. Осы реакциялар қысқа толқынды УК сәулелер және электр разрядтары арқылы жылдамдатылды және ол оттегі өте аз ортада жүріп жатты, бірақ бұл жерде алдында атап кеткендей сутек, метан және су булары көп болды. Күн сәулесінің арқасында судан оттек пен сутек бөлінеді. Сутек ұшып жойылды, ал оттек аммиакты молекулалы азотқа дейін, ал көмірсутектер спиртке, альдегидке, кетонға жэне органикалық қышқылға дейін тотықты. Осы қосылыстар ылғалды суық атмосферадан жаңбыр арқылы теңіз, мұхиттарға жауатын және сонда жиналатын, абиогенді полимеризациялануы және сұйыққа айналуы (конденсацияланатын) арқылы тірі организмдердің құрамына кіретін химиялық қосылыстарға ұқсас болатын. Осылай белок, нуклеин қышқылы және АТФ-қа ұқсас полимерлі қосылыстар түзілді. Теңіз және мұхит суы тіршілік үшін «алғашқы сорпа» қызметін атқарды.

Үшінші сатыда «алғашқы сорпаның» ішінде коацерватты (латынның acervatus — бұралған, үйіліп жатқан) тамшылар пайда болды, олар белгілі бір көлемге жеткен кезде сыртқы ортамен ашық реакцияға түсе бастады. А. И. Опарин эволюция үрдісі кезінде коацерваттар органикалық дүниеге негіз болып жоғары молекулалы қоспалардың жиынтығын құрады, ол негізінен теңіздегі белок тәрізді ертінділер еді. Әрі қарай коацерваттар «жетіліп» және жіктеле бастады, сөйтіп олар ортадан жекеленіп тұрақтала бастады және реакцияға түсуге қабілетті болды.

Төртінші сатыда коацерваттарда зат алмасу, синтезделу жетіліп және мембранасы (жарғақшасы) реттеле түсіп, нәтежиесінде нуклеин қышқылдары мен белоктардың өзара байланысы арта түсті, алғашқы тіршіліктің нышандары пайда бола бастады.

Алғашқы тіршіліктің қандай болғандығын, ешкімде білмейді, бірақ ол өзінен-өзі көбейе беретін молекула, алғашқы тірі организм -гетеротрофттар болды деп шамалайды. Ежелгі Жер атмосферасында оттек болмады және гидросферадағы алғашқы тірі организмдердің зат алмасуы анаэробты болды. Болжам бойынша, олар мұхиттағы еріген органикалық ертінділермен қоректенді. Бірақ абиогенді пайда болған органикалық заттардың қоры бірте-бірте азая берді, осындай ортада күн сәулесін сіңіріп және бейорганикалық көміртек қоспасынан органикалық заттарды түзе алатын организмдер тіршілік ете бастады. С02 жоғары ортада сұрыпталудың нәтежиесінде органикалық заттарды биологиялық жолмен синтездей алатын (фотосинтез) организмдер болды. Оларға цианобактериялар жатады, осылардың түзілуіне қарап шамамен, 3,5×109 жыл бұрын тіршілік пайда болды деп есептелінеді.

Фотосинтезден кейін организмдер өсімдіктерге және жануарларға бөліне бастады. Алғашқы организмдердің пайда болу үрдісінің жетістіктері және табиғи сұрыпталудың арқасында автотрофты организмдер түзілді, олар бейорганикалық қоспалардан күн (сәулесінің) энергиясын пайдалану арқылы органикалық қоспаларды синтездей алды. Бұның өзі үздіксіз органикалық заттардың синтезделу кезінде пайда болатын газ тәрізді оттектің түзілуі Жер бетіндегі тіршіліктерге күрт үлкен өзгерістер енгізді.

Осыған ұқсас көзқарасты Н. Г. Холодный (1882-1953) да дамытты, ол алғашында көмірсутектер пайда болды, содан кейін олардың тотығуынан органикалық қышқылдар, спирттер және т.б. түзілді деді. Н. Г. Холодныйдың А. И. Опариннен ерекшелігі тіршілік әлемдік мұхитта емес, құрғақ жердегі таяз суларда пайда болды, ал ол жерлерде органикалық заттар тез жиналды және коацерваттар түзілді деді. Осындай жерлердің тез кебуінен пробионттық құрлымдағы организмдерден алғашқы тіршілік пайда болды.

Осындай көзқарасты ағылшын ғалымы Д. Бернал (1901-1971) да дамытты, ол алғашқы бейорганикалық заттардың құрамы көмір қышқылынан, бейорганикалық ортофосфаттардан, аммиактан, көмір сутектен тұрды және судың, метанның және аммиактың синтезінен алғашқы органикалық қоспалар өте қарапайым молекулалар (үш-алты атомдардан тұратын) түзілді деді. Д. Берналдың пікірі бойынша тіршілік мынадай тізбек бойынша пайда болды: атом — молекула -мономер — полимер — организм. А.И. Опариннен айырмашылығы, ол органикалық молекулалық түзіліс коацерваттардың түзілуінен емес, адсорбция үрдісі арқылы алғашқы полимерлі құрлымды минералды бөліктер пайда болды, ол мұхитта емес су астындағы батпақта, яғни жердің құрғақ және ылғал қабатында пайда болды деген көзқараста болды.

А. И. Опариннің теориясы халықаралық сенімге ие болып, бірнеше рет дәлелденді, әсіресе экспериментті зерттеулермен 1953 жылы америка ғалымы С. Миллер дәлелдеді. С. Миллер метан, сутек, аммиак және судың буларынан (ежелгі атмосфераның қүрамын қолдан жасап) тұратын ыстық қоспаға электр разрядын жіберіп, содан кейін осы су ертіндісін салқындатып (жаңбыр жауғанын қайталап) абиогенді жолмен амин қышқылдарын (глицин және аланин), альдегидтерді, сүт, сірке және басқа қышқылдарды алды. Басқа ғалымдар электр разрядының орнына ион сәулесімен, УК сәулемен және жылумен қыздырған кезде абиогендік басқа амин қышқылдар, азоттық негіздегі қоспалар, полисахаридтер алды.

Одан әрі қарай америка ғалымы С. Фокс (1977) жоғарғы температурада және амин қышқылдарындағы бос суды алып тастаған кезде амин қышқылдары поликоденсацияланып, молекулалық салмағы 4000-10 000 дальтон болатын протеиноидтар (құрылысы белок тәрізді) пайда болды. Осы қоспада амин қышқылдарының құрылысы ретсіз орналасқан. С. Фокстың тәжірибесі құрлықтың кебуінің қарапайым полипептидтердің пайда болуында үлкен маңызы бар екенін көрсетті. Басқа ғалымдардың тәжірибесінде су ертіндісі сияқты нуклеотидтерді УК сәулелендіру немесе иондармен сәулелеу арқылы 3-5 байланысты поликонденсатты зат алды.

Қазіргі уақытта бірнеше рет мойындалған А. И. Опариннің теориясы тіршіліктің пайда болуы ілімнің әрі қарай дамуына негіз болып отыр. Онымен тек «ғылыми» креационистер ғана келіспейді, олардың пайымдауынша Жер 10 000 жыл бұрын пайда болған және оның шығу тегі аса керемет деп тұжырымдайды. Ескеретін жай, барлық ғылыми теориялар сияқты А. И. Опариннің теориясы да тұрақты түрде толықтырылып отырылды. Айтатын болсақ, соңғы жылдары ғылыми жаңа мэліметтер бойынша, Жер бетіндегі тіршілік А. И. Опарин және Н. Г. Холодный ойлағандай мұхитта немесе таяз суда пайда болған жоқ, Жердің ерте заман (архей) тарихындағы ыстық (геотермальды) бұлақтарда түзілген және алғашқы полимерлер РНҚ молекуласы. РНҚ-ындағы бірінші полимердің негізі (пайда болғаннан кейін) болуы тіршіліктің түзігендігі туралы көзқарастар өзгерді, яғни тіршілік РНҚ-нан басталады. Кейбір жерлерде абиогенді поликонденсаттың азоттық негізі РНҚ (РНҚ пайда болу тізбесінде) болуына цеолит минералы болуы мүмкін, себебі үш қабатты торлы құрылысты ерекшелігі болды. Осы минерал катализатор (оның сыртқы беті катализатор қызметін атқаруы мүмкін) кейіннен пайда болған белок-ферменттері сияқты қызмет атқаруы мүмкін. Сондықтан геотермальды бұлақтың маңындағы жанартаулық шығу тегі бар тастардың саңылауындағы ыстық сұйықтықта (40°) метан, аммиак, фосфаты бар цеолит еріп және рН-8 катализаторлық ортада РНҚ олигонуклеотиді түзіледі. Одан әрі қарай РНҚ молекуласының өзінен-өзі көбею қасиетке ие болып, цеолиттен жеке дара бөлінді. Содан кейін, олар липидтермен бірігіп, мұхиттарда тіршілік етуге бейімделген алғашқы тіршілік иесі болды.

Тіршіліктің бастамасы РНҚ екенін 1982 жылы ашылған РНҚ молекуласының энзиматикалық белсенділігі дэлел бола алады, оған рибозимдер деген атау берілді жэне «РНҚ әлемі» одан ары толыға түсті. Рибозимнің үш қабатты құрылысы «балғаның басына» ұқсайды. Олар тұқымқуалаушылықтағы ақпаратты ендіре алады, белок жоқ ортада катализатор қызметін атқарады. Толығырақ айтатын болсақ, рибозим олигонуклеотид лигазы, полнуклоидты киназы және изомеразы қызметтерін де атқара алады, сонымен бірге алкилировандік реакциясында катализатор қызметін де атқарады. Алынған мәліметтерге сәйкес, РНҚ молекуласы ақпараттық қасиеті бар және нуклеотидті сорпада өзін-өзі жинап белок синтезделмей тұрып, ол зат алмасу үрдісін жүргізуге қатысады. Осы тұжырымның дұрыстығын концентрлі несеп зәрде (ежелгі Жердің дамуындағы кеуіп жатқан құмды мүйісті немесе жердегі кеуіп жатқан орта) цианоацетальдегид реакциясында цитозиннің пайда болуы растайды.

Алғашқы РНҚ-ның молекулалары дамыды, содан кейін мутация мен рекомбинацияның арқасында құрлымы өздігінен көбейді. Келесі сатыда РНҚ молекуласы белокты синтездей бастады, алғашында РНҚ адапторлық молекуласы арқылы, кейіннен РНҚ молекуласының рибосомасы арқылы РНҚ көшірмелерінің тікелей қатысуымен, олар белсенді амин қышқылымен байланысқа түседі. Соңынан ДНҚ пайда болды, реверсивті (кері) транскрипция арқылы РНҚ жинақталған ақпараттардың нәтежиесінде РНҚ аралық қызмет атқарды.

РНҚ әлемі ДНҚ «пребиоттық әлемімен» байланысты деп жорамалдайды. Тәжірибелердің нәтижесінде, олигонуклеотидті РНҚ комплементарлы тізбені синтездей алады, яғни пептидті нуклеин қышқыл (ПНҚ) тізбесі түзілді, бұл жерде фосфодиэфир қаңқасының орнын амид атқарды. Жер бетіндегі тіршілік эволюциясының пребиоттық сатысы бар екенін, кейбір иондардың болуына қарамастан біртізбелі ДНҚ олигодезоксинуклеотид түзді. Яғни, ДНҚ да каталикалық белсенділігін танытады, ол металлофермент (ДНҚ-зим) есебінде қатысады. Сонымен РНҚ мен ДНҚ екі қасиеті бар: катализаторлық және генетикалық ақпаратты сақтаушы. Сонымен тіршіліктің даму барысында «РНҚ әлеміне» сәйкес кейбір уақыттарда барлық биологиялық реакциялардың катализаторы РНҚ болды. Егер осы тұжырым рас болса, онда «тауық бұрын болды ма немесе жұмыртқа ма?» деген тосын пікірге сай, қазір «қайсысы функциональды белок па немесе ақпараттық қасиеті бар нуклеин қышқылдары ма?».

Бірақ та, егер РНҚ Жер эволюциясының ең алғашқы даму сатысында кездессе, онда ол тіршіліктің алғаш пайда болған кезінде болды ма, яғни сонда ол «басында» болғаны ма? Сұраққа жауап беру қиын. Бұл жерде жауап жалпылама. Себебі пребиоттық жағдайда эксперименталды түрде рибонуклеотидты жэне РНҚ өзін-өзі қайта түзуі (репликациясы) болуы мүмкін емес, сондықтан тіршілік РНҚ-нан басталған жоқ, ол кезде жай қайта түзу (репликацияланатын) бөлшегі ғана болды, кейінірек (бірақ ерте сатыда) ол РНҚ-на ауысып тіршіліктің пайда болуында басты рөл атқарды. Ондай бөлшек полимер болуы мүмкін, себебі ол азоттық негізі бар белок тэріздес қаңқа. Бұл полимер күрделі қосылыстар түзілу реакциялары кезінде үлгі (шаблон) қызметін атқарады. Сонымен, тіршіліктің пайда болу сатысын былай көрсетуге болады: пребиоттық химиялық үрдістер — пре-РНҚ әлемі (алғашқы қайта түзуші молекулалар) — РНҚ әлемі (биохимиялық реакциядан генетикалық коды бар катализатор рибозомдар) — ДНҚ / белокты әлем (биохимиялық реакция кезінде белокты ферменттер катализаторы арқылы алынған ДНҚ коды) — алғашқы тірі бір клеткалы организмдер. Молекулалы генетикалық зерттеулерге сәйкес алғашқы тіршіліктің белгісі 2 млрд жыл бұрын пайда болды. Палеонтологиялық қазба қалдықтарындағы цианобактерияға қарап, керісінше, тіршілік нышаны 3,5 млрд жыл бұрын, ал жартастағы апатитердегі көмір сутегіне қарап тіршілік 3,8 млрд жыл бұрын пайда болғанын білуге болады.

Әлеуметтік желілерде бөлісіңіз: