Происхождение предбиологических систем - Опарин А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Большой интерес в качестве возможных предшественников клетки представляют микросферы [3]. Эти образования, описанные
Фоксом и Харадой, возникают при растворении и при последующей конденсации протеиноидов. Эти системы имеют определенные преимущества перед коацерватами, поскольку структурно они более устойчивы и образуются из веществ, синтезированных в более примитивных условиях.
Поэтому нетрудно поверить в то, что процесс образования микросфер, так легко воспроизводимый в лабораторных условиях, имел место и в природе при наличии исходных составляющих компонентов. Конечно, о роли подобных образований в процессе возникновения клетки в настоящее время можно лишь отвлеченно рассуждать, но существование таких образований было вполне реально.
Фокс [1] считает, что белок мог впервые образовываться на поверхности Земли вблизи областей с повышенной температурой, где смесь накопившихся аминокислот нагревалась, полимеризовалась и затем вымывалась в океан. Фокс [1] установил, что полимеризация аминокислот может происходить в присутствии полифосфорной кислоты при температуре ниже 70°. Мы показали недавно, что такая полимеризация идет при 25° в присутствии этилового эфира полифосфорной кислоты. Вполне возможно, что метафосфат не присутствовал в больших количествах на Земле в примитивных условиях; однако его вполне могли бы заменить полифосфаты. Фокс показал, что при охлаждении растворенного в кипящей воде про-теиноида образуются однородные микросферы. Сейчас мы получаем микросферы из протеиноида путем снижения температуры его насыщенного раствора от 25 до 0°; в этом случае нагревания не требуется. На фиг. 1 изображены микросферы, полученные этим методом. Видны микросферы, находящиеся на различных стадиях «почкования». Такое «почкование» можно вызвать несколькими способами, и в том числе изменением pH среды. На фиг. 2 представлена «почкующаяся цепь» микросфер, возникающая при охлаждении раствора протеиноида. Подобные структуры образуются не из-за слипания отдельных микросфер, хотя скопления микросфер можно наблюдать при определенных условиях. На фиг. 3 представлена типичная популяция микросфер, образованная в результате кипячения протеиноида в воде и последующего его охлаждения. В этом случае также наблюдается «почкование». В действительности здесь мы имеем дело скорее с процессом деления, чем со слипанием, как это можно было установить при помощи цейтраферной съемки. На фиг. 4 видны цепи микросфер (препарат получен путем легкого надавливания на предметное стекло). Добавление к кислому протеиноиду небольших количеств (1 вес.%) основного белка, такого, как гистон, оказывает заметное влияние на морфологию микросфер. На фиг. 5 можно видеть одну большую (25 мк) бластулоподобную микросферу, образованную из такого рода смеси. На фиг. 6 представлены два других типа микросфер,
Фиг. 1. Микросферы, полученные при охлаждении Фиг, 2. «Почкующаяся цепь» микросфер (Х900). протеинондного раствора от 25 до 0й.
Видно «почкование» микросфер (X90G).
образованных из протеиноида и гистона. Одна из них имеет «двойную мембрану», другая представляет собой толстостенную полую структуру. Они образовались в растворе гистона в хлористом кальции, в котором обычно происходят типичные изменения размеров
Фиг. 3. Микросферы, полученные путем кипячения протеиноида в воде с последующим охлаждением (X 900).
и структуры оболочек микросферы. На фиг. 7 показана плотная, сетчатая матрица протеиноида, смешанного с гистоном. На фиг. 8 представлен срез залитой в парафин микросферы с толстостенной структурой; толщина среза 5 мк.
Размеры и морфология микросфер чрезвычайно многообразны, причем структура их зависит от внешних условий. Изменения кон-
т. 5. Микросфера, полученная из протеиноида в смеси с одним весовым процентом гистона (X 900).
и гистона в CaClj; видны «двойные мембраны»
(X 900).
концентрации солей или ионного состава вызывают соответствующие изменения в образующихся микросферах. Температура, pH, давление, различная обработка уже образованных микросфер — все это оказывает влияние на их морфологию. Структура микросфер
Фиг. 8. Срез (толщина 5 мк) типичной микросферы, заключенной в парафин
(X 600).
настолько стабильна, что центрифугирование при высоких скоростях, лиофилизация, нагревание и другие воздействия не нарушают целостность микросфер. В то же время простое встряхивание раствора микросфер приводит к образованию фрагментов и к увеличению числа сфер, что при определенных условиях может быть ошибочно принято за деление.
Обсудив морфологические свойства микросфер, перейдем к описанию их химических свойств. Нам удалось показать [8], что в процессе обычного протеиноидного синтеза из аминокислот образуется гуанин; недавно мы показали, что в процессе такого синтеза образуются также жирные кислоты. Все эти факты, а также ряд других данных заставляют считать микросферы крайне интересным объектом для изучения возможных путей образования клеток.
Камень преткновения в наших попытках понять происхождение жизни — невозможность представить себе те процессы, которые являются промежуточными между химической эволюцией и возникновением первой самовоспроизводящейся и метаболизирующей единицы, которая называется клеткой. Мы теперь представляем себе, каким образом отдельные молекулы, необходимые для живой системы, могли синтезироваться в примитивных условиях Земли. Мы можем также представить, как одновременно синтезировалась защитная структура, обеспечивающая высокоспециализированную окружающую среду, наиболее благоприятную для обмена веществ и для самовоспроизведения. Хотя нам, по-видимому, никогда не удастся полностью воспроизвести ту цепь условий, которая привела к возникновению жизни, мы все-таки сможем понять и продемонстрировать возможные пути химической и биологической эволюции. Микросфера (или коацерват) могут отражать какой-либо из этих путей, а могут и не отражать его. Во всяком случае, исследования, проводимые с синтетическими моделями клеток, несомненно, являются по крайней мере столь же надежным подходом к выяснению проблемы происхождения жизни, как, к примеру, препарирование современных клеток, которые в эволюционном смысле отстоят так же далеко от «первых» клеток, как и от продуктов химической эволюции на примитивной Земле. Действительно, поскольку эволюция является своего рода логарифмическим процессом, современная клетка, вероятнее всего, представляет собой весьма сильно измененный вариант своего простейшего предшественника, если, конечно, простейшая клетка со времени своего возникновения не осталась полностью неизменной. Так или иначе, применение микросфер в качестве клеточной или доклеточ-ной модели является рациональным и плодотворным подходом к познанию путей возникновения клеточной жизни.
