Гусев М. В., Минеева Л. А. - Микробиология

После открытия А. ван Левенгуком микроорганизмов именно они стали основным объектом спора о зарождении жизни, поскольку логичным представлялось, что в первую очередь к самозарождению способны наиболее примитивно устроенные живые существа. Сам А. ван Левенгук отрицательно относился к возможности зарождения микроорганизмов из неживой материи.

Английский натуралист Дж. Нидхем (J. Needham, 1713 — 1781) попытался экспериментально ответить на этот вопрос. Дж. Нидхем поставил серию опытов, которые сводились к тому, что он готовил в стеклянных колбах разные настои, кипятил их в течение нескольких минут, затем закрывал обычными пробками. Через несколько дней в сосудах появлялись микроорганизмы. Это привело его к заключению о спонтанном возникновении микроорганизмов из неживого органического вещества, т. е. о возможности самопроизвольного зарождения на уровне низших живых существ.

Опыты Дж. Нидхема повторил итальянский естествоиспытатель Л. Спалланцани (L. Spallanzani, 1729 — 1799). Его опыты внешне не отличались от опытов Дж. Нидхема, за исключением того, что Л. Спалланцани закрывал сосуд пробкой не после, а до кипячения, а само кипячение длилось не несколько минут, как в опытах Дж. Нидхема, а значительно дольше — от 30 мин до 1 ч. В таких сосудах после выдерживания в течение нескольких дней не. было обнаружено никаких микроорганизмов. Л. Спалланцани сделал вывод, что в опытах Дж. Нидхема микроорганизмы в настоях появлялись, или попадая туда из воздуха (поскольку сосуды закрывали обычными пробками после кипячения), или погибали не все первоначально содержавшиеся в настоях клетки из-за недостаточно длительного кипячения. (В первую очередь это относится к наиболее термоустойчивым формам бактерий — спорам.) Л. Спалланцани под микроскопом удалось наблюдать деление микроба на две одинаковые дочерние клетки, каждая из которых также делилась на две клетки. Все сказанное позволило итальянскому ученому утверждать, что и микроорганизмы возникают не в результате самозарождения, а происходят от себе подобных. Выводы Л. Спалланцани, однако, не поколебали веры Дж. Нидхема и его сторонников в самозарождение. Дж. Нидхем объяснил отрицательные результаты, полученные Л. Спалланцани, тем, что тот подвергал свои настои слишком жесткой обработке, в результате которой разрушалась их "жизненная сила".

Окончательный конец спору о самозарождении микроорганизмов положил Л. Пастер. Серией четко поставленных опытов он доказал, что микроорганизмы не возникают самопроизвольно. Особенно изящными были его опыты, проведенные в колбах с S-образными горлами (рис. 48). В такие колбы наливали подсахаренную дрожжевую воду. Если колбы прокипятить, а затем осторожно охладить, то они остаются стерильными неопределенно долгое время, несмотря на то, что не закрыты пробками. Если же удалить S-образный участок горла, то спустя несколько дней в такой колбе будет наблюдаться бурное развитие микроорганизмов. Через S-образное горло непрогретый воздух может легко поступать в колбу, но содержащиеся в воздухе микроорганизмы задерживаются в изгибах горла, оседая в его нижнем колене. После удаления S- образной части горла микроорганизмы прямо попадают в колбу, начинается их быстрый рост. Этим простым опытом Л. Пастер опроверг возражение о разрушении при нагревании таинственной "жизненной силы", содержащейся в питательной среде и в обычном (непрогретом) воздухе. Он неопровержимо доказал, что "самозарождение" в большинстве опытов происходит в результате попадания в стерилизованные питательные среды микроорганизмов из воздуха.

Позднее идеи о самозарождении возникли уже в XX в. по отношению к субмикроскопическим живым частицам — вирусам. Однако и в этом случае было доказано, что вирусы не зарождаются из невирусного материала, а происходят только от себе подобных частиц, т. е. вирусов. Таким образом, хотя теория самозарождения была убедительно опровергнута на разных уровнях организации живых организмов, вопрос о происхождении жизни оставался открытым. Основной вывод, который можно сделать из рассмотренного выше материала, заключается в том, что в настоящее время (имеется в виду отрезок времени достаточной исторической протяженности) спонтанное возникновение жизни невозможно. Однако это не ответ на вопрос о происхождении жизни.

Точно так же не является ответом на вопрос и гипотеза о внеземном происхождении жизни и занесении ее на Землю в виде спор или зародышей с другой планеты34. Эта гипотеза не объясняет первоначального возникновения этих спор или зародышей, а просто истоки жизни выносит в просторы Вселенной. В настоящее время ни у кого не вызывает сомнения возможность существования жизни в других частях Вселенной, однако вероятность занесения на Землю живых организмов из космического пространства не имеет пока никаких подтверждений.

34 В конце XIX — начале XX в. большой популярностью пользовалась гипотеза панспермии, согласно которой живые организмы были занесены на Землю из космического пространства. Особенно привлекательно выглядела идея занесения их с метеоритами или космической пылью. Гипотеза панспермии была сформулирована в 1865 г. немецким исследователем Г. Рихтером (G. Richter) и поддержана С. Аррениусом (S. Arrhenius) и Г. Гельмгольцем (Н. Helmholtz). В наше время эту идею с учетом достижений науки и техники, и в первую очередь освоения человеком космического пространства, модернизировали Ф. Крик (F. Crick) и Л. Оргелл (L. Orgel), предположившие доставку зародышей жизни (микроорганизмов) на Землю из другой, более развитой цивилизации на космическом корабле.

Итак, на вопрос о возможности самозарождения в наше время живых существ из неживой материи был получен отрицательный ответ, и в этом огромная заслуга Л. Пастера. Однако многими современниками Л. Пастера его опыты, опровергавшие возникновение живых существ (микроорганизмов) из неживой материи, были восприняты как абсолютное доказательство полной невозможности зарождения живых организмов из неорганической природы35. Это поставило в тупик тех исследователей, которые видели в самозарождении единственный путь возникновения жизни.

В XX в. внимание к этой проблеме было привлечено советским биохимиком А. И. Опариным и английским исследователем Дж. Холдейном (J. Haldane), которые выдвинули предположение, что жизнь возникла в результате взаимодействия органических соединений, образовавшихся в бескислородных условиях на первобытной Земле. Согласно этой гипотезе, биологический синтез органических веществ происходит только на современном этапе существования Земли. На первобытной безжизненной Земле могли происходить химические (абиогенные) синтезы углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция. В результате этой эволюции имело место постепенное усложнение органических соединений, формирование из них пространственно обособленных систем и превращение последних в предшественников жизни, а затем и в первичные живые организмы. В последующие годы эти идеи получили широкое признание.

Конечно, вопрос о происхождении жизни — проблема общебиологическая. Более того, плодотворное его решение возможно только в комплексе с другими науками, такими как химия, геология, палеонтология, физика. Почему же этому вопросу так много внимания уделяется в курсе микробиологии? На это можно ответить словами К. ван Ниля: "...он (микробиолог) имеет дело с биологическим материалом, по-видимому, достаточно близким к "истокам жизни", и в то же время несет прямую ответственность за тупик, создавшийся вследствие того, что ему не удалось доказать самопроизвольное зарождение".

Условия на древней земле

Возраст видимой нами Вселенной определяют как 10 — 15 млрд лет, а Земля возникла приблизительно 4,5 — 5,0 млрд лет назад. Согласно распространенным представлениям, образование Земли произошло путем аккумуляции холодных твердых тел. Первоначально Земля была довольно однородной и ее последующее изменение происходило в направлении дифференциации исходного гомогенного вещества на кору, мантию и ядро. Этот период, в течение которого происходило формирование Земли как единого твердого тела, завершился примерно 4,6 млрд лет назад. Для понимания процесса возникновения и эволюции жизни необходимо представлять, каковы были условия на Земле, в которых оказалось возможным "самозарождение" жизни. В последующий после сформирования Земли период на ней происходили активные геологические процессы, менявшие ее облик и приводившие к формированию земной коры, гидросферы и атмосферы.

35 Л. Пастер допускал возможность существования каких-то неизвестных условий, при которых могло произойти спонтанное зарождение жизни. В 1878 г. он писал, что не считает самозарождение в принципе невозможным.

На первобытной Земле основная масса воды находилась в связанном гидратированными породами состоянии, поэтому первоначально Мировой океан содержал меньше 10% того количества воды, которое содержат современные океаны. Остальные 90% образовались позднее за счет выделения паров воды из внутренних слоев Земли. Считается, что pH Мирового океана на протяжении всей истории Земли был довольно стабильным, в пределах 8 — 9. Формирование Мирового океана происходило, таким образом, постепенно, в тесной связи с формированием земной коры.

С формированием последней связано и образование атмосферы первобытной Земли, которая принципиально отличалась от современной атмосферы. По существующим представлениям атмосфера древней Земли, т. е. та атмосфера, в которой развивалась жизнь, имела восстановительный характер. Она содержала главным образом водород и его соединения (метан, аммиак, пары воды), в меньшем количестве — сероводород, азот, двуокись углерода и благородные газы. Эта атмосфера была лишена свободного кислорода. Возникновение атмосферы, содержащей O2, произошло значительно позднее и связано с жизнедеятельностью фотосинтезирующих организмов. Отсутствие свободного кислорода в первобытной атмосфере Земли имело принципиальное значение, поскольку органические вещества, образующиеся в этот период, не могли бы синтезироваться и сохраняться на протяжении геологических периодов в присутствии кислорода 36.

36 Получены данные о том, что УФ-излучение Солнца в первый миллиард лет его существования было в 100 000 раз интенсивнее, чем в наши дни. Поэтому первичный механизм образования O2 в предбиологической атмосфере Земли мог быть обусловлен разложением молекул водяного пара и CO2 из вулканических извержений под действием УФ-излучения молодого Солнца. А значит, предбиологическая атмосфера Земли могла содержать в миллион раз больше O2 чем это предполагается. Если эти данные получат подтверждение, возникнет необходимость пересмотреть некоторые из существующих идей о составе первобытной атмосферы Земли и условиях возникновения жизни.

Исходным материалом для синтеза органических веществ служили широко распространенные во Вселенной химические элементы: углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор. Однако синтез биологически важных молекул из этих элементов мог происходить только при условии обеспечения реакций свободной энергией, источником которой на первобытной Земле (как и на современной) были солнечное излучение, электрические разряды, тепловая энергия земных недр и радиоактивное излучение. Наиболее мощный из них — солнечное излучение. Поскольку молекулярный кислород в первобытной атмосфере Земли практически отсутствовал, не было и озонового экрана, существующего в современной атмосфере на высоте примерно 25 км от поверхности Земли и сильно поглощающего коротковолновую часть УФ-излучения. Можно представить, что значительная часть коротковолнового УФ проникала через атмосферу первобытной Земли и достигала ее поверхности, поэтому в условиях древней Земли длинноволновая часть солнечного излучения играла небольшую роль.

ВОЗМОЖНОСТЬ ОБРАЗОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ НА ПЕРВОБЫТНОЙ ЗЕМЛЕ Последовательность процессов возникновения органических веществ разной степени сложности можно представить следующим образом. В результате действия всех видов энергии из химических элементов синтезировались первичные соединения: углеводороды (в первую очередь метан), аммиак, цианистый водород, окись углерода, сероводород, простейшие альдегиды (и прежде всего формальдегид) и т. д. Эти соединения сами по себе не имели биохимического значения. Основным их свойством была высокая реакционная способность. Первичные соединения служили исходными веществами для образования биохимически важных органических соединений — мономеров. Из мономеров путем конденсации возникали полимеры — основные составные компоненты всех живых организмов.

В свое время А. И. Опарин и Дж. Холдейн высказали предположение о возможности моделирования процессов, происходивших на древней Земле. Это можно делать путем создания в лаборатории условий, имитирующих таковые, существовавшие на первобытной Земле. Выдвинутое положение стимулировало разработку экспериментальных подходов к изучаемой проблеме и оказалось весьма плодотворным. В настоящее время ряд процессов абиогенного синтеза сложных органических молекул, входящих в состав клеточных организмов, осуществлен в лабораторных условиях.

Одним из первых в 1953 г. провел опыты по абиогенному синтезу биохимически важных соединений С. Миллер (S. Miller). Через газовую смесь, содержащую метан, аммиак, молекулярный водород и пары воды, т. е. имитирующую атмосферный состав первобытной Земли, он пропускал электрические разряды, а затем анализировал образующиеся продукты реакции. Схема прибора С. Миллера приведена на рис. 49. В реакционную колбу, содержащую смесь газов, были вмонтированы вольфрамовые электроды. В течение недели пропускали искровые разряды напряжением 60000 В. Содержащуюся в другой малой колбе воду поддерживали в состоянии кипения. Пары воды проходили через реакционную колбу и конденсировались в холодильнике. В процессе циркуляции они захватывали из реакционной колбы продукты реакции и переносили их в ловушку, где и осуществлялось их концентрирование. При идентификации продуктов реакции были обнаружены аминокислоты (глицин, a- и b-аланин, глутаминовая, аспарагиновая кислоты и др.) и органические кислоты (муравьиная, уксусная, пропионовая, гликолевая, молочная). По данным С. Миллера, основными первичными продуктами реакции в зоне разряда являются альдегиды и цианистый водород. Вторичные реакции, происходящие в водной фазе, приводят к образованию из них аминокислот и органических кислот.

В настоящее время в разных лабораториях осуществлен абиогенный синтез многих биологически важных мономеров. Большая информация получена относительно абиогенного синтеза аминокислот (табл. 14). Перечисленные в таблице аминокислоты образуются в простых по составу газовых или водных смесях в результате воздействия на них разными источниками энергии. При некотором усложнении реакционной смеси введением в нее C2-, C3-углеводородов, уксусного альдегида, гидроксиламина, гидразина и других соединений, образование которых легко происходит в условиях первобытной Земли, синтезируется значительно большее число аминокислот, в том числе и таких, которые не были обнаружены в качестве продуктов реакции в газообразных и водных смесях простого состава. Экспериментально доказано, что почти все аминокислоты, входящие в состав природных белков, можно получить в лаборатории при имитации условий первобытной Земли.

Таблица 14. Абиогенный синтез аминокислот

В разных условиях и при воздействии разными источниками энергии из формальдегида абиогенным путем удалось синтезировать приблизительно 30 видов моносахаров (гексоз, пентоз, тетроз, триоз). Абиогенный синтез низших жирных кислот был обнаружен уже в опытах С. Миллера. Синтез жирных кислот, содержащих до 12 углеродных атомов, продемонстрирован после воздействия электрическими разрядами на смесь метана и воды. Абиогенное образование пуриновых оснований ввиду относительной сложности строения их молекулы представлялось весьма сомнительным. Однако испанский исследователь Дж. Оро (J. Oro) показал возможность синтеза аденина при нагревании водного раствора смеси HCN и NH3. Позднее были получены абиогенным путем и другие пуриновые основания. Удалось также синтезировать урацил из простых органических молекул.

Важный шаг на пути химической эволюции — синтез нуклеозидов и нуклеотидов, и в первую очередь адениновых. Американскому биохимику К. Поннамперума (К. Ponnamperuma) удалось показать, что при УФ-облучении смеси водных растворов аденина и рибозы при температуре 40° в присутствии фосфорной кислоты происходит реакция конденсации, приводящая к образованию аденозина. Если реакцию проводить при добавлении к реакционной смеси этилметафосфата, имеет место образование также и нуклеотидов: АМФ, АДФ, АТФ. Функция фосфорных соединений в этих химических синтезах двоякая: они играют каталитическую роль и могут непосредственно включаться в продукты реакции. Абиогенный синтез АТФ, представляющий собой результат нескольких относительно простых химических реакций, говорит о возможном раннем появлении этого соединения. Первые живые структуры могли получать АТФ из окружающей среды.

Следующий этап предбиологической эволюции — дальнейшее усложнение органических соединений, связанное с полимеризацией мономеров. Все живые клетки состоят из четырех основных типов макромолекул: белков, нуклеиновых кислот, липидов и полисахаридов. Из них белки и нуклеиновые кислоты являются самыми сложными веществами клетки.

С. Фоке (S. Fox) осуществил абиогенный синтез полипептидов, состоящих из 18 природных аминокислот, с молекулярной массой от 3000 до 10000 Да. Особенностью первичной структуры этих полимеров была обнаруженная у них определенная последовательность аминокислотных остатков в цепи, обусловленная, вероятно, структурными особенностями самих аминокислот. Полученные полимеры обладали многими свойствами, сближающими их с природными белками: служили источником питания для микроорганизмов, гидролизовались протеиназами, при кислотном гидролизе давали смесь аминокислот, обладали каталитической активностью и способностью к образованию микросистем, отграниченных от окружающей среды мембраноподобными поверхностными слоями. Из-за большого сходства с природными белками полипептиды, синтезированные С. Фоксом, были названы протеиноидами (белковоподобными веществами).