Глава 9 Произход на живота

Вследствие на ерозията и движението на земната кора геологичните следи на първия милиард от съществуването на нашата планета са потънали в забрава, изчезнали в дълбочината на мантията заедно с кратерите, образувани от удари с метеорити. Без съмнение такива сратери са покривали повърхността на Земята, както те и досега покриват повърхността на Меркурий, Венера, Марс и Луната. Движението на земната кора преди всичко се предизвиква от конвективни потоци в мантията, източник на енергия за които служи разпада на радиоактивните изотопи в недрата на Земята. Изчезнала е не само първичната кора; дажи съвременната конфигурация на континентите е възникнала сравнително неотдавна, защото само 200 млн. години назад континентите са били значително по-близо един до друг.

Но може частично да се реконструира ранната история на Земята, използвайки знания (разбира се ограничени) за образуването на планетите. Първичната Земя, както си я представяме, била твърдо сферично тяло със същите размери и химичен състав, както и съвременната, но с голяма скорост на отделяне на топлинна енергия вследствие разпада на радиоактивните изотопи. Най-важните за живите организми различия между Земята днес и 4 млрд. години назад се заключават в измененията на нейната атмосфера. Тези изменения трудно се поддават на реконструкция.
Как Земята е придобила атмосфера
Очевидно, Земята е достигнала сегашните си размери чрез акреция (натрупване), т.е. слепвания една с друга на частици с по-малки размери вътре в протопланетния облак, от който се е формирала Слънчевата система. Тъй като основната част на този свиващ се газово-прахов облак е водород, много учени предполагат, че той трябва да съставлява значителна част от първичната атмосфера на Земята. Голям брой свободни атоми и молекули водород, готови да встъпят в реакции с други молекули, образуват среда, която химиците наричат възстановителна. Традиционната картина на първичната атмосфера на Земята представлява смес от такива газове, като метан, амоняк, водни пари и молекулярен водород. Такъв състав имат сегашните атмосфери на планетите – гиганти Юпитер и Сатурн, където първичните условия са се съхранили до наши дни.

Като изучавали разпространеността на инертните газове: неон, аргон, ксенон и криптон, които съставляват нищожна част от нашата атмосфера, и внимателното изследване на древните скали, учените получили данни, че Земята вероятно никога не е придобивала атмосфера от газово-праховия облак, от който са сформирани планетите. Образуването на планетите в процеса на акреция е протекло така, че към Земята последно се е присъединило твърдо вещество, богато на летливи елементи. По състав то трябва да напомня на веществото на някои метеорити и комети, които днес съществуват в Слънчевата система. Летливите елементи, най-леките и лесно изпаряващи се, включват въглерод, азот и кислород, които се явяват съставна част на съвременната атмосфера и самия живот.

В съответствие с тези представи за формиране на нашата планета, външните слоеве на Земята (и другите планети от земната група), наситени с летливи елементи, съдържали голямо количество атоми или молекули водород не в чисто, а в свързано състояние в състава на други молекули, например вода. Нагретите при ударите с формиращата се Земя частици на веществото в последните стадии на акрецията загубили летливите елементи, от които пък се образувала първичната атмосфера. Ултравиолетовото излъчване на младото Слънце разрушавало някои молекули. Този процес, наречен фотодисоциация, наред с химичните реакции на газовете с първичната земна кора, е могъл да доведе до образуване на слабо възстановителна атмосфера, състояща се от въглероден оксид, въглероден диоксид, азот, вода и неголеми количества водород. Ние намираме данни, свидетелстващи в полза на слабо възстановителна първична атмосфера против силно възстановителна, извънредно богата на водород, в геологическата история на Земята. Даже древните скали с възраст около 3,8 млрд. години не дават свидетелства за богата на водород атмосфера, която се описва от традиционните модели.

Независимо от това била ли е първичната атмосфера на Земята силно възстановителна в съответствие с традиционната гледна точка или слабо възстановителна, според по-съвременните виждания, на нас нещо ни е известно за това, как се е менил нейния химичен състав с времето. Първо, атомите и молекулите водород е трябвало да напуснат Земята през първите стотици милиони години, защото силата на привличане на планетата е била недостатъчна за тяхното удържане. Водородът, влизащ в състава на по-тежките молекули, например водните пари, е останал, но свободният водород е излетял на ранен етап от историята на Земята. Второ, каквато и да е била първичната атмосфера, тя скоро е изменила химичния си състав вследствие на отделяне на газове от земната кора, нагрята в резултат на разпада на краткоживущи радиоактивни изотопи, съдържащи се в недрата на планетата. Отделянето на летливи елементи, което в значително отслабена форма протича и сега от вулканите, внесло в атмосферата голямо количество водна пара, въглероден диоксид, азот и въглеродни окиси. Така, практически цялата вода на съвременните океани се е отделила от скалите на образуващата се земна кора и горната мантия на Земята.

Скоро след образуването на Земята нейната атмосфера се е състояла основно от водна пара, азот, съединения на въглерода и кислорода и малки количества водород. След излитането на голяма част от водорода става важно изменение: в атмосферата се образува достатъчно озон, за да се екранира повърхността на Земята от ултравиолетовото излъчване на Слънцето. Всяка молекула озон се състои от 3 атома кислород, докато молекулата на кислорода се състои от 2 атома. Под влияние на ултравиолетовото лъчение молекулите на водата се разпадат на атоми водород и кислород. Молекулите на водорода остават в атмосферата, а свободните атоми кислород бързо встъпват в реакции помежду си. Докато водорода излита от Земята, в атмосферата се образуват молекули на кислород и озон в количества, макар и неголеми, но достатъчни, за да се прегради пътя на ултравиолетовото лъчение към повърхността на Земята. Молекулите на озона толкова силно поглъщат ултравиолетовото лъчение на Слънцето, че даже неголямо съдържание на озон ни предпазва от разрушителните за живота потоци на това лъчение.

Така като говорим за по-късната атмосфера, наред с водната пара, въглеродния диоксид, азота и въглеродния оксид, трябва да включим и малко количество кислород (може би по-малко от 1%) и още по-малко, но играещо важна роля количество озон. Но тази атмосфера, очевидно, е още далеч от съвременната земна атмосфера, състояща се основно от молекули азот и кислород с малки добавки на водна пара и въглероден диоксид и почти несъдържаща въглероден оксид. Кое е предизвикало тези промени?

Разгледахме как първичната атмосфера на Земята се е изменяла под действие на ултравиолетовото лъчение, химичните реакции, дегазацията и излитането на водорода. В резултат въглеродният диоксид, азота, водорода и въглеродния оксид се сменили със смес от азот и кислород – въздухът, който сега дишаме. Водните пари (наред с океаните) вероятно са съществували през цялата история на Земята. Да се опитаме сега да проследим пътя на развитие на живота в изменящата се земна атмосфера, най-големите изменения на която са предизвикани от самият живот.

Човешката интуиция при разглеждане на произхода на живота често е склонна да предполага вмешателство отвън. Струва ни се, че някаква сила или носител на сила осъществява това. Изхождайки от закона за причинната връзка в ежедневния живот, много хора дълбоко в душата си допускат, че нещо „живо” трябва да е съществувало до появата на живота на нвашата планета. По подобен начин в повечето религии появята на живота се обяснява с вмешателство отвън, обикновено на божествено всемогъщо същество.

Някои учени, все още вярващи в съществуването на някаква сила, смятат, че животът възниква навсякъде във Вселената. Така хипотезата за панспермията, развита в 1903 от Сванте Арениус, предполагала, че животът се пренася чрез спори през междузвездното пространство и отвреме навреме попада на планети, където започва размножаване и еволюция. С анализирането на опасностите обаче в космическото пространство хипотезата за панспермията става все по-малко вероятна. Въздействието на високоенергетичното ултравиолетово и рентгеново лъчение и космичните лъчи в междузвездното пространство би се оказало смъртоносно за зародишите на живот, блуждаещи в течение на милиони години от една планетна система към друга. Освен това хипотезата за панспермията не отговаря на въпроса, чийто отговор търсим. Ако Земята беше замърсена със спори от космическото пространство, откъде са се взели те? Накрая, относителното съдържание на редки елементи в живите организми е толкова близо до тяхната концентрация в морската вода, че е естестествено да насочим мислите си по-скоро към земния произход на живота на нашата планета.

Модел на химична еволюция

Как е възникнал животът? Многобройните лабораторни експерименти показали, че в богата на кислород атмосфера, която сега ни обкръжава, химичните съединения, влизащи в състава на всички живи системи, не биха могли да възникнат чрез спонтанни химични реакции. Ако прехода от нежива към жива материя е настъпил на Земята, то оттогава условията съвършено са се променили. Това изискване добре се съгласува с това, което знаем или можем да предполагаме за условията на древната Земя.

Ако се приеме традиционната гледна точка, според която първичната атмосфера на Земята се е състояла от молекули метан, амоняк и водород, а също и способна да кондензира водна пара, лесно е да се покаже, че в такава среда образуването на органични молекули е твърде вероятно. Енергията, необходима за протичането на химичните реакции с образуване на органични молекули, може да се почерпи от различни източници, но основно от Слънцето. Слънчевото ултравиолетово лъчение свободно е достигало повърхността на първичната Земя, тъй като все още не е съществувал защитния слой озон. Така фотоните с висока енергия са били основен източник на енергия, но енергия е можело да се получи и от искрови разряди при буря, местни геотермални източници (горещи извори и вулкани), от разпада на радиоактивни изотопи в скалите, падане на метеорити.

По ирония на съдбата слънчевото ултравиолетово излъчване, което способствало за зараждането на живота, сега разрушава много молекули, необходими за живите организми. Но този парадокс е само привиден; възниквайки, органичните молекули са могли да паднат от атмосферата с дъжда във водоемите; или са могли да се образуват на границата между вода, суша и въздух, а след това да отидат по-дълбоко във водата. Само няколко метра чиста вода или тънък слой от други органични молекули са способни да обезпечат надеждно екраниране от слънчевото ултравиолетово лъчение.

Традиционната научна картина на възникване на живота на първичната Земя включва спонтанно образуване на сложни молекули от атмосферни газове и последващо натрупване на тези молекули във водоемите. Някои химични реакции биха могли да се ускорят с каталитичното действие на частици от почви с подходящи активни повърхности. Дъждовната вода е помогнала да се пренесат продуктите от реакциите в блата, езера и запълнените с вода след приливи вдлабнатини на океанските брегове. Тези водоеми били богати на органични съединения и разтворени минерални вещества и вероятно са служили за хранителна и защитна среда и където молекулите взаимодействали по случаен начин дотогава, докато някои реакции не довели до образуване на съединения, които биха могли по някакъв начин да ръководят образуването на други молекули. Частиците глина на бреговите краища на басейните биха могли да способстват обединяването на малки молекули в по-големи. Предсказването на ролята на водоемите, запълвани по време на приливи със смес от важни за зараждането на живота съставки се съдържа в концепцията на Дарвин за „топлите водоеми”, в които би мотъл да възникне живот.

По-късно Холдейн и Опарин независимо развили този модел, разглеждащ първичните океани на Земята като течна органична отвара, първичен хранителен бульон, в който биха могли да се формират по-сложни молекули.

В 1953 г. Миллер и Юри експериментално изследвали този модел на възникване на сложни молекули. В голяма колба се моделирала атмосферата на първичната Земя, т.е. смес от метан, амоняк, водород и водна пара. За източник на енергия служил електрически разряд, но би могло да се използва и ултравиолетово лъчение. Водата в долната колба моделира водоем на повърхността на Земята. Нагревател и хладилник обезпечават циркулацията на водни пари в системата, моделирайки водоем от който се изпарява водата, попада в атмосферата, а след това кондензира и се връща на Земята във вид на дъжд заедно с химични съединения, възникнали в атмосферата. Технически този експеримент достатъчно добре възпроизвежда условията на първичната Земя, макар в системата да няма еквивалент на богатата с минерали повърхност на планетата. Какво ще стане, ако се включи източникът на енергия и започне експеримента? След няколко дни в колбата с вода се образуват органични молекули. Химичният анализ на сместа дал вълнуващ резултат: освен големият брой неотъждествени органични „шлаки” се образували аминокиселини, в това число глицин и аланин, а също и много други органични съединения. Процесът на образуване на глицин може да се опише по следния начин:

Една молекула амоняк+две молекули метан+две молекули вода+енергия =

= една молекула глицин + пет молекули вода

NH₃ + 2СН₄ + 2Н₂0 -► C₂H₅0₂N + 5Н₂.

По аналогичен начин при експеримента става образуване на други аминокиселини. Ако си спомним, че един от основните процеси на жизнената дейност се заключава в синтез на белтъчини от аминокиселини, може да се каже, че образуването на аминокиселини е голяма крачка от неживата материя към живота и потвърждава идеята, че основните съединения, влизащи в състава на живите организми, могат да се образуват при условията, съществували на първичната Земя и подобни на нея планети в други планетни системи. Още една илюстрация за лекотата, с която тези съединения могат да възникнат в естествени условия е откриването на аминокиселини в метеоритите. Разбира се, в съвременния живот аминокиселините не попадат в нас от метеорити или в резултат на лабораторни експерименти, подобни на опита на Миллер – Юри. Те възникват в живите системи, в което лесно се убеждаваме чрез изследване на симетрията на молекулите на аминокиселините.

Аминокиселините, открити в експеримента на Миллер – Юра, съдържат еднакъв брой ляво- и дясновъртящи молекули. Но както стана дума преди в живите организми аминокиселините в белтъците се отнасят изключително към лявата форма. Очевидно животът на Земята по време на своето формиране е избрал една от двете възможни форми и оттогава се придържа към този избор. Такъв избор дава преимущество, тъй като обезпечава по-точно програмиране на структурите на по-сложните от аминокиселините молекули.

Следователно, животът, ако той използва аминокиселини, винаги е длъжен да избере една от формите. Това ни дава добър метод да различаваме молекулите, възникващи при биологичните процеси или по небиологичен път. В последния случай винаги възниква равна смес молекули от лява и дясна форма., докато молекулите с биологически произход предпочитат лявата форма.
Действително ли животът е възникнал по такъв начин

Да се върнем от химичните лаборатории на първичната Земя. Ние разгледахме възможните начини за образуване на белтъчни строителни блокове. А какво може да се каже за липидите, въглехидратите и нуклеиновите киселини?

Известно ни е, че в в експеримента на Миллер – Юра са се образували някои най-прости мастни киселини: оцетна, мравчена и пропионова. Мастните киселини помагат за образуване на мазнините (липидите), затова отново придобиваме увереност, че сме на прав път. Но след този триумф картината става по-малко ясна.

От обсъждане на свойствата на ДНК знаем, че тя съдържа захари – дезоксирибоза, четири основи: аденин, гуанин, тимин и цитозин, а също фосфат-фосфорна киселина. В РНК мястото на тимина се заема от урацил. Нито едно от тези вещества не се образува в експеримента на Миллер – Юра, но по принцип може да се получи формалдехид, цианоацетилен, цианиден водород и карбамид. Тези съединения позволяват да се направи още една крачка по планирания път. Ако се нагрее формалдехид в алкален разтвор или в присъствие на глина, то се образува захар. Така получаваме въглехидрати и сме на път към създаване на една от ключовите структури в нуклеиновите киселини. По-нататъшни реакции с участие на циановодород могат да дадат аденин, а карбамид и цианоацителен реагират с образуване на цитозин. Що се отнася до фосфатите, те вероятно се появят при климатичните влияния на скалите, а след това се отнасят от оттоците във водоемите; тези процеси вървят и в днешно време. Но досега не е намерил начин да създаде от тази смес всички необходими съединения на строителните блокчета. Може би ние просто не знаем подходящата химична реакция или ни е необходимо друго съчетание на специални локални условия, за да се завърши картината. От друга страна, при нашите разсъждения може да сме тръгнали по неправилния път и е възможно да ни е нужна съвсем друга химична система за зараждане на живота.

Основният сценарий на експеримента на Миллер – Юра се оспорва от учените, които смятат, че атмосферата на Земята никога не е съдържала толкова много водород, както в сместа от газове при експериманта. Но Абелсон със сътрудници показали, че сложните органични молекули могат да възникнат даже в слабо възстановителна атмосфера, съдържаща малко свободен водород. Например, ако се облъчи с ултравиолетово лъчение смес от въглероден диоксид, въглероден оксид и азот, с добавка на неголямо количество водород, се образуват циановодород и вода. Молекулите на циановодорода, реагирайки една с друга в алкални разтвори (ранните океани), могат в присъствието на ултравиолетови фотони да образуват аминокиселини. При тази реакция се произвежда също цианамид. Цианамидът може да свързва аминокиселините една с друга, което се явява първата крачка към образуване на белтъчини в слаб разтвор на смес от цианамид и аминокиселини при облъчване с ултравиолет. На езика на химията може да се запише:

Три молекули циановодород + две молекули вода + енергия =

=една молекула глицин + една молекула цианамид

Или

От тези експерименти следва, че извънредно богатата на водород среда при опитите на Миллер – Юра не е задължителна на първите етапи на образуване на съединенията, важни за живите организми. По-съществено изискване по-скоро представлява отсъствието на свободен кислород в атмосферата.

По-нататъшните експерименти трябва да се провеждат с по-реалистични модели на условията на първичната Земя. Може до някаква степен да се провери „реалистичността” на тези модели с помошта на математически разчети, моделиращи образуването на нашата атмосфера и химичните реакции с участието на предполагаемите компоненти на атмосферата и съединенията на повърхността на Земята. Нужно е също така да се моделира преодоляването на гравитационното поле на Земята от леките молекули. Но тези математически модели, макар и да можем да ги изчислим с голяма скорост, са добри дотолкова, доколкото е известен списъкът с компонентите и възможните химични реакции с тяхно участие. С други думи, изчисленията могат да дадат еднозначен отговор само в случай, че имаме пълните изходни данни, но ние просто не знаем всички факти и условия, отнасящи се до живота на първичната Земя. Това твърдение е верно и по отношение на опитите да се пресъздаде произхода на живота не с помощта на математически модели, а експериментално. Преимуществото на експеримента е в това, че той говори сам за себе си, но как да се постави удовлетворителен експеримент без да се знаят всички характеристики на обкръжаващата среда. В най-добрия случай може да се покаже, че някои смеси и някои процеси дават правдоподобни резултати и в този ограничен смисъл е достигнат определен успех.

За да се покаже огромното разнообразие от възможни условия на първичната Земя, ще постулираме съвършено друг сценарий за произхода на живота. През първите стотина милиона години от своята история всички планети от земната група трябва да са били подложени на интензивна бомбандировка от метеорни тела с всевъзможни размери и даже от комети. Но ние предполагаме, че животът е възникнал на Земята именно в този период. Могла ли е метеоритната бомбандировка да изиграе някаква роля в произхода на живота? На Меркурий и Луната отсъствието на атмосфера не би позволило да оцелеят никакви сложни органични молекули, ако те са се намирали на бомбардиращите тела. Тези молекули мигновено биха се разрушили при удара на метеорита в повърхността на планетата. Но първичната Земя е имала достатъчно мощна атмосфера, за да забави движението на значителна част от падащите на нея тела. Така органичните съединения, включително аминокиселините, са могли да достигнат повърхността на Земята неповредени. Това несъмнено би могло да послужи за начало на предбиологични химични процеси на Земята, Венера и в по-малка степен на Марс. Може да се допусне аналогичен процес на всяка твърда планета при условие, че е имала първична атмосфера.

Лесно можем да си представим също възникването на органични молекули във водоемите, образуващи се в резултат на зъпълване с вода на вдлъбнатините на повърхността на планетата. Самите кратери, получени от ударите на метеоритите, са могли да послужат за място на по-нататъшни реакции. Непрекъснатото постъпление на водород се обезпечавало от разрушаването на органичните съединения, донесени от метеоритите. Тези постъпления частично компенсирали излитането на водорода от горната атмосфера на Земята. По такъв начин средата, съдържаща свободен водород, е могла да съществува по-дълго, отколкото обикновено се предсказва без отчитане на тези съображения.

Полимеризация

Кометният или метеоритният вариант не внася радикални промени в нашия подход към въпроса за възникване на живота. Този подход, както преди, се свежда до разглеждане на спонтанни химични реакции между възможни съединения. Да си спомним на какво се спряхме. Ние обсъдихме само образуването на компонентите, от които се състоят белтъчините, мазнините и нуклеиновите киселини. Как от тях да се получат тези значително по-големи молекули? В крайна сметка молекулите ДНК и белтъците са полимери, т.е. дълги вериги, в които основното съчетание се повтаря отново и отново. Така задачата се състои в това да накараме молекулите да се обединяват в повтаряща се структура, т.е. да се осъществи процес на полимеризация. В случая с ДНК процесът трябва да доведе до развитие на удивителната двойна спирала. Как всичко това е станало? Ние не знаем. Никой още не е направил полимеризация от посочените съединения в естествени условия. Може да се сложи ДНК в подходаща среда и тя ще почне да се възпроизвежда, но досега не се е отдало да се осъществи самопроизволна поява на първична ДНК, макар да ни е известен нейният състав и строеж.

Първичното формиране на ДНК и другите полимери си остава една от най-големите загадки, която предстои да се решава от експериментаторите, за да се възпроизведат химичните реакции на първичната Земя. Съвременните теории предполагат, че решаваща роля за поддържане на процеса на полимеризация, който е предшествал появата на клетките, може да е изиграла глината. Общоприетият модел, който ползват биолозите, предполага, че молекулите са започнали да се самоорганизират на повърхностите на частици глина близо до брегове на водоеми, които периодически замръзвали или изсъхвали. Това замръзване или изсъхване способствало за повишаване на концентрацията на разтворите от органимни съединения и помагало за отстраняване на молекулите на водата, които се появят при полимеризация. Значението на глинестите материали е в това, че те притежават най-голяма сумарна повърхност на съставните им зърна от всички известни ни тънкозърнести материали, а структурата на кристалните решетки на частиците глина е добре приспособена за отлагане на разнообразни органични съединения на повърхността на зърната. Структурите на атомните решетки в глинестите минерали са могли да послужат за подреждането на органимното вещество и образуване на дълги вериги.

Експериментите показали, че глинестият минерал, наречен монтморилонит, действително може да построи във верига важни съединения, например аденозин и гуанин, способствайки за тяхната полимеризация. Освен това с този минерал взаимодействат захарта, мастните киселини, аминокиселините и белтъчините. Монтморилонитът е широко разпространен на Земята. Друг подобен минерал, нонтронит, представлява най-добрият модел на марсианската почва. Минерали от типа на глината могат също да се срещнат в праховите частици в междузвездната среда, където помагат за образуването на органични молекули, открити от радиоастрономите. На Земята глините се срещат преимуществено на брега дъното на водоемите, тъкмо там където би следвало да бъдат, за да помогнат на процеса на полимеризация в началния етап на историята на нашата планета.

Да обобщим нашите опити за разбиране на произхода на живота на Земята. Ние разгледахме следните етапи:

1. 
   Първичната атмосфера, съдържаща няколко процента водород при отсъствие на свободен кислород.
   
2. 
   Образуване на течен „хранителен булъон” от органични съединения и фосфати благодарение на ултравиолетовото излъчване на Слънцето, електрически разряди при бури и други източници.
   
3. 
   Образуване в този „бульон” на нови съединения в резултат на продължаване на химичните реакции, поддържани от локални източници на топлина, а също навлизане в плитките води, изпарение и замръзване на водоемите.
   
4. 
   Образуване на полимери вероятно на повърхността на частици глина.
   

Стадият на образуване на полимерите се намира на прага на възникване на живите системи. Но ние не знаем как природата е преодоляла пропастта между неживата и живата материя. Напълно е възможно да са възникнали много различни структури и много от тях да са „преуспяли” в процеса на възпроизвеждане. Може да се даде общо определение за „живот” на този етап на развитието му като система, способна към възпроизвеждане. Към този момент е бил достигнат значителен прогрес. А по-рано е могъл да настъпи случаен синтез на белтъчина, обусловен от съществуването на полимери, далечно напомнящ съвременната РНК. Образуването на полимераза, т.е. белтъчина, която е способна да произведе нова РНК от първичната, би могло да открие пътя към успешното развитие на живота. Вероятно първите опити за възпроизвеждане са били случайни и крайно несъвършени в сравнение със съвременния механизъм, включващ ДНК. Ранната форма на генетичния код вероятно е имала по-малко ограничения и просто е била способна да различава видове аминокиселини, а не да избира определени аминокиселини.

Всичко това е протичало не вътре в живи клетки, както в съвременните живи системи, а във водоемите, където са протичали началните химични реакции. Решаващите събития, които са довели до развитие на клетки, т.е. ограничени от мембрани области, вътре в които могат да взаимодействат органичните молекули, остават неясни. Но ние знаем, че органичните полимери при висока концентрация могат да се обединяват и да се отделят от разтвора във вид на капка. Такива капки, наречени коацерватни, са могли да послужат за прототипи на клетките. Ако съществуват подходящи молекули във вид на дълги вериги, те ще се стремят да образуват мембрана, която обкръжава коацерватните капки. Лабораторните изследвания на коацерватните капки показали, че при подходящи условия те могат да образуват системи, вътре в които протичат прости химични реакции. Но на никого още не се е отдало да създаде самоподдържаща се система, която би могла да служи като модел на първите клетки.

При друг подход към проблема учените показали, че в изкуствени „първични” среди от аминокиселини се развиват белтъкоподобни полимери, които при нагряване в определен режим образуват сферули, по размери и вид наподобяващи клетки. Такива експерименти в крайна сметка илюстрират възможности за по-нататъшна организация на веществото, даже те да не отразяват точно пътя към развитие на клетките.

Следващата крачка към съвременния живот би било образуване на самовъзпроизвеждаща се система в границите на тези протоклетки, способна да управлява, поддържа и размножава всички клетки.

Изхождайки от това предположение, можем да стигнем до това най-високо ниво на организация на веществото, която се е реализирала на съвременната Земя. Такива първични организми наподобяват съвременните вируси. Това не означава, че вирусът на грипа е „живо изкопаемо”, каквото би бил динозавър, намерен на някой забравен остров (или в дълбините на езерото Лохнес). Съвременните вируси показват добра приспособимост към своите хазяи, а хазяите са се появили на Земята неотдавна. Действително, някои данни свидетелстват за това, че всички вируси са произлезли от клетките, следователно, в процеса на еволюция на живота клетките са се появили по-рано от вирусите. Но по своята структура и функции вирусите много напомнят на нашите хипотетични първични организми: и едните и другите се състоят от нуклеинови киселини в белтъчна обвивка и могат да преживеят дълги периоди в „зимен сън”.

Опитвайки се да установим как е възникнал животът на Земята, трябва да изходим от това, че той се е зародил преди 3,4 млрд., а може би и 4 млрд, години, когато условията на Земята фундаментално са се различавали от съвременните. Геологическите следи от тази ранна епоха са изчезнали, затова ни се налага да допълваме съществуващите данни с дедуктивни предположения, за да оценим условията на първичната Земя.

Химичният състав на живата материя свидетелства за това, че животът е започнал на Земята в условия на значително по-низко съдържание на кислород, отколкото сега. Това предположение е разумно, тъй като основната част от кислорода в нашата атмосфера се е появил благодарение на фотосинтезата на зелените растения, което е започнало примерно преди 2,5 млрд. години. Първичната атмосфера на Земята може да се състои преимуществено от съединения, богати на водород, такива като метан и амоняк, или както свидетелстват по-късни данни, може да представлява смес от въглероден диоксид, водна пара, въглероден оксид и азот. Експериментите показват, че ако всяка от тези смеси от газове поставим над съд с вода (имитираща първичните океани) и подложим на ултравиолетово облъчване (имитиращо слънчевата светлина, достигаща Земята при отсъствие на съвременния озонов слой), то се образуват прости органични молекули. Сред тези молекули се срещат аминокиселини, които са основните блокчета на по-сложните белтъчни молекули. При лабораторните експерименти възникват и други съединения, също важни за образуване на малки молекули, открити в живите организми.

Някои малки органични молекули, образувани по такъв начин на първичната Земя, могат да се съберат във водоеми, където от тях се формират дълги вериги, характерни за белтъчините и нуклеиновите киселини. В тези вериги, или полимери, основната структура се повтаря отново и отново. Най-добрият начин за развитие на полимеризацията се явява отлагането на малки молекули върху частици глина, които след това се подлагат периодично на замръзване и размразяване или на изсъхване и овлажняване.

С преминаването на различните видове молекули през тези стадии са възникнали първите самовъзпроизвеждащи се молекулярни структури, способни да се размножават чрез делене. Това може да бъде резултат от естествения процес на проби и грешки, при който са възникнали всички разновидности молекули. Полимерите, способни на възпроизвеждане, притежават огромни преимущества в сравнение със случайно образуващите се, затова не е чудно, че основният механизъм за възпроизвеждане, заложен в ДНК, е характерен за всички земни организми.