В 1929 г. английский биохимик Джон Холдейн независимо от Опарина разработал и обосновал во многом сходный сценарий происхождения и формирования жизни. Поэтому, несмотря на расхождения в деталях, данная модель биохимической эволюции вошла в историю науки под общим названием «модель Опарина-Холдейна». Огромным достоинством этой модели является то, что процесс возникновения жизни представал в ней как закономерный, а не чисто случайный, и был предложен конкретный механизм превращения огромной массы случайностей в устойчивую закономерность зарождения живого вещества.
Исходным пунктом разработки модели Опарина-Холдейна явился анализ химического состава древнейших осадочных пород возрастом до 3 млрд. лет, открытых к этому времени геологами. Важнейшей характеристикой этих пород было отсутствие окисления вследствие отсутствия самого окислителя – атмосферного кислорода и преобладания восстановителя – атмосферного водорода. Отсутствие окисления обеспечивало сохранность молекулярных структур, возникших в огромном количестве в виде разнообразных наборов и находившихся у истоков формирования жизни. Именно наличие окисления, по Опарину, является непреодолимым препятствием для самопроизвольного возникновения живого из неживого в настоящее время. Первичные микроорганизмы, возникшие в первобытном океане, усваивали углеводы посредством брожения, а не дыхания.
Соответственно в модели Опарина-Холдейна выстраивались этапы самопорождения жизни. На первом этапе происходила химическая эволюция на основе первичной атмосферы, включавшей водород, метан, аммиак, водяной пар, но почти не содержавшей кислорода. На втором этапе, опираясь на достижения первого этапа, стартовала предбиологичская – биохимическая и микроструктурная – эволюция в водах океана, которые обеспечивали защиту возникших структур от жёстких космических излучений и создавали растворы для интенсивного хода биохимических реакций. На третьем этапе пребдиологическая эволюция перерастает в биологическую. Она начинается в океане, но затем завоёвывает и сушу. Такая общая схема жизнепорождающей эволюции является значительным достижением модели Опарина-Холдейна. Важнейшим концептуальным стержнем этой модели явилось представление о длительном, последовательном, поэтапном процессе зарождения живой материи в недрах неживой и о возникновении сложных органических соединений из простых.
Согласно модели Опарина, жизнь возникла на основе высококонцентрированного раствора химических веществ, так называемого «первичного бульона» под воздействием ультрафиолетового облучения Солнца, обеспечившего процесс биогенеза необходимой энергией. Органические вещества стали создаваться в первобытном океане из простых неорганических соединений. Их накопление и привело к образованию «первичного бульона», в котором некоторые органические молекулы (в том числе и молекулы белков) стали создавать вокруг себя гидратную оболочку и образовывать так называемые гидрофильные («любящие воду», водолюбивые) комплексы. На этой основе происходит образование так называемых коацерватных капель, способных поглощать и избирательно накапливать различные соединения. Слово «коацервация» в переводе с латинского означает «собирание», «образование сгустков».
Процесс образования биохимического порядка из предбиологического хаоса протекал, по Опарину, следующим образом. В некоторых зонах первобытного океана возникали случайные химические реакции. Большая часть их быстро прекращалась с исчерпанием исходного сырья. Но в хаосе химических реакций воспроизводились реакции циклического типа, обретавшие способность к самоподдержанию в замкнутых циклах при постоянном поступлении энергии извне и обмене веществом с окружающей средой.
Такие взаимодействия запустили механизм предбиологического отбора, а вместе с отбором и совершенствованием комплексов химических реакций начались отбор и совершенствование органических молекул, принимавших участие в этих реакциях. На границе между коацерватами и окружающей их средой встраивались молекулы липидов (жиров), на основе которых образовывались полупроницаемые мембраноподобные структуры. Такого рода защитные оболочки обеспечивали стабильность возникших комплексов.
Однако каждое такое образование проходило проверку на устойчивость в процессе предбиологического биохимического отбора. Выдержавшие конкуренцию коацерватные капли росли, а все прочие распадались и пополняли химическую среду первичного бульона, из которой образовывались новые коацерваты.
Каждая коацерватная капля имела пределы роста, обусловленные пределом прочности сцепления молекул. Поэтому, разросшись до определённых размеров, коацерват распадался на дочерние коацерваты, т. е. происходило предбиологическое деление. При этом рост дочерних коацерватов, сохранивших основу структуры материнских, продолжался дальше, те же из них, которые утрачивали структурное подобие, быстро распадались. Так возникала способность к наследованию особенностей строения.
Попадание в коацерват способной к самовоспроизведению макромолекулы могла образоваться простейшая клетка, которая по мере совершенствования механизма самовоспроизведения могла превратиться в примитивный организм. Такие организмы питались уже органическими веществами, получаемыми из первичного бульона.
В 1953 г. американский исследователь Стенли Миллер смоделировал условия первобытной Земли по сценарию А.И. Опарина уже экспериментально. В созданной им установке смесь газов и воды без доступа кислорода подвергалась действию электрических разрядов. При этом происходило образование сахаров, аминокислот и некоторых других органических соединений. Тем самым была доказана принципиальная возможность неорганического пути образования биогенных органических соединений.
Но органические соединения – ещё не жизнь, не живые организмы. В дальнейшем таким же путём были синтезированы липиды, полимерные структуры, близкие по составу к белкам. Однако все усилия учёных, предпринятые в области изучения возникновения жизни, не дали результатов, позволяющих удовлетворительно объяснить происхождение живого из неживого посредством биохимической эволюции. Был лишь проложен узкий и шаткий мостик, ведущий от неорганической неживой материи к органической, и тоже неживой.
Что касается дальнейшего развития знания, то оно не только не подтвердило, но и в чём-то опровергло, или, по крайней мере, жёстко ограничило применимость модели Опарина-Холдейна. Решающую роль в переходе от неживого к живому Опарин отводил белкам. В его время, как и в конце XIX века, считалось доказанным, что жизнь есть функция белковых тел. Однако современная молекулярная биология выявила совершенно иной механизм функционирования жизни. В том же 1953 году, когда начала действовать установка Стенли Миллера, была опубликована статься американца Дж. Уотсона и англичанина Ф. Крика, содержавшая в себе эпохальное открытие – расшифровку структуры носителя наследственности всего живого на Земле – дезоксирибонуклеиновой кислоты, ДНК. Именно ДНК оборотами своей двойной спирали кодирует всякую информацию, позволяющую воспроизводить живое от простейшей инфузории и до человека. Белковые тела стали рассматриваться как пассивный элемент функционирования живых организмов, активный же элемент переносился на генетические структуры, построенные на основе ДНК.
Выяснилось, что никакая самая сложная конфигурация белков не смогла бы породить самого простого живого организма, не будь в неё встроена чрезвычайно сложно устроенная фабрика репликации, т. е. копирования генетического материала на основе ДНК. Но ДНК тоже совершенно неспособна функционировать без определённых белков-ферментов. Допустить самопроизвольное возникновение такого сложного химического производства, как ДНК с системой подачи ферментов, – значит представить себе совершенно невероятное совпадение случайностей. Откуда природа «узнала», какие именно ферменты нужны для правильного функционирования ДНК? Получить этот комплекс ферментов случайно путём «перетряхивания» многоатомных молекул отдельных белков – это то же самое, что построить современную химическую фабрику, хаотически перемешивая кирпичи, блоки, реагенты, детали различных машин и т. д.
Таким образом, проблема возникновения живого из неживого также обладает глубинной взаимосвязью с проблемой возникновения Космоса из Хаоса, она неразрешима без представлений о мобилизационных структурах, создающих направленность и упорядочивающую предрасположенность эволюции. После открытия генетического кода возникла настоятельная потребность в объяснении процесса образования генетических структур и соответствующей доработки модели Опарина-Холдейна. При этом А.И. Опарин занял позицию, которая предполагала, что появление нуклеиновых кислот произошло при завершении химической эволюции, когда при перестройке оболочки коацерватов образовались простейшие живые клетки, трансформировавшиеся с помощью получения энергии и вещества из первичного бульона в простейшие организмы. Переход от протожизни к жизни завершился, по Опарину, когда соревнование протобионов, т. е. предбиологических образований в скорости роста сменялось борьбой организмов за существование.
Генетический код, таким образом, рассматривался как итог функционирования клеток. Такая трактовка вызвала возрастающую волну критики и обострила противоречия, ранее сложившиеся внутри модели Опарина-Хойдена между обоими её создателями. Если Опарин принимал за точку отсчёта биохимической эволюции целостные эволюционирующие системы, которые он назвал коацерватами (от лат. «коацерватус» – накопленный, собранный, сгущённый, сгусток), то Холдейн брал за основу большие молекулы, способные к самокопированию.
Разгоревшийся вскоре спор между школами Холдейна и Опарина по поводу происхождения жизни был связан с отстаиванием ими диаметрально противоположных точек зрения на исходные условия эволюции жизни и на фундаментальных свойства живого – самовоспроизведение и обмен веществ.
С открытием роли нуклеиновых кислот и ферментов чаша весов стала постепенно склоняться на сторону Дж. Холдейна, который брал за исходную точку отсчёта самовоспроизведение и развитие способности к размножению, репродукции живой материи. Предорганизмы, согласно Холдейну, можно представить по аналогии с вирусами типа табачной мозаики, которые содержат структуры ДНК и ферменты, необходимые для самокопирования.