Концепция происхождения жизни

О Развитие жизни на Земле можно приурочить к следующим эпохам: 1) жизнь появилась на очень раннем этапе истории нашей планеты (первые сотни миллионов лет); 2) биологическая эволюция от примитивных бактерий до развитой цивилизации продолжалась беспрецедентно долго (более 4 млрд лет); 3) в процессе эволюции жизни атмосфера планеты из бескислородной стала кислородной.

По современным данным возраст Вселенной около 15 млрд лет, Земли — 4,5; фотосинтез и кислородная атмосфера возникли 3,5 — 3,8 млрд лет назад, тогда же появились эукариотные организмы (т. е. состоящие из клеток с ядром), первые многоклеточные (без скелета, желеподобные) - 1 млрд лет назад, первые организмы со скелетом — 600 млн лет назад, выход жизни из моря — 400, первые млекопитающие — 65, обезьяны — 35, автралопитек — 3,5 млн лет назад, кроманьонский человек - 40 тысяч лет назад. На рис. 53 показано, как шло усложнение организмов на Земле и некоторые предположения о будущем развитии земной цивилизации О

Рассмотрим теперь более подробно начальные этапы этой эволюции. По-видимому, наибольшие загадки ставит перед нами переход от первой фазы- эволюции ко второй.

В настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал, иллюстрирующий, каким образом такие простые вещества, как вода, метан, аммиак, окись углерода, аммонийные и фосфатные соединения и др., превращаются в высокоорганизованные структуры, являющиеся основными строительными блоками клетки — единицы живого. Эти опыты, начатые впервые американскими учеными Кельвином, Миллером и Юри, положили начало новому научному направлению, получившему впоследствии название “пребиологической химии”.

Так, например, опытами Миллера доказано, что при прохождении электрических разрядов через смесь метана (СН4), молекулярного водорода (Н2), аммиака (NH3) и паров воды (эта смесь довольно хорошо моделирует первичную атмосферу Земли) возникали глицин, аланин и другие аминокислоты, а также ряд органических соединений. Точно так же экспериментально доказано, что в такой смеси образование органических соединений (в частности, аминокислот) может происходить под воздействием ультрафиолетовой радиации. Можно полагать, что в условиях неокисленной земной атмосферы, когда ультрафиолетовое излучение Солнца беспрепятственно могло достигать земной поверхности *), важная роль в образовании первых органических соединений принадлежала этому источнику энергии. В то же время серьезное значение могли иметь и другие источники энергии. Следует подчеркнуть, что уже первые попытки экспериментального изучения проблемы возникновения жизни на молекулярном уровне продемонстрировали возможность многочисленных “вариантов”, которые могли иметь место в течение первого миллиарда лет истории Земли.

Таким образом, можно считать доказанным, что под воздействием различных форм энергии на примитивной Земле возникали достаточно сложно организованные органические молекулы.

В синтезе органики наиболее существенную роль должны были играть электрические разряды, ударные волны, ультрафиолетовое излучение Солнца, вулканическое тепло, радиоактивный распад 40К.

Из табл. 6 видно, что основной вклад в процессы абиогенного синтеза вносит ультрафиолетовое излучение Солнца. Однако вопрос об относительной эффективности различных видов энергии не так прост, как это кажется на первый взгляд. В экспериментах по абиогенному синтезу были использованы все источники энергии, перечисленные в табл. 6. При этом выяснилось, что определяющим моментом является не общее количество энергии, а “к. п. д.” той или иной модели образования органических веществ.

Таблица 6

*) В настоящее время близкая ультрафиолетовая часть солнечного спектра поглощается озоном О3, а более далекая — молекулами кислорода О2 и азота N2.

Полезно рассмотреть следующие этапы в эволюции органического вещества на примитивной Земле:

1. Эволюция малых молекул.
2. Образование полимеров.
3. Возникновение каталитических функций.
4. Самосборка молекул.
5. Возникновение мембран и доклеточная организация.
6. Возникновение механизма наследственности.
7. Возникновение клетки.

Необходимо отметить, что в настоящее время не представляется возможным искусственно воспроизвести в лабораторных условиях возникновение механизма матричного копирования, реализуемого в живой клетке нуклеиновыми кислотами. Между тем, по-видимому, в этом состоит суть проблемы возникновения жизни на Земле.

Наиболее изученным этапом в пребиологической химии является эволюция малых молекул. Было экспериментально изучено воздействие всех вышеперечисленных видов энергии на смеси различных газов: водород, метан, аммиак, окись углерода, двуокись углерода, азот, вода, кислород, сероводород. При этом было установлено, что если смесь не была окислительной, то всегда образовывались аминокислоты и другие биологически активные соединения.

Определяющими промежуточными продуктами в синтезе аминокислот, оснований нуклеиновых кислот, Сахаров и порфиринов являются формальдегид и цианистый водород. Образование этих простых продуктов происходит и в газовой, и в водной фазе. Образование же более сложных молекул (аминокислот) происходит главным образом в водной среде.

Среди возможных механизмов образования аминокислот можно указать на синтез Штрекера, как конечный этап превращения аминонитрилов и циангидринов

NH3 + КСНО + HCN NH2 --> CH(K)CN + Н2О (аминонитрил),

KCH(NH2)CN + 2H2O --> KCH(NH2)COOH + NH3 (циангидрин).

Что касается синтеза оснований нуклеиновых кислот, то здесь также, как выяснилось, центральную роль играет цианистый водород. Так, при синтезе аденина “суммарную” реакцию образования этого соединения можно записать следующим образом:

5HCN --> аденин.

При образовании сахаров в условиях, моделирующих примитивную Землю, происходит щелочная конденсация формальдегида. Протекание этой реакции катализируется гидроокисями щелочноземельных металлов.

В экспериментах, проведенных Гейбелом и Поннамперумой, водные растворы формальдегида в различных концентрациях нагревались в присутствии каолинита, который используется в качестве природного катализатора. В числе продуктов реакции были отождествлены триозы, тетрозы, пентозы, гексозы. Была отождествлена также рибоза.

Чрезвычайно важной группой соединений, присутствующих в большинстве живых организмов, являются порфирины. Порфириновая структура лежит в основе хлорофилла. Целый ряд важнейших ферментов, таких как каталаза, пероксидаза и др., также имеют порфириновую структуру. В экспериментах по абиогенному синтезу порфирин был идентифицирован как один из продуктов реакции в смеси метан — аммиак — вода — водород под действием электрического разряда.

Наиболее существенным достижением в области пребиологической химии можно считать абиогенный синтез нуклеотидов и полинуклеотидов, осуществленный впервые Шраммом из углеводов и гетероциклических оснований с помощью метафосфорных эфиров (МФЭ). В процессе синтеза образовывались продукты различной молекулярной массы и структуры, причем нуклеотиды в полинуклеотидной цепи располагались случайно, не образуя какой-либо определенной последовательности.

Значительный интерес представляют также эксперименты Фокса по термической полимеризации аминокислот.

Таким образом, многочисленные эксперименты по абиогенному синтезу продемонстрировали возможность образования основных классов биологических активных соединений небиологическим путем в условиях, моделирующих природные условия, существовавшие на примитивной Земле.

Однако образование самых сложных молекул не решает вопроса об отборе и сохранении определенных типов молекулярных соединений. На определенной стадии усложнения структуры молекул возникает такое принципиально новое свойство их, как возвратный катализ. Образовавшиеся довольно сложные молекулы должны разрушаться (диссоциировать) при поглощении более длинноволнового излучения, чем то, которое стимулировало их образование. Так как поток солнечного излучения в области более длинных волн значительно превосходит поток ультрафиолетового излучения, стимулирующего синтез первичных органических соединений, последние будут разрушаться, и какого-либо накопления их происходить не должно. Заметим, что эта трудность является общей для всех механизмов образования первичных органических соединений, так как неокисленная атмосфера планеты должна быть прозрачной для ультрафиолетовых лучей Солнца. Сейчас намечается несколько путей преодоления этой трудности. Например, можно предположить, что после сформирования гидросферы образовавшиеся в ее поверхностных слоях органические соединения путем конвекции переносились на достаточную глубину, куда уже “разрушительное” излучение не доходило.

Зная поток ультрафиолетового излучения Солнца, стимулирующего образование органических веществ, и считая, что вновь образовавшиеся вещества не разрушаются, а постепенно накапливаются, можно оценить количество образующегося таким способом органического вещества на Земле. Такие вычисления произвел Саган, который в предположении, что этот процесс длился 1 млрд лет, нашел, что над каждым квадратным сантиметром земной поверхности могло образоваться несколько килограммов органических соединений. Эта величина представляется достаточно большой. Например, если бы все эти образовавшиеся в раннюю эпоху развития нашей планеты органические вещества растворить в мировом океане, концентрация такого раствора была бы приблизительно 1 %.

Так как есть основания полагать, что объем мирового океана за геологическую историю Земли почти не менялся, можно сделать вывод, что первобытный океан представлял собой 1 %-ный раствор различных органических соединений. Довольно крепкий питательный бульон! Эта среда была весьма благоприятна для образования новых, более сложных органических соединений. В частности, из аминокислот могли синтезироваться различные белковые соединения.

До сих пор предполагалось, что жизнь как-то возникла на всей “осредненной” поверхности первобытной Земли, для чего потребовались сотни миллионов лет. Но, конечно, это могло быть и наверняка было не так. В отдельных местах земной поверхности условия для эволюции сложных молекул в первые примитивные формы жизни могли быть особенно благоприятны. Идеи “локального” возникновения жизни на Земле и притом в сравнительно короткие сроки высказывались неоднократно. Л. М. Мухин предложил интересную гипотезу, что жизнь могла возникнуть в области подводных вулканов.

По всей видимости, именно подводный вулканизм мог играть известную роль в образовании предшественников сложных органических молекул. Действующий вулкан можно рассматривать не только как источник тепла, но и как источник простых соединений, таких как СО, СH4, NH3, CO2, H2O, H2, H2S и пр., необходимых для синтеза органического вещества. Реакции, происходящие между этими газами в условиях повышенных температур и давлений, должны приводить к образованию предшественников сложных органических соединений, цианистого водорода и формальдегида. Гидросфера (океан) используется в данной модели как фактор, обеспечивающий стабильность образовавшихся продуктов вследствие больших перепадов температуры в зоне действия подводного вулкана. Кроме того, в области подводного вулкана имеется широкий диапазон давлений, что весьма существенно, так как высокие давления необходимы для повышения выхода продукта в ряде реакций. Наконец, наличие в области подводного извержения зон с температурой 50-100 С обеспечивает прохождение ряда реакций, приводящих к синтезу более сложных органических соединений. Механизмы этих реакций освещены в работах Оро и Поннамперумы.

Образование в процессе извержения твердых частиц обусловливает наличие катализаторов и может способствовать в дальнейшем процессам концентрирования и полимеризации органики.

Л. М. Мухин указывает на некоторые реакции, которые могут иметь место в зоне подводных извержений:

катализаторы
1) СН4 + NH3 --> HCN + ЗН2,
катализаторы
2) 2СО + NH3 --> HCN + СО2 + Н2,
3) СО + Н2 --> альдегиды и другие кислородосодержащие соединения, углеводороды.

Таким образом, вследствие возможного образования в зоне действия подводного вулкана HCN и СН2О, подводные вулканические процессы можно рассматривать как источник небиологического синтеза сложных органических соединений.