Как произошло возникновение жизни на земле
По мере понижения температур космических тел увеличивается число химических соединений в них и возрастают возможности развития различных реакций.
В спектрах звезд можно обнаружить линии, свидетельствующие о наличии там лишь простейших соединений типа CN, С2, TiO н т. п. При еще более высокой температуре и эти молекулы исчезают — остаются лишь ионизированные атомы водорода, гелия, кальция, натрия и др.
Температуры порядка нескольких сотен градусов уже отвечают довольно большому разнообразию соединений, а когда температура падает до 50—100° С, число соединений и всевозможных реакций между ними становится необозримо большим.
Планеты, возникшие из газово-пылевого облака, вероятно, прошли стадию разогрева, но постепенно охлаждались, и в дальнейшем высокая температура их ядра поддерживалась за счет процессов радиоактивного распада. Понижение температуры на поверхности планет создало условия для развития уже не ядерных, а обычных химических реакций.
Открылись возможности образования относительно сложных соединений — оксидов, гидридов, сульфидов и различных солей кислородных кислот.
Вполне понятно, что наибольшее количество сведений удалось собрать относительно той химической эволюции, которая совершилась в атмосфере и на поверхности Земли. Химические процессы, развивавшиеся на Земле, представляют исключительный познавательный интерес, так как именно они подготовили обстановку, в которой возникла жизнь.
Академику А. И. Опарину принадлежит идея о возникновении биологически важных молекул абиогенным путем, т. е. путем химических процессов, некогда протекавших в неживой природе. А. И. Опарин высказал эту мысль еще в 1924 г., и с тех пор обширный опытный материал и ряд теоретических исследований подтвердили ее справедливость.
Риc. Установка, С. Миллера.
Можем ли мы хотя бы в общих чертах представить себе химию тех далеких времен, когда еще не было жизни и на нашей планете существовали лишь простые соединения? Дело не так безнадежно, как кажется. Конечно, машиной времени мы не располагаем и вернуться в прошлое не в состоянии, но тем не менее все-таки можем представить себе химическую картину поверхности и атмосферы Земли и воспроизвести ряд процессов, протекавших в период, предшествовавший появлению жизни.
Мощное ультрафиолетовое излучение Солнца, а также радиоактивность многих минералов, находящихся на поверхности Земли, послужили причиной появления особых форм веществ, которые называют радикальными. Молекулы или атомы — радикалы содержат не спаренные электроны. Радикалы очень активны и быстро вступают в реакции, стремясь получить недостающий электрон. Они часто являются причиной развития цепных процессов.
Заслуживает упоминания открытие свободных радикалов в углистых метеоритах (Дюшепь). Английский ученый Д. Бернал высказал мнение, согласно которому первичные соединения углерода, из которых и развились биологически активные вещества, были занесены на Землю именно метеоритами. Гак млн иначе, но несомненно, что свободные радикалы сыграли важную роль в образовании первичных соединений нашей планеты.
Аммиак под влиянием излучения с длиной волны 150—170 нм образует радикалы NH: и NH2:
NH3 + hv → NH02 + H•
Электрический разряд, происходящий в углеводородах, может вызывать образование радикалов CH•3, СН2: , СH••• . Радикал СH••• очень активен и быстро вступает в различные реакции.
В смеси метана, аргона, кислорода при разрядке получаются радикалы СНО:. Разряд в водяном паре приводит к появлению радикалов Н•, ОН• молекулы пероксида водорода и радикала
НО:.
Фотодиссоциация воды была одним из наиболее распространенных процессов. В результате разложения молекул воды получился водород (постепенно улетучившийся из верхних слоев атмосферы) и кислород, вступивший в реакции с какими-то другими веществами.
Какие же соединения должны были возникнуть в этих условиях? Есть ли у нас критерии для отбора наиболее вероятных соединений? Термодинамика позволяет сделать некоторые заключения на этот счет. Как было установлено, при постоянных температуре и давлении самопроизвольно могут протекать лишь
Академик А. И. Опарин
те реакции, которые совершают полезную работу (т. е. могут быть источником работы).
Для определенных температур и давлений мы знаем работы различных реакций — их термодинамические характеристики — и в состоянии оценить, какова была вероятность данной реакции развиваться на поверхности нашей планеты в эпоху ее молодости. Так, можно уверенно утверждать, что вероятность образования молекул воды, аммиака, окислов алюминия, железа, кремния и т. д. была очень велика. Беда лишь в том, что мы не очень твердо знаем, какие именно температуры и давления господствовали на Земле в отдаленные эпохи, и поэтому приходится дополнять термодинамические соображения данными геохимии и геологии. Все результаты, вместе взятые, рисуют довольно ясную картину химических реакций и соединений на первичной Земле. В атмосфере, несомненно, было много аммиака, цианистого водорода, метана, водорода, оксидов углерода, сероводорода, формальдегида и, вероятно, очень мало кислорода; первичная атмосфера Земли имела восстановительный характер.
Энергия активации для многих возможных реакций была велика, и благодаря этому далеко не все термодинамические допустимые процессы реально осуществлялись. Снижение энергий активации вызывается действием катализаторов. Поэтому каталитические реакции имели преимущество перед другими. Низкие значения энергии активации характерны для фотохимических и радикально-цепных реакций. Именно эти процессы имели большое значение в химии добиологического периода.
Среди физических факторов, способных вызвать химические процессы, важную роль играли различные излучения и электрические разряды; несомненно, действовали и ультразвуковые колебания.
Большое число реакций сопровождалось выделением энергии. К таким экзоэнергетическим реакциям относятся, например, окисление металлов и угля, соединение кислорода с водородом и ряд других. Но существует и много реакций, которые сопровождаются поглощением энергии.
Достаточно представить себе любую из названных реакций, протекающих в обратном направлении, чтобы получить эндоэнергетическую реакцию. Разложение воды на водород и кислород будет сопровождаться поглощением энергии. Поэтому, если мы обсуждаем вопрос о возможности реакций, ведущих к образованию сложных биохимически ценных веществ, мы обязательно должны подумать и об источниках энергии, питающих тот или иной эндоэнергетический процесс. Полезно было бы приблизительно оценить относительную роль каждого из названных энергетических факторов. Знание «удельного веса» источников энергии помогло бы решить вопрос о природе веществ и типах реакций, доминировавших в атмосфере Земли и в водах первичного океана. По мнению С. Поннамперумы, ультрафиолетовое излучение было в условиях примитивной Земли наиболее распространенным источником энергии. Бесспорно также, что электрические разряды играли существенную роль в синтезе первичных органических молекул.
Так как состав атмосферы Земли тех времен приблизительно известен, то вполне целесообразно поставить эксперимент, например, с электрическим разрядом, попробовать воссоздать условия древних времен и исследовать, что же за соединения образуются в модельной установке. Экспериментально задача оказалась неожиданно простой.
С. Миллер приготовил смесь аммиака, водорода и метана и пропустил через нее электрический искровой разряд, причем между электродами непрерывно проходил поток водяного пара. Схема его установки показана на рисунке 1. В холодильнике пар вместе с образовавшимися соединениями конденсировался, и смесь в колбе постепенно обогащалась продуктами реакций. Опыт тянулся целую неделю, по сравнению с геологическими масштабами этот срок надо считать мгновением. Так вот через такое «мгновение» в смеси оказалось заметное количество аминокислот: аланина, глицина, аспарагпновой и аминомасляной кислоты, муравьиной, уксусной кислоты и других соединений.
Позже П. Эйбелсон изучил различные смеси азота с водородом, углекислотой, водяным паром, оксидом углерода (II), аммиаком и обнаружил аминокислоты в продуктах реакции. А. Г. Пасынский с сотрудниками показали, что ультрафиолетовое облучение является фактором, который мог обусловить образование аминокислот из таких веществ, как аммиак, вода, формальдегид, этан и др.
Индийский ученый Бахадур установил, что оксид молибдена действует как катализатор при образовании аминокислот из воды, азота и параформальдегида. В нашей лаборатории
Рис. 3. Установка А. Г. Пасынского.
О. Н. Шмелева и Т. Г. Петрова обнаружили, что гидроксид железа является катализатором реакции образования аминокислот в аналогичных условиях. Затем другие авторы показали, что источником энергии могут быть также рентгеновские лучи, ионизирующие излучения и ультразвук.
М. Кальвин, желая выяснить значение корпускулярных излучений в синтезе первичных соединений, подверг смесь аммиака, метана и водорода (водород был взят в избытке) электронной бомбардировке. Нечто подобное могло происходить в древние времена, когда источником электрона в земной коре был изотоп калия с атомной массой 40. В опытах М. Кальвина и его сотрудников было получено большое число различных и довольно сложных соединений. Среди них был обнаружен аденин, аспарагиновая кислота, глицин, молочная кислота и производные имидазола. Таким путем было установлено, что аминокислоты не только не являются редкими веществами, а скорее, наоборот, получаются легко в результате множества разнообразных реакций, протекавших в добиологический период. Этот вывод очень важен. Природа пользовалась для создания форм живых существ не диковинными редкими материалами, а теми, которых много и которые часто получаются в результате естественных процессов.
Из чего могла возникнуть жизнь на земле
Если взглянуть на формулы веществ, встречающихся в организмах, то они покажутся очень сложными. Это длинные и прихотливо изогнутые молекулы белков, вещества из групп пуринов и пиримидинов, науклеиновые кислоты, ферменты и т. п. И во всех этих молекулах ничего нельзя безнаказанно изменить; даже порядок, в котором расположены сотни аминокислотных остатков в молекуле белка, имеет громадное значение.
Так как же образовался весь этот необычайный набор веществ, как он собрался в одном месте и организовался в удивительное подобие химического завода, воспроизводящего самого себя? Нельзя надеяться, что нам удастся найти ответ на этот вопрос в ближайшее время. Но то, что уже открыто, представляет исключительный интерес.
Рис. 4. Фотография микросфер (по Фоксу).
Прежде всего, выяснилось, что даже, казалось бы, очень сложные молекулы могут образоваться из самых простых в результате относительно небольшого ряда превращений.
Затем было доказано, что условия, в которых это происходит, вовсе не исключают возможности протекания соответствующих реакций на Земле и особенно в водах того первичного океана, который биохимики иногда называют первичным бульоном.
Рассмотрим в качестве особенно яркого примера предполагаемый синтез аденина. Аденин — важное для жизни вещество из группы пуринов. Он входит в состав нуклеиновых кислот и принимает деятельное участие в синтезе белков и работе механизма, передающего наследственные признаки. Формула аденина кажется довольно сложной:
Если подсчитать число атомов углерода, азота и водорода в этой молекуле, то окажется, что их столько же, сколько в пяти молекулах цианистого водорода HCN. Это, разумеется, еще ничего не значит — мало ли может быть случайных совпадений такого рода. Но дело в том, что аденин действительно может получиться из цианистого водорода HCN, как предполагает Д. Оро, в результате последовательности реакций, состоящей из шести стадий. На рисунке 5 показаны возможные стадии образования аденина.
Синильная кислота и аммиак в достаточном количестве имелись в атмосфере добиологической Земли, а следовательно, аденин и аналогичные ему вещества вполне могли возникнуть во многих местах земной поверхности.
Другие не менее важные соединения относятся к группе пиримидиновых оснований. Эти соединения также имеют циклические молекулы, и в каждом цикле содержится по два атома азота. К производным пиримидина относятся тимин, цитозин и урацил и ряд их производных (здесь даны лактамные формы).
Рис. 5. Ход реакции аденина (по Оро).
Пиримидиновые основания также, по-видимому, могли легко образоваться из аминоакрилонитрила (или его производных), воды или аммиака и мочевины СО(NH2)2. Мочевина получается из углекислоты и аммиака, а аминоакрилонитрил, как мы видели, является промежуточным звеном в образовании пуринов. Поэтому эти два класса соединений, по мнению Д. Оро, получились по связанным между собой путям.
Пурины и пиримидины, о которых мы уже упоминали, поглощают свет, длина волны которого лежит около 260 нм; это излучение, по многим данным, как раз могло проникать через первичную атмосферу Земли и, следовательно, должно было как-то влиять на образовавшиеся частицы пуринов и пиримидинов. Поглощение света часто вызывает не распад молекул, а их возбуждение — молекулы становятся более активными и легче вступают в различные реакции. Не обсуждая сейчас подробнее вопроса о характере взаимодействия света с веществом, ограничимся этим соображением. Оно достаточно, чтобы понять замысел ученых (Сагана, Поннамперума и Маринера), попытавшихся получить из пуринов более сложные соединения, именно такие, которые встречаются в организмах. Оказалось, что ультрафиолетовое облучение действительно вызывает в смеси аденина, фосфатов и углевода рибозы образование сложной молекулы— важнейшего компонента биологических систем:
Аденин—рибоза—фосфат
Это сложное сочетание, оказывается, могло «само собой» возникнуть на поверхности Земли.
Трудно точно указать время, когда на Земле появился хлорофилл. В осадочных породах, начиная с кембрийского, были обнаружены порфирины, и, как думают ученые, именно они являются остатками древних носителей хлорофилла. Некоторые ученые считают, что хлорофилл совершает свою работу в живых системах вот уже 550 млн. лет.
Хлорофилл и сам был рожден светом. Возможно, как считает М. Кальвин, солнечная радиация, действуя на воду и оксид углерода (IV), привела сначала к появлению муравьиной и щавелевой кислот. Щавелевая кислота содержит два атома углерода. При облучении таких двууглеродных молекул часто образуются четырехуглеродные молекулы, в частности четыре атома углерода содержатся в янтарной кислоте.
Ультрафиолетовая радиация, действуя на растворы нитратов и формальдегида, в которых содержатся соли железа, вызывает появление в растворах аминокислот. Из янтарной кислоты и аминокислоты глицина, по-видимому, и образовались порфирины.
По А. А. Красновскому, первичными аппаратами для использования энергии света были, вероятно, порфирины. У наиболее древних видов бактерий — автотрофов — обнаружено наличие свободных порфиринов. Бактерии действовали в восстановительной атмосфере, которая была характерна для ранних периодов истории Земли, и содержали восстановленную форму порфирина. Однако свободные порфирины в силу особенностей их спектра не могут обеспечить достаточно полного использования видимой части солнечного спектра. Последующая эволюция усовершенствовала аппарат и привела к образованию хлорофилла; внедрение магния в структуру порфирина вызвало повышение активности последнего и, кроме того, магний укрепил связи хлорофилла с белком.
М. Граник, изучавший биосинтез хлорофилла, считает, что сходство гема и хлорофилла обусловлено тем, что оба вещества сначала образуются одинаковым путем, а лишь затем начинается разветвление на «железную» и «магниевую» ветви — образование, с одной стороны, гема, с другой — хлорофилла.
Из формалина в водных растворах при каталитическом действии щелочей и оксидов металлов получаются разнообразные углеводы. Хроматографический анализ показал, что из формальдегида может образоваться до 30 видов различных углеводов.
Одна из наиболее вероятных схем образования углеводов в щелочной среде, показывающая, как постепенно усложняется молекула углевода, показана на рисунке 6. Но ведь формальдегид получается из оксида углерода (IV) и воды под воздействием ультрафиолетовой радиации. В этих веществах и в ультрафиолетовых лучах тоже не было недостатка в предбиологический период. Итак, будущий биохимический синтез обеспечен аминокислотами, пуринами, пиримидинами, углеводами и, конечно, менее сложными соединениями — фосфатами, силикатами, солями аммония и различных металлов. Ну а белки? Могли ли
Рис. 6. Ход реакций образования углеводов (по Кальвину)
возникнуть на Земле если не современные белки, то по крайней мере что-то на них похожее?
Чем дальше мы продвигаемся по биохимической лестнице от простых соединений к сложным, тем все труднее отвечать на вопрос о природе сложных соединений, ставших основой развития жизни. Ведь если такие вещества, как вода, метан, оксиды углерода, и поныне существуют и образуются в естественных условиях, то более сложные, например возможные предшественники белков, давно исчезли, будучи поглощены бесчисленными микроорганизмами, или вошли в жизненный круговорот, не оставив никаких «отпечатков» в неживой природе.
И все-таки были сделаны попытки воспроизвести условия добиологической Земли, но уже не атмосферы планеты, а ее почвы. Извержения вулканов, несомненно, одна из древнейших форм деятельности сил неживой природы; почва в зонах их действия не только богата всевозможными соединениями, осадками и растворами, но нагрета, причем температура отдельных участков Земли, примыкающих к вулкану, может изменяться в широких пределах. С. Фокс высказал мнение, что аминокислоты, так легко образующиеся под влиянием различных факторов, могли превращаться в полипептиды в нагретых вулканических почвах и таким образом дать начало процессу синтеза белковоподобных веществ. Для проверки этих предположений С. Фокс с сотрудниками нагревали смесь сухих аминокислот в сосуде, сделанном из лавы, в сущности это был просто кусок лавы, имевший небольшое углубление и помещенный в печь, где поддерживалась температура 170° С.
Через несколько часов смесь аминокислот превратилась в вязкую массу янтарного цвета. После этого лаву и получившийся полимер заливали горячим 1-процентным раствором хлорида натрия. Исследование раствора обнаружило в нем огромное число шаровидных частиц (микросфер), состоявших из продуктов конденсации аминокислот, т. е. из вещества, аналогичного белкам (рис.4). Белково-подобное вещество состояло из 18 аминокислот (иногда меньшего числа) и было названо протеиноидом, что буквально значит «похожий на белок». Проводя реакцию в растворе полифосфорной кислоты при 100° С (т. е. при сравнительно низкой температуре) в течение 150 ч, С. Фокс получил протеипонд, состав которого отличался от состава исходной смеси (в ней было 33% аспарагиновой кислоты, 17% глутаминовой и по 3% приходилось на единицу других аминокислот).
Отсюда он сделал заключение, что протеиноидные молекулы образуются не в результате случайного комбинирования аминокислот, а как следствие действия каких-то принципов отбора.
Протеиноиды вызывали большой интерес и тщательно изучались; выяснилось, что они способны образовывать мембраны и замкнутые полости, а отдельные микросферы, соединяясь, дают цепочки и более сложные сочетания. По мнению С. Фокса, зоны вулканической деятельности могли быть теми местами, в которых протекал первичный синтез — конденсация протеиноидов. Дожди вымывали эти соединения, выносили их к отмелям рек или морей, где, вероятно, происходили в дальнейшем процессы усложнения протеиноидных структур.
В последнее время М. Кальвин подробно разобрал целый ряд вероятных реакций, приводящих к образованию различных биологически активных веществ, и указал, в частности, на роль
автокаталитических процессов, обусловливающих, например, образование гемоглобина, в которых гем является катализатором реакций окисления исходных веществ
Мы можем теперь подвести итог этому краткому обзору. Теоретические соображения и модельные эксперименты вполне убедительно свидетельствуют о возможности образовования не только аминокислот, но и более сложных соединений, в том числе и биополимеров, в условиях, господствовавших на нашей планете миллиарды лет назад. Вопросы о происхождении жизни этим еще не решаются. Науке предстоит выяснить, в силу каких общих принципов началось и продолжалось строительство удивительных «биологических машин» с обратными связями, регулированием и постоянным обновлением состава.
Статья на тему Возникновение жизни на земле