| Вода и происхождение жизни |
|
Жизнь зародилась в воде. За последние десятилетия учёные, используя самые разные виды энергии, получили в лабораторных условиях самые разнообразные "органические" вещества. Во всех этих опытах моделировались условия первичной бескислородной атмосферы.
Было установлено, что первичной бескислородной атмосфере древней Земли был возможен синтез "органических" молекул за счет энергии коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца, энергии электрических разрядов или за счет других геотермальных источников энергии.
Энергия молнии и геотермальных источников Земли использовалась для синтеза первых органических молекул.
Среди соединений, входящих в состав современных организмов входят белки, полисахариды, липиды и нуклеиновые кислоты. Белки, полисахариды, липиды и другие подобные соединения функционируют во всех жизненно-важных процессах, а нуклеиновые кислоты управляют процессами воспроизведения, обеспечивая создание новых молекул. Все белки состоят из большого числа строительных блоков - молекул аминокислот. Обычно в составе природных белков встречается около 20 различных аминокислот. Отдельные их молекулы соединяются в цепи, образуя так называемые полипептиды Некоторые белки состоят из нескольких полипептидных цепей, объединенных друг с другом в одну молекулу.
Структура белка – цитохрома С:
Нуклеиновые кислоты представлены двумя главными типами молекул. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), находится в ядрах клеток, а рибонуклеиновая кислота (РНК) в основном находится вне ядра, в цитоплазме. Лишь у некоторых простых организмов типа вирусов имеется только одна нуклеиновая кислота - РНК или ДНК. Молекулы нуклеиновых кислот несут генетическую информацию. Благодаря ей новые молекулы в точности похожи на те, которым требуется замена или пополнение.
Молекула ДНК
Молекулы нуклеиновых кислот состоят из двух длинных цепей, закрученных одна вокруг другой, так что получается спиральная структура - так называемая двойная спираль. Каждая цепь построена из сходных блоков - нуклеотидов. Каждый нуклеотид цепи в свою очередь состоит из трех частей: фосфорной кислоты, сахара - дезоксирибозы (рибозы)- и какого-либо одного из четырех азотистых оснований. Четыре азотистых основания, входящих в состав ДНК, - это аденин и гуанин (пуриновые основания) и тимин и цитозин (пиримидиновые основания; в РНК вместо тимина присутствует урацил).
Две полинуклеотидпые цепи молекулы ДНК "скреплены" в двойную спираль водородными связями, которые образуются между пуриновыми основаниями одной цепи и пиримидиновыми основаниями другой.
Первые эксперименты по неорганическому синтезу "органических" веществ в условиях первобытной Земли, провел С. Миллер. Он использовал очень простой прибор - колбу, в которой создаются электрические разряды. Прибор заполнялся водой и смесью газов - водородом, метаном и аммиаком; свободный кислород в колбу не допускался. В верхней части колбы непрерывно создавались сильные электрические разряды. Внизу нагревалась до кипения вода, создавая циркуляцию пара и воды.
Устройство аппарата, в котором под действием искрового разряда из водорода, метана, воды и аммиака в отсутствии кислорода образуются органические соединения.
В качестве источника энергии использовался не ультрафиолет, а искровой разряд. Поскольку разряд дает меньше энергии, чем ультрафиолет, в последующих экспериментах использовали ультрафиолет. При этом из метана, аммиака и водорода синтезировались органические соединения – альдегиды и аминокислоты.
Оригинальные эксперименты Миллера вызвали большой интерес среди учёных всего мира. К сходным опытам приступили многие ученые во всем мире, среди них американцы [3, 28, 29, 31], немцы [19] и наши соотечественники [27].
Распределение соединений, полученных в опытах Миллера, по массе и сложности (диаграммы построены по данным С. Миллера):
В 1960 году Уилсон, добавив в исходный раствор серу, получил более крупные молекулы полимеров, содержащие по 20 и более атомов углерода. В колбе были обнаружены странные тонкие пленки размером около 1 см (см. фото 1). Это были поверхностно-активные вещества, скопившиеся на поверхности раздела газ - жидкость в виде тонких пленок. Учёные считают, что эти пленки молекул, синтезировавшихся на границе между разными фазами, играли важную роль на ранних стадиях возникновения жизни.
Фото 1. Плоские плёнки органических макромолекул, образующихся при искровых разрядах в смеси аммиака, сероводорода, паров воды и золы пекарских дрожжей.
А катализатором образования подобных пленок служила, по-видимому, сера. Это связано с тем, что на примитивной Земле сера, была широко распространена в форме зерен сульфидов (например, в пиритовых песках).
Поннамперума и сотр. [31] проводили эксперименты, подобные экспериментам Миллера, но с использованием в качестве источника энергии ультрафиолетового света. Хотя по теоретическим соображениям синтезы, идущие под действием ультрафиолета, не должны принципиально отличаться от тех, которые вызываются электрическим разрядом, важно было получить экспериментальное подтверждение этого факта. Ведь в условиях первичной атмосферы гораздо больше энергии поступало с ультрафиолетовым излучением.
Исследователи не только смогли синтезировать аминокислоты и пурины, т. е. строительные блоки белков и нуклеиновых кислот соответственно, но и, используя особые условия, смогли синтезировать из этих блоков полимеры. Оказалось, например, что в присутствии цианистого водорода аминокислоты полимеризуются, образуя пептидные цепи. Причём при добавлении фосфорной кислоты получались различные нуклеотиды [31, 33-36, 39].
Интересные результаты получил американский учёный Оро и сотр. [28, 29], показавший, что более крупные "органические" молекулы можно синтезировать и без помощи ультрафиолета, просто нагревая среду в реакционной смеси.
Известно, что в условиях восстановительной атмосферы малые "органические" молекулы могли синтезироваться за счет энергии ультрафиолетового излучения Солнца. Однако условия на Земле в эпоху примитивной атмосферы были для ранней жизни не менее опасными, чем они оказались бы для современной. Хотя ранняя жизнь в бескислородной атмосфере не подвергалась окислению, ничто не защищало ее от губительного воздействия жесткого ультрафиолетового излучения.
Поэтому надо учитывать, что при переходе от преджизни к жизни и во время дальнейшего развития ранней жизни, возможно, использовались уже другие источники энергии. Например, свободные радикалы и малые "органические" молекулы создавались за счет высокоэнергетического ультрафиолетового излучения Солнца, а для синтеза из малых молекул других, более сложных соединений годились и менее мощные источники энергии.
В опытах Оро и его сотрудников водные смеси простых "органических" молекул оставлялись на несколько дней при температуре от комнатной до 150 С. Таким образом, в отношении температуры эти эксперименты, как правило, не выходили за пределы условий, к которым может приспособиться современная жизнь. |
|
