Современные концепции естествознания

ЛЕКЦИЯ ДВАДЦАТЬ ШЕСТАЯ

ПРЕДПОСЫЛКИ
ВОЗНИКНОВЕНИЯ НА ЗЕМЛЕ
ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА

Рассматривая проблему возникновения жизни, выделяют три основных этапа предположительного перехода от "неживого" к "живому":

• 1) синтез исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы и состояния поверхности Земли;
• 2) формирование в первичных водоемах Земли из накопившихся органических соединений биополимеров, углеводородов, липоидов;
• 3) самоорганизация сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процессов обмена веществ и воспроизводства органических структур данного состава, завершающееся образованием простейшей клетки.

Не все ясно с первыми двумя этапами, а в отношении третьего признаки прояснения появились только в последние годы.

Существующие сегодня представления о происхождении жизни тесно связаны с результатами изучения геологической эволюции.

Примитивная атмосфера Земли была восстановительной, т.е. освобождающей кислород из кислородных соединений. Восстановителем был водород - главный элемент Вселенной.

По оценкам, в первичной атмосфере Земли парциальное давление водорода составляло 0,002% . Это достаточно высокое значение. Другими компонентами атмосферы были аммиак NH₃ и вода. Кроме того, по оптическим

212

спектрам в межзвездном пространстве обнаружены формальдегид НСНО и некоторые более сложные органические соединения.

Современная атмосфера, в отличие от первичной, содержит большое количество кислорода. Он мог возникнуть двумя путями: в результате разложения воды под действием ультрафиолетового излучения Солнца либо в результате фотосинтеза зеленых растений.

Сегодня принято считать, что атмосферный кислород имеет фотосинтетическое происхождение. То есть кислород в сегодняшней концентрации появился только после зарождения жизни.

Следовательно, растения (жизнь) должны были возникнуть на земле в восстановительной атмосфере. И это понятно - кислород просто окислял бы те химические соединения, из которых могли возникнуть биологические макромолекулы.

Дополнительным аргументом в пользу возникновения первичных органических соединений в восстановительной атмосфере служит существование анаэробных бактерий.

Органические соединения могли возникнуть в восстановительных условиях при наличии источников энергии, имеющих разную природу (см. табл. 26.1). То есть на первом этапе в насыщенной водородом и аммиаком атмосфере создавались условия для первичного синтеза сложных органических соединений.

На втором этапе возникла и развилась химическая эволюция особого типа. Органические вещества, образовавшиеся на первом этапе, скапливались в сравнительно неглубоких местах первичных водоемов, прогреваемых Солнцем. Солнечное излучение, приходящее на поверхность Земли, имело значительную ультрафиолетовую компоненту (поглощаемую сегодня озоновым слоем, возникшим позже вместе с кислородной атмосферой). Это излучение обеспечивает энергией протекание химических реакций и в то же время разрушает сложные органические соединения.

То есть накопление таких соединений возможно только в динамике и при наличии условий, обеспечивающих

213

Таблица26.1

Вероятные источники энергии первичной химической эволюции

защиту от быстрого распада под действием ультрафиолета. Отметим, что эти условия можно реализовать только локально, в неких особых, случайных точках. Именно поэтому важна не только мощность потока энергии, но и многообразие источников. Условия формирования сложных органических соединений крайне далеки от равновесия и порождены случаем.

Так, одна из моделей первичного образования сложных органических соединений состоит в следующем.

Ранняя Земля была относительно холодным телом с разреженной восстановительной атмосферой (лекция 21), состоящей из смеси метана, аммиака, паров воды при общем давлении не более 10 мм рт. ст. Температура поверхности не превышала -50°С, то есть литосфера была покрыта слоем льда. Поток солнечного излучения, особенно - ультрафиолетовая часть, а также космические излучение приводили к ионизации атмосферы, и она находилась в так называемом состоянии холодной плазмы. В этом состоянии сосуществуют ионизированные атомы, ионы и электроны, однако их энергии достаточно малы.

214

Подобную холодную плазму мы наблюдаем в газоразрядных трубках, лампах дневного света, бактерицидных лампах. Именно этот ионизированный газ и был основным источником энергии для поддержания химической эволюции органического вещества.

В ионизированном газе легко возбудить электрические разряды. Опыты показали, что из достаточно простых соединений углерода, кислорода, азота и т.п. в условиях электрического разряда быстро образуется многообразие сложных органических соединений.

Низкая температура поверхности и малая энергия частиц создавали условия для успешного протекания полимеризации ряда образовавшихся соединений. Рост массы этих полимеров приводил к их конденсации и выпадению на ледяной покров. Там они сохранялись "до лучших времен".

Радиоактивный разогрев недр Земли пробудил тектоническую деятельность. Выделение газов уплотнило атмосферу, ее нижние слои перестали быть доступными для ионизирующего ультрафиолетового излучения Солнца и высокоэнергетических космических частиц. Началось повышение температуры поверхности и образование первичных водоемов. Тут-то и проявились сложные органические соединения: макромолекулы (биополимеры), липиды, углеводы.

Липиды - сложные эфиры жирных кислот и какого-либо спирта. Сложным эфиром выступает продукт реакции между кислотой и спиртом:

кислота + спирт → сложный эфир + вода.

Липиды образуются из жирных кислот с формулой R-COOH, где R - атом водорода или особый радикал типа -СН₃, -С₂Н₅ и др. (см. рис. 26.1).

Углеводы (сахариды) - вещества с общей формулой С_Х(Н₂О)_y, где х и у могут иметь разные значения. Многие углеводы легко окисляются и являются мощными восстановителями. Углеводы делятся на три группы - моносахариды, дисахариды и полисахариды. Моносахариды - это простые сахара, имеющие формулу (CH₂O)_n, n может изменяться от 3 до 9. Они являются источником

215

Рис. 26.1
Условная схема образования больших органических молекул, составляющих основу живых объектов

энергии и благодаря высокой химической активности и структурному разнообразию играют роль строительных блоков для синтеза более крупных молекул. Наиболее распространенные формы моносахаридов - глюкоза, галактоза и фруктоза (С₆Н₁₂О₆). Дисахариды образуются путем соединения двух моносахаридов. Среди дисахаридов широко распространены мальтоза (глюкоза + глюкоза), лактоза (глюкоза + галактоза) и сахароза (глюкоза + фруктоза).

Полисахариды как соединения многих моносахаридов играют роль резерва энергии и строительного материала (целлюлоза). Их типичные формы - крахмал, гликоген, целлюлоза, каллоза, инулин.

Переход этих соединений в раствор резко ускорил процесс формирования более сложных соединений. Как показали эксперименты, в процессе размораживания липиды претерпевают самосборку, образуя в водоеме стабильные микросферы диаметром от 10 до 50 мкм. Такие сферы получили название коацерватных (от лат. coacervatio - накопление) капель (впервые их наблюдал А.И. Опарин, придавая важнейшее значение в переходе от неживой природы к предшественнице живой клетки). Вероятно, самосборка липидных оболочек с заключенными в них биополимерами - важный шаг

Рис. 26.2
Схема А.И. Опарина, иллюстрирующая образование протоклеток из неорганических соединений

216

в переходе от химических смесей к организованным системам. Именно во внутренних полостях капель, куда могли попадать только избранные молекулы, началась эволюция от химических реакций к биохимическим (рис. 26.2).

В описанном сценарии перехода от сложных органических веществ к простым живым организмам существует много белых пятен. Здесь нет даже намека на то, как возникла способность к самовоспроизведению. Но, несмотря на это, рассмотренная гипотеза остается одним из самых перспективных направлений исследований формирования жизни.

Жизнь на суше Земли началась 2,6 миллиарда лет назад, т.е. на 1,4 миллиарда лет раньше, чем ученые думали до сих пор. Уже давно известно, что первые микроорганизмы в океане появились свыше 3,8 миллиардов лет тому назад, однако время выхода жизни на сушу до сих пор оценивалось как 1,2 миллиарда лет, согласно возрасту ископаемых останков органической жизни, обнаруженных в Аризоне (США). Недавно ученым из Южной Африки и США удалось обнаружить органические останки в горных породах возрастом около 2,6 миллиардов лет. Информация о точном времени выхода жизни на сушу очень важна для ученых, так как позволяет судить о времени важнейших событий в жизни Земли - формировании защитного озонового экрана и наличии в атмосфере кислорода.

Существует достаточно много моделей "добиологической" эволюции. Однако все они являются только первыми шагами на пути познания. Академик Б.С. Соколов по этому поводу сказал следующее: "Путь, который прошел органический мир от бактерии до нас с вами, более прост, чем путь, который связал сложные, но предбиологические молекулы с биологической эволюцией, формированием первых самовоспроизводящихся прокариот (клетки без оформленного ядра. - А.Б.)...".

В какой-то период развития Земли химическая эволюция перешла в биологическую. Вся суть проблемы в промежуточном звене между двумя эволюционными линиями.

217

Роль катализаторов. Катализаторы - вещества, ускоряющие химические реакции, не участвуя в них сами. Одна из гипотез химической эволюции состоит в том, что в геологическом прошлом шли реакции с отбором и закреплением тех каталитических центров, которые обладали самой высокой активностью. Менее активные быстро сходили со сферы химической эволюции.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Как связаны проблема возникновения жизни и геологическая эволюция?
2. Каковы вероятные причины и источники возникновения сложных органических соединений?
3. Какую роль в возникновении сложных органических соединений могли играть катализаторы?

218