Это продолжение статьи, начало - на предыдущих страницах данного раздела.

Жизнь зародилась в воде

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 и за счет других геотермальных источников энергии.

Первые эксперименты по неорганическому синтезу "органических" веществ в условиях первобытной Земли, провел в 1959 году С. Миллер (Miller S. L., 1959). Сконструированный им 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 (рис. 9).

 Рис. 9. Эксперимент Миллера, в котором под действием искрового разряда из водорода, метана, воды и аммиака в отсутствии кислорода образуются органические соединения.

В качестве источника энергии сначала использовался 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.

Опыты обнаружили, что 10—15 % углерода перешло в органическую форму. Около 2 % углерода оказались в виде аминокислот, причём  самым распространённым из них оказался глицин. В реакционной смеси также были обнаружены сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот - нуклеозиды. Первичный анализ показал наличие в конечной смеси 5 аминокислот. Однако, более точный повторный анализ, опубликованный в 2008 году, показал, что эксперимент привёл к образованию 22 аминокислот.

См. ссылку: /article/planetwa/voda_i_proichogdenie_gizni.htm

Оригинальные эксперименты Миллера вызвали большой интерес среди учёных всего мира. К аналогичным опытам приступили другие исследователи.

Гистограмма 2. Распределение соединений, полученных в опытах Миллера, по массе и числу атомов в молекуле (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 (Wilson A. T., 1960). В смеси полимеров образовались тонкие пленки размером около 1 см, представляющие собой поверхностно-активные вещества, скопившиеся на поверхности раздела газ - жидкость (см. рис. 10). Считается, что эти пленки молекул, синтезировавшихся на границе между разными фазами, играли важную роль на ранних стадиях возникновения жизни. Катализатором образования подобных пленок служила, по-видимому, сера, которая была широко распространена на первобытной Земле в форме зерен сульфидов, например, в пиритовых песках.

Рис. 10. Плоские плёнки органических макромолекул, образующихся при искровых разрядах в смеси аммиака, сероводорода, паров воды и золы пекарских дрожжей. Источник M. G. Rutten. The Origin of life by natural causes. Elsevier Publishich Comp., N. Y.,  1971.

В 1969 году Поннамперума и сотр. провели эксперименты, подобные экспериментам Миллера, используя в качестве источника энергии ультрафиолетовый свет (Ponnamperuma C., 1969). 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, поскольку 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, но также смогли синтезировать из этих блоков полимеры. Оказалось, что в присутствии цианистого водорода аминокислоты полимеризуются, образуя пептидные цепи. Причём, при добавлении фосфорной кислоты получались различные нуклеотиды.

Интересные результаты получил в 1965 году американский учёный Оро и сотр., показавший, что более крупные "органические" молекулы можно синтезировать и без помощи ультрафиолета, просто нагревая реакционную смесь (Oro J., 1965).

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 первые организмы в бескислородной атмосфере не подвергалась окислению, ничто не защищало их от губительного воздействия жесткого ультрафиолетового излучения. Поэтому надо учитывать, что в те времена, возможно, использовались другие источники энергии. Например, свободные радикалы и малые "органические" молекулы могли синтезироваться за счет высокоэнергетического ультрафиолетового излучения Солнца, а для синтеза из малых молекул других, более сложных соединений могли служить и менее мощные геотермальные источники энергии (рис. 11). Так, в растворах формальдегида с гидроксиламином, формальдегида с гидразином и в растворах, содержащих цианистый водород, в конце опыта обнаруживались аминокислоты (Oro J., 1965). В других экспериментах эти продукты полимеризовались в пептидные цепи - большой шаг к неорганическому синтезу белка. В системе с раствором цианистого водорода в водном аммиаке также появлялись более сложные соединения - пурины и пиримидины (азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот).

Рис. 11. Предполагаемые механизмы образования пуринов из водной смеси аммиака и цианистого водорода (вверху) и аденина из водной смеси аммиака и цианистого водорода (внизу). По данным Oro J., 1965

Все эти эксперименты указали возможный путь перехода от синтеза малых "органических" молекул за счет энергии ультрафиолетового солнечного излучения Солнца к более сложным "органическим" молекулам, образующимся при менее жестких воздействиях.

Как известно, молекулы протеинов построены из одной или нескольких полипептидных цепей, а те в свою очередь состоят из большого числа разных аминокислот. После того как образовались аминокислоты, может произойти следующий важный этап - их конденсация в полипептидные цепи. Учёные считают, что выделение молекулы воды, сопровождающее реакцию конденсации двух молекул аминокислот, - факт большой важности. Поскольку реакция поликонденсации сопровождается дегидратацией, скорость превращения будут выше при удалении воды из системы. Это соображение привело учёных к выводу, что раннее развитие жизни должно было происходить вблизи действующих вулканов, поскольку в ранние периоды геологической истории вулканическая деятельность шла более активно, чем в последующие времена. Однако дегидратация сопровождает не только полимеризацию аминокислот, но и объединение других строительных блоков в более крупные "органические" молекулы. Такое объединение всегда связано с реакцией конденсации, при которой от одного блока "отщепляется" атом водорода, а от другого - гидроксильная группа.

Первым возможность проведения реакций конденсации-дегидратации в условиях "первичного бульона" доказал в 1965 году американский учёный Кальвин (Calvin M., 1965). Из всех соединений лишь синильная кислота способна связывать молекулы воды "первичного бульона". Присутствие в "первичном бульоне" синильной кислоты доказано также первыми экспериментами Миллера.

Рис. 12. Реакции конденсации с дегидратацией, приводящие к образованию из отдельных строительных блоков более крупных "органических" молекул. Верхние три уравнения: конденсация и последующая полимеризация аминокислот в протеины, сахаров в полисахариды и кислот и спиртов в липиды. Нижнее уравнение - конденсация аденина с рибозой и фосфорной кислотой, в результате чего образуется нуклеотид. Полимеризация нуклеотидов в цепь нуклеиновой кислоты также представляет собой реакцию конденсации и протекает с выделением молекул воды.

Далее, обнаружилось, что два других, несколько более сложных соединения - цианамид и дицианамид HN(C = N)₂ - обладают ещё большей дегидратирующей способностью. Реакции с ними более сложны, их механизм еще не выяснен окончательно. В присутствии синильной кислоты и цианамидов конденсация отдельных блоков, сопровождаемая дегидратацией, может идти при нормальных температурах в сильно разбавленных водных растворах.

Интересные выводы сделал в 1966 году Эйбелсон, установивший, что реакции с синильной кислотой сильно зависят от кислотности водных растворов, в которых они протекают (Abelson Ph. H., 1966). Эти реакции не идут в кислых средах, тогда как щелочные условия (рН 8-9) им благоприятствуют. Учёные до сих пор спорят мог ли первичный океан имел такой состав, но вполне вероятно, что именно таким рН обладала озерная вода, соприкасавшаяся с базальтом, и эти реакции вполне могли происходить при контакте с базальтовыми породами.

Исследователи провели эксперименты, в которых безводную смесь аминокислот подвергали воздействию температур до 170 ⁰С. Оказалось, что наилучшие результаты по поликонденсации получаются со смесями, содержащими аспарагиновую и глутаминовую кислоты. Именно эти две аминокислоты относятся к числу важнейших аминокислот, встречающихся в современных организмах.

В ходе синтеза образовывались соединения, названные протеиноидами, сходные с природными белками. Так, они состояли из крупных молекул с молекулярной массой до 300000, сложенных из тех же блоков, что и природный белок. Они содержали 18 из 23 аминокислот, обычно встречающихся у современных организмов. Таким образом, они отвечали общему определению белка. С природным белком они сходны и по ряду других важных свойств, например по связыванию полинуклеотидов, по пригодности в пищу бактериям и крысам, по способности вызывать реакции, сходные с теми, которые катализируются ферментами в организмах. Так, эти искусственно синтезированные "органические" соединения способны каталитически разлагать глюкозу.

Другое важное свойство протеиноидных соединений - их "ограниченная гетерогенность". Это значит, что последовательность аминокислот в их пептидных цепях не совершенно случайна, а, напротив, более или менее закономерна. Но в то время было невозможно провести строгое сравнение этих искусственных соединений с природными белками, так как молекулы белков настолько сложны, что структура большинства из них еще не определена с достаточной точностью. Стремясь подчеркнуть сходство этих искусственных белковоподобных соединений с природными белками, Фокс назвал их протеиноидами. Поскольку они были синтезированы под действием тепла, в дальнейшем их стали называть "термическими протеиноидами".

С тех пор многое изучено в получении было сделано для изучения активности протеиноидов. Самое важное то, что промывая горячую смесь протеиноидов водой или водными растворами солей в среде образуются элементарные мембраноподобные микросферы – коацерваты (Rutten M. G., 1963). Размер микросфер очень мал, их диаметр составляет около 2 мкм. Внешне они напоминают мембрану клетки. Морфологические особенности протеноидных коацерватов показаны на рис. 13 и рис. 14.

Рис. 13. Электронные микрофотографии срезов протеноидных коацерватов. Источник M. G. Rutten. The Origin of life by natural causes. Elsevier Publishich Comp., N. Y.,  1971.

Рис. 14. Протеноидные коацерваты, сдвоенные при увеличении рН среды. Источник M. G. Rutten. The Origin of life by natural causes. Elsevier Publishich Comp., N. Y.,  1971.

Коацерваты довольно стабильны. Если их помещают в растворы иной концентрации, чем концентрация раствора, в котором они образовались, то они реагируют на внешние условия. В слишком концентрированных растворах они сморщиваются, в разбавленных набухают, т. е. их реакция на изменение осмотического давления сходна с реакцией живых клеток. Это объясняется наличием у них полупроницаемой наружной оболочки, сходной с мембраной клетки, которая может быть также и двойной.

Образование коацерватов из смеси искусственных протеинов важно потому, что оно дает нам материал для суждения о том, как мог произойти следующий шаг в развитии жизни. Это шаг от разрозненных "органических" молекул к группам организованных молекул, собранным в отдельные структуры и отделенным от окружающего мира примитивной мембраной, что было продемонстрировано нашим соотечественником академиком А.И. Опариным.

С учётом вышесказанного происхождение жизни выглядит так: Первым этапом живой эволюции, по-видимому, было образование при очень высоких температурах аминокислот и азотистых соединений – аналогов нуклеиновых кислот. Такой синтез вполне возможен наряду с другими, т. е. при воздействии электрических разрядов, ультрафиолетового излучения и высокой температуры. Возможность такого термического синтеза экспериментально доказана опытами многих исследователей (Fox S. W., 1965). Следующий этап - поликопденсация полученных аминокислот при температуре 170 или 65 С (в последнем случае в присутствии некоторых фосфатов). Реакция поликонденсации происходит, если в смеси имеется достаточно аспарагиновой и глутаминовой кислот. В смеси протеиноидов при воздействии на нее водой или кислыми водными растворами (дождем) образуются коарцерваты – предшественники клеток. Способность протеиноидов к выполнению некоторых функций, сходных с функциями ферментов живых организмов, выражается в том, что они могут в присутствии гидрата окиси цинка расщеплять нуклеотид АТФ, т. е. обладают слабой ферментативной активностью.

В настоящее время есть много способов экспериментального получения "органических" молекул неорганическим путем в условиях, моделирующих первичную атмосферу. Но, результаты этих экспериментов с геологической точки зрения не являются удовлетворительными, поскольку довольно трудно моделировать геологическое прошлое. Для появления первых древнейших форм жизни естественным путем существенно важны два условия. Во-первых, атмосфера должна быть бескислородной, во-вторых, должно иметься все необходимое для построения "органических" молекул - атомы углерода, азота, неорганические катализаторы и вода. Если эти условия будут выполнены, немедленно начнется образование "органических" соединений.

Но это означает, что формирование жизни - процесс, свойственный не только нашей Земле. В принципе, на любой планете, отвечающей двум вышеизложенным требованиям, находилась она в нашей Солнечной или в любой другой системе, могут идти аналогичные процессы. Ведь бескислородная атмосфера, содержащая нужные для синтеза "органических" соединений атомы и молекулы, - обычное для Вселенной явление. Остается одно главное условие для образования жизни - наличие жидкой воды. Таким образом, образование "органических" соединений из неорганических в водной среде - распространенный космический процесс.