Химия космоса химическая эволюция земли. Химическая эволюция. Участие минералов и горных пород

2.3. Химическая эволюция на Земле Одна из современных гипотез утверждает, что наша планета никогда не была расплавлена полностью (Лосев, 1985, с. 40–41). Предположение о том, что Земля сформировалась в виде относительно холодного твердого тела и затем постепенно разогревалась

Происхождение и эволюция австралопитеков В настоящее время большинство антропологов считают, что род Homo берет свое начало от группы австралопитеков (хотя следует сказать, что некоторые ученые отрицают этот путь). Сами австралопитеки эволюционировали из дриопитековых

Глава 211. Абиогенная (химическая) эволюция (VIII) Гипотезы о происхождении жизни на Земле исходят в основном из двух предположений. Это либо гипотеза панспермии (что многих не устраивает, поскольку, как они полагают, она лишь отодвигает событие в прошлое и не решает

В качестве актуальной области знания, объединяющей в своем предмете неорганическую и органическую природу, химия является в полном смысле этого слова интегральной, смежной наукой, призванной раскрыть тайны возникновения жизни, объективную структуру смежных систем развивающейся природной действительности. Познавательные и общественные функции химии требуют самого внимательного и всестороннего анализа философских оснований науки, включая, прежде всего, проблемы химической эволюции, ее специфики и взаимосвязи с физическими и биологическими, а отчасти также и социальными процессами.

Главной теоретической дисциплиной, изучающей химическую форму движения материи, является химия, дифференцировавшаяся к настоящему времени на множество дисциплин, неразрывно связанных друг с другом. Накопив огромный эмпирический материал, химия является одним из важнейших источников развития материалистической диалектики. В свою очередь, она сама творчески использует диалектику, что диктуется необходимостью создания теории, обобщающей и синтезирующей различные химические дисциплины в единое целое.

Химическая форма движения материи есть результат длительной эволюции. Она крайне неоднородна в своей основе и охватывает область от простейших химических соединений до белковоподобных структур, возникающих абиотическим путем. Можно выделить два больших этапа возникновения химической формы движения материи. Первый возникновение химических элементов в астрофизических и ядерных процессах. Поскольку при этом не образуются химические связи, то становление химических элементов не есть непосредственное развитие самих химических систем. «Эволюция в рамках периодической системы не носит химического характера». Второй этап - развитие собственно химической формы движения материи - наиболее полно развертывается лишь в планетарных условиях, в геохимических процессах. При наличии благоприятных условий химические системы способны порождать те или иные формы жизни. Само возникновение жизни есть одна из магистралей эволюции. «Жизнь, - подчеркивал еще Ф. Энгельс, - должна была возникнуть химическим путем». Химическая эволюция, приведшая к возникновению примитивных форм жизни, выступает непосредственно как предбиологическая эволюция. Все богатство разнообразных объектов хи­мической формы движения материи возникло не сразу, а лишь в ходе длительной эволюции. Химическая форма движения материи эволюционна в своей основе. Именно непонимание этой эволюционности ведет к всевозможным виталистическим и теологическим концепциям в химии.

Химическая эволюция - единственный путь, ведущий к возникновению жизни. Идеалистами этот путь или отрицается, или объясняется следствием действия духовного начала.

По сути дела, к таким же выводам неизбежно ведет и концепция Жака Моно, который пытается опровергнуть диалектический материализм, предварительно отнеся его, как и позитивизм Г. Спенсера и учение Тейяра де Шардена, к разряду концепций, в которых объективные явления выводятся из законов развития субъективного. Так, он приписывает диалектическому материализму идею Тейяра о некотором факторе, создающем направленность «космической эволюции» к человеку. Сам Ж. Моно к теории эволюции относится отрицательно, о чем свидетельствует его тезис об абсолютно изолированном от влияния внешнего мира характере ДНК, которая совершенно неспособна «к получению какой-либо информации из внешнего мира». Этот тезис необходимо требует (при последовательном приведении) признания единого акта творения. Ж. Моно убежден, что жизненные процессы полностью сводятся к закономерностям молекулярного уровня.

Его абсолютный редукционизм, по сути дела, отрицает качественно новые особенности, возникающие в результате саморазвития систем, их интеграции.

Концепция «сведения» всех особенностей развития и функцио­нирования живого к законам физики и химии является явно механистичной. Но последовательный механицизм неизбежно ведет к своей противоположности - витализму. Например, Эльзассер постулирует наличие в неживой природе особых биотонических законов, которые и обеспечивают возникновение живого. Он на словах открещивается от витализма, но эти таинственные законы, по сути, ничем не отличаются от жизненной силы виталистов. Взгляды Эльзассера анализирует известный физик Е. Вигнер. Придя к выводу, что «согласно квантовомеханической теории вероятность существования самопроизводящихся состояний равна нулю», он далее пишет «о доминирующей роли такого явления, как сознание» для самоорганизующихся систем. Этот вывод весьма характерен; последовательный механицизм независимо от того, из законов какой именно механики - классической, статистической или квантовой - он исходит, не будучи в состоянии понять историческое возникновение самих законов (например, биологических), вынужден апеллировать к ведущей роли сознания.

Исходя из классической статистики, на основе допущения о разовом возникновении белковой молекулы неотомист Веттер приходит к выводу о том, что для свершения подобного события необходимо 10243 миллиардов лет. Отсюда он делает вывод о божественном происхождении живого.

Классическая статистика, как и феноменологическая термодинамика, до сих пор подвергается произвольному истолкованию, особенно второе начало термодинамики, на основе которого пытаются сделать откровенно виталистические выводы.

Подобные концепции необходимо подвергать детальной критике с позиций материалистической диалектики, с привлечением естественнонаучного материала. В ходе такой критики должна решаться триединая задача: во-первых, обоснование ложности идеалистических трактовок; во-вторых, материалистическое объяснение эволюционных процессов, и в частности химической эволюции; в-третьих, философское обобщение естественнонаучного материала, разработка общефилософских принципов. Для разработки этих принципов особенно велико значение химии, накопившей богатейший эмпирический и теоретический материал.

Химическая эволюция - результат длительного развития, осуществляемого через ряд промежуточных ступеней, имеющего определенную направленность и закономерно приводящего к качественно новому состоянию материи. Развитие химических систем имеет черты, общие для всех развивающихся систем. Как известно, подобные черты, независимые от качественной специфики систем, исследуются философией. «Всякое развитие, - писал К. Маркс, - независимо от его содержания, можно представить как ряд различных ступеней развития, связанных друг с дру­гом...». Главными вопросами теории развития, справедливыми и для химической формы движения, являются вопросы об исходной причине развития, его направленности, о том, чем обусловлено возникшее качественно новое состояние.

Вопрос о развитии, о становлении нового качества является предельно общим, философским. В качестве его конкретизации выступает вопрос о возникновении жизни в результате длительной предбиологической эволюции. Решить вопрос в общем плане - значит дать верную методологию для решения частных вопросов.

Возникающие в результате какого-либо процесса качественно новые системы неаддитивные исходным. В процессе химической эволюции возникает множество качественно новых систем. Помимо ответа на вопрос о причинах и направленности развития большое значение имеет здесь понимание обусловленности качественно нового состояния. Развитие на химическом уровне позволяет в значительной степени вскрыть некоторые общефилософские закономерности, важные для выяснения этой обусловленности. Ф. Энгельс показал взаимосвязь химии и философии, раскрыв, в частности, на материале химии механизм действия закона перехода количественных изменений в качественные, а далее, опираясь на этот закон, дал определение самой химии. На основе материала современной химии в настоящее время делаются попытки развить далее закон перехода количественных изменений в качественные.

Возникающие в итоге развития качественно новые системы имеют ряд особенностей по сравнению с исходными. Главной из них будет усиление момента динамичности, сложности. При этом, как уже указывалось, неизбежно происходит интеграция свойств и сторон. Далее, чем больше компонентов будет входить в целое, тем большим числом способов они могут быть взаимосвязаны в нем, влияя друг на друга. Неизбежным следствием этого явится увеличение избирательности, неповторимости каждой индивиду­альной системы. Практически необозримое число самых разнообразных и специфичных белков, в которые во всех случаях входит не более 22 разнокачественных аминокислот, свидетельствует об этом. И, наконец, в итоге химической эволюции претерпевает изменение такая сторона системы, как способность к отражению, в первую очередь генезис развивающихся систем и их взаимодействий.

Современная химия является теоретической дисциплиной, лежащей между физической и биологической теориями. Она, развиваясь, переходит от качественных и полуколичественных представлений к более строгой количественной теории. Широко используются в ней квантовые представления. Значительные успехи, достигнутые в этом направлении, в то же время сопровождаются различными ошибками, которые носят ярко выраженный мировоззренческий, методологический характер. Особенно много прямо противоречащих друг другу толкований вызывает концепция сведения химии к физике. Данная концепция в данный момент оживленно дискутируется.

Между физической, химической и биологической формами движения материи существует структурно-генетическая связь, имеет место эволюционный переход от низших форм движения к высшим. Отрицание подобного перехода, по сути дела, будет означать отрицание эволюции форм движения материи и материального единства мира. Наличие генезиса одних форм из других является основанием для утверждения о выведении высшего из низшего. Между физической, химической и биологической теориями, по-видимому, должны существовать переходы, поскольку аналогичные переходы объективно существуют в природе между формами движения. Выявление перехода и связей между теориями необычайно способствует интеграции научного знания.

Непонимание диалектического единства форм движения материи ведет к их резкому противопоставлению. Подобная установка приводит к ничем не обоснованным выводам о действии в живом особых физических законов. Например, К. С. Тринчер говорит о действии четвертого закона термодинамики. Физические законы едины для живой и неживой материи, но отсюда совершенно не следует, что химические и биологические законы не имеют никакой специфики. Их специфика лежит в иной области.

Современные философские основания химии существенно оп­ределяются анализом процесса химической эволюции. Вопрос о химической эволюции особенно актуален потому, что в ее рамках происходит переход от неживого к живому. Игнорирование данного перехода, попытки объяснить биологическое непосредственно из физического приводят к механипизму (его разновидности - физикализму), а постулирование «пропасти» между живым и неживым и безуспешные усилия обнаружить биологическое в рамках физического - к всевозможным разновидностям преформизма и витализма.

Исследования химической формы движения материи имеют большое значение для научной философской теории и общественно-исторической практики. Наряду с конкретным решением частных вопросов необходимо рассматривать и философские проблемы химической формы движения материи, ибо «кто берется за частные вопросы без предварительного решения общих, тот неминуемо будет на каждом шагу бессознательно для себя «натыкаться» на эти общие вопросы».

Химическая форма движения материи выступает как высшая форма движения в неорганической природе. Будучи переходной между физической и биологической формами движения, она играет интегрирующую роль, обеспечивая единство, их взаимосвязь и переход между ними. Химическая форма движения материи представляет особый интерес для выявления, изучения и конкретизации общих принципов системного развития, что затруднительно сделать на основе исследования физической формы движения материи вследствие ее сравнительной бедности и элементарности или же биологической - из-за ее чрезвычайно высокой динамичности и сложности, подчас затемняющей отделение главного от побочного и второстепенного.

Химическая эволюция послужила, по представлениям современной науки, основой для появления жизни в нашей звездной системе. Для возникновения жизни во Вселенной необходимо выполнение ряда условий: наличие нуклеосинтеза, звездообразования, трехмерного пространства, в котором только и могут существовать атомы, планетные системы и др. Открытия в области космологии дают основания для утверждения, что "жизнь есть результат естественных процессов, происходящих во Вселенной" (С. Поннамперума). В связи с проблемой жизни наиболее существенным элементом химической эволюции, разыгрывающейся во Вселенной, является трансформация углеродных соединений, лежащих в основе возникновения земной жизни.

Углерод относится, бесспорно, к наиболее распространенным элементам в космосе, ибо для своего нуклеосинтеза он не требует (подобно таким легким элементам, как гелий, азот или кислород) никаких необычных источников энергии, например в виде вспышек "сверхновых" звезд. Присутствие углерода обнаружено в спектрах всех классов звезд. Правда, в звездах, температура поверхности которых составляет около 25000°С, углерод выступает только в ионизованном состоянии или в виде атомов. Но уже в звездах класса А с температурой поверхности около 10000°С имеются условия, способствующие возникновению соединений углерода с водородом. Количество этих соединений возрастает по мере уменьшения температуры звезд. В случае Солнца, температура поверхности которого составляет около 6000 °С, установлено наличие простейших углеводородов и циана (П. Девис). Наиболее интересными в этом плане являются углеродные звезды, называемые также "красными гигантами". Они характеризуются значительным избытком углерода относительно кислорода, что позволяет предполагать существование в их атмосферах значительного количества различных углеродных соединений.

Согласно результатам исследований английского астрофизика Ф. Хойла, в атмосфере углеродных звезд постоянно возникают зерна графита размером порядка нескольких сот ангстрем, которые под влиянием давления света выталкиваются в межзвездное пространство, образуя там облака графитовой пыли и становясь в этой среде источником разнородных углеродистых соединений. В настоящее время имеются указания на то, что частицы космической пыли обладают сложным строением - силикатное ядро, окруженное оболочкой из органических веществ, в которой, очевидно, протекают различные химические процессы (Дж. Гринберг). Многочисленные звезды являются местом первичного синтеза исходных углеродных соединений, которые могут быть рассматриваемы как предвозвестники более сложных органических соединений. "Известный афоризм, что и мы и звезды сделаны из одного материала, - не пустые слова. Атомы, из которых состоят различные молекулы атмосферы, земной коры, рек, озер и океанов, растений и животных, возникли при рождении Галактики" (С. Поннамперума).

В Галактике непрерывно происходит процесс формирования новых звезд из межзвездной материи, но одновременно возникшие звезды отдают часть своего вещества окружающей их среде, обогащая ее углеродными соединениями. Таким образом, в космическом пространстве возникают условия, благоприятные синтезу различных органических соединений. В межзвездных газопылевых облаках могут развиваться сложные химические процессы, в результате которых в космическом пространстве накапливается все больше простых и более сложных органических субстанций. Так, радионаблюдения показывают, что в нашей Галактике звездообразующие облака включают в себя такие органические межзвездные молекулы, как муравьиная кислота, формальдегид, этанол и др. (Н. Сковилл, Дж. Янг), что в некоторых участках туманности Андромеды имеются молекулы циана и формальдегида (А.С. Шаров).

Источником возникающих в Космосе углеродных соединений являются не только горячие атмосферы звезд, но и ледяные зерна межзвездной пыли. Это означает, что углеродные органические соединения могут возникать, существовать и эволюционировать в весьма широком интервале температур в границах от ЗООО°К (атмосферы углеродных звезд) до 2°К (газопылевые облака). Это является главной причиной того, что и атмосферы звезд, и образования газопылевой материи, и небесные тела типа комет, а также и все межзвездное пространство насыщены большим обилием углерода и его соединений (Г.А. Гурзадян).

Исследования в области квантовой химии холода показали, что благодаря специфически квантовому явлению, так называемому "туннельному эффекту", химические реакции могут идти даже при температурах, близких к абсолютному нулю (В.И. Гольданский). Из экспериментов следует, что реакции полимеризации твердых органических веществ происходят непосредственно в ходе облучения вещества ультрафиолетом уже при температуре жидкого гелия (-269°С). Значимость этих исследований состоит в том, что они показывают возможность синтеза органических молекул, которые составляют основу живой материи, в условиях космического холода под действием космической радиации. Очевидно, "туннельный эффект" играет достаточно важную роль в функционировании биомолекул, он "работает" как в области глубокого холода, так и в области температур выше 200°К (В.И. Гольданский).

Одним из основных процессов, лежащих в основе функционирования реальных биосистем, является перенос (с помощью "туннельного эффекта") электрона в белке (Э.Г. Петров). В результате этого происходит перестройка ядерной конфигурации макромолекулы, которая оказывает влияние на биоэнергетику клетки. Имеются данные о том, что "туннельные эффекты" в многоатомных системах определяют формирование таких биологических свойств, как раздражимость и возбудимость (М.А. Шишло, С.Х. Кубли, В.П. Нужный).

Важность квантовомеханических методов исследования в биохимии заключается в том, что основную роль в жизненных процессах играют делокализованные электроны. Их источниками являются те природные элементы, которые составляют основную часть биохимических веществ.

Известно, что живые системы на 99% состоят из водорода, углерода, азота и кислорода, причем последние три элемента наиболее легко образуют кратные связи. Сюда же относятся и такие весьма важные для биохимических процессов элементы, как сера и фосфор. Эти пять элементов даже в случае одинарных связей располагают "неподеленной парой электронов", способной делокализоваться и связывать сопряженные участки. Поэтому неудивительно, что все "наиболее важные биохимические вещества, связанные с основными функциями живой материи или осуществляющие эти функции, представляют собой полностью или по крайней мере частично сопряженные системы" (Б. Пюльман, А. Пюльман).

К соединениям с сопряженными связями, составляющим основные структурные и функциональные единицы живой клетки, относятся нуклеиновые кислоты, белки, богатые энергией фосфаты и большинство ферментов. Так как эти соединения относительно сложны, а природа не прощает излишеств, то они обладают некоторой существенной особенностью, позволяющей им участвовать в жизненных процессах. Этой особенностью является делокализация электронов, придающая молекуле дополнительную устойчивость (т.е., например, может определять устойчивость молекул к действию излучений и представлять основу для отбора на молекулярном уровне) и обеспечивающая возможность таких реакций, которые не характерны для молекул других типов. Динамичность жизни согласуется с динамичностью "электронного облака" в сопряженных молекулах. Следовательно, такие системы можно рассматривать и как исходную структуру, и как главную основу жизни.

Специфика философии химии

Химия в содружестве с другими науками и в тесном союзе с философией, дает обширный, фундаментальный материал для выработки у ученого научно-философских взглядов на природу и окружающий мир.

Известно, что практические достижения химии стали одним из важнейших моментов происходящей научно-технической революции, а масштабы производственно-химической деятельности людей стали весьма ощутимыми по своим воздействиям на природу и общество. Стремительный рост химизации производства ставит ряд проблем философского и социологического характера.

Экономическая, политическая, идеологическая, нравственная, эстетическая сторона развития химии и химизации производства, их роль в прогрессе техники, производительных сил, в отношениях общества с природой, и опосредованные социальные последствия химизации, и обратное влияние различных социальных факторов на ход развития химической науки, на направление практических применений ее достижений - вот некоторые из этих вопросов.

Можно выделить три основные группы философских вопросов химии. Первая из них связана с обобщением того нового, что достигла химия в познании вещества, с выявлением того, как она обогащает общую научную картину вещества, природы, каково мировоззренческое значение сделанных открытий. Это онтологический аспект достижений химии. Разработка этих вопросов позволяет выяснить, глубже понять сущность тех или иных открытых химией явлений, увидеть их связи с другими - физическими и биологическими и прочими явлениями, осмыслить их место в общей системе природы. Разработка этих вопросов необходима не только для выработки общего научного мировоззрения, соответствующего достигнутому уровню знаний о природе и для корректировки дальнейших направлений химического исследования. Вторую и самую обширную группу вопросов составляют вопросы гносеологические и методологические. В них затрагивается сама познавательская деятельность химика, ее логический инструментарий, анализ развивающегося химического знания применяемых в химии понятий абстракций, методов исследования и т.д. Результаты познания, оформляясь в виде новых понятий, принципов, теорий, всегда становятся и инструментами дальнейшего познания. Раскрыть не только общую естественнонаучную мировоззренческую значимость новых знаний, но их значение в развитии познавательного аппарата науки, их функционирования в роли орудий и средств познания - вот задача исследований методологической и гносеологической стороны химии. Это вопросы в условиях бурного развития современной химии, растущей математизации, абстрактности знаний приобрели особую остроту и значимость. Третья группа философскиx вопросов химии - это вопросы, относящиеся к раскрытию социального аспекта развития химии и химической практики. Это вопросы, связанные с превращением химии в производительную силу, связанные с тем, вырабатываемые наукой понятия становятся орудиями практической деятельности людей по преобразованию объективной действительности. Это вопросы, связанные и с тем, что изучаемые химией вещества - не только загадочный предмет упорных научных исследований, но и то, что жизненно нужно человечеству. Наличие или отсутствие тех или иных видов вещества, доставляемое химией умением переделывать вещество, управлять его свойствами и превращениями, все это является существенным фактором общественного развития и заметно отражается на различных сторонах жизни общества. Конечно, деление философских проблем химии на указанные три группы довольно условно. Законы бытия, объективного мира и законы познания, мышления не есть нечто абсолютно независимое друг от друга, они едины, совпадают и в определенном смысле тождественны. Субъективная диалектика, диалектика понятий есть отражение диалектического движения действительного, объективного мира. Поэтому первую группу вопросов (онтологический аспект) нельзя полностью оторвать от гносеологических проблем. Общая научная картина природы, вещества представляет собой результат познания; она выражается в понятиях, в абстракциях и несет на себе печать гносеологической, методологической позиции исследователей и сама выступает, в свою очередь, орудием познания, базой для совершенствования познавательного аппарата науки, возникновения и решения, гносеологических и методологически вопросов (например, для анализа сдвигов в структуре научной теории). Группа вопросов, касающихся социального аспекта химии, тоже не может быть полностью оторвана от гносеологических и онтологических. Разработка гносеологических, мировоззренческих проблем в науке всегда несет на себе печать идеологической борьбы, социальных процессов своего времени. Мировоззренческое значение тех или иных достижений химии не ограничиваются только тем, что они дают данные для уточнения общих представлений о природе. Место и роль химии и химической деятельности человечества в общей картине бытия полнее могут быть раскрыты лишь с учетом их социального аспекта, влияния на жизнь людей, на состояние отношений общества с природой. Философские вопросы химии, как и всякой другой частной науки, не являются вопросами абсолютно самостоятельными внешними по отношению к ней, вопросами, волнующими лишь отдельных любителей, стремящихся удовлетворить свою праздную любознательность. Можно без преувеличения сказать, что философские вопросы выступают как одна из непременных составных частей в разработке научных и практических проблем химии. Союз химии и философии имел место на протяжении всей их истории. Будучи составной частью в истории формирования обшей естественнонаучной картины мира, история познания химических свойств вещества, история практического овладения им, тесно переплеталась с историей развития отношения человека с окружающим миром, с историей познания материальной и духовной стороны этих отношений. История химии убедительно свидетельствует о том, что многие крупные представители этой науки отличались высокой философской, гносеологической культурой и в той или иной мере всегда проявляли интерес к мировоззренческой, методологической и социальной стороне развития химии, а характер и уровень их философской позиции всегда отражался в направлениях, методах и результатах их исследований. Вопросы общего мировоззренческого характера и вопросы, касающиеся законов познания, особенно тесно вплетены в повседневную деятельность химика. Химическая наука находится сейчас на пороге грандиозного взлета. Ей предстоит выяснить процессы образования минералов земной коры, химических соединений на других планетах и звездах, проникнуть в самые тайники биохимических превращений, вооружить промышленность, сельское хозяйство, здравоохранение новыми синтетическими препаратами. Те успехи, которые одерживала химия в познании природы, явились результатом тесного единства в развитии химической теории и практики. Развитие химии убеждает в необходимости дальнейшего углубленного изучения механизмов научного мышления химиков, его «технологии», его особенностей на разных этапах химической науки. Гносеологический анализ познавательной деятельности химика, его абстракций, моделей, применяемых методов упрощения и идеализации важен в первую очередь для самих химиков. Недостаточное понимание действия и природы средств познания, их происхождения и возможностей обычно оказывается причиной методологических ошибок в исследованиях и выводах, беспомощности перед натиском метафизических и идеалистических спекуляций на гносеологических трудностях при замене одних абстракций на другие, приводит к напрасной трате научных сил и материальных средств. В заключение можно сказать, что философские вопросы химии не являются вопросами, без решения которых эта наука может быстро и успешно развиваться. Эти вопросы, так или иначе выступают как одна из составных частей и в разработке конкретных научных проблем современной химии, прежде всего ее больших теоретических проблем, и в повседневной деятельности химика по добыванию новых знаний о веществе, по преобразованию веществ природы в жизненно нужные людям материальные блага.

Ничтожное ничто - начало всех начал.

(Теодор Рётке, "Вожделение")

Теория химической эволюции - современная теория происхождения жизни - также опирается на идею самозарождения. Однако в основе ее лежит не внезапное (de novo) возникновение живых существ на Земле, а образование химических соединений и систем, которые составляют живую материю. Она рассматривает химию древнейшей Земли, прежде всего химические реакции, протекавшие в примитивной атмосфере и в поверхностном слое воды, где, по всей вероятности, концентрировались легкие элементы, составляющие основу живой материи, и поглощалось огромное количество солнечной энергии. Эта теория пытается ответить на вопрос: каким образом в ту далекую эпоху могли самопроизвольно возникнуть и сформироваться в живую систему органические соединения?

Общий подход к химической эволюции первым сформулировал советский биохимик А. И. Опарин (1894–1980). В 1924 г. в СССР была опубликована его небольшая книга, посвященная этому вопросу: в 1936 г. вышло в свет ее новое, дополненное издание (в 1938 г. она была переведена на английский язык). Опарин обратил внимание на то, что современные условия на поверхности Земли препятствуют синтезу большого количества органических соединений, поскольку свободный кислород, имеющийся в избытке в атмосфере, окисляет углеродные соединения до диоксида углерода (углекислого газа, СО 2). Кроме того, он отмечал, что в наше время любое органическое вещество, "брошенное на произвол" на земле, используется живыми организмами (подобную мысль высказывал еще Чарльз Дарвин). Однако, утверждал Опарин, на первичной Земле господствовали иные условия. Можно полагать, что в земной атмосфере того времени отсутствовал кислород, но в изобилии имелись водород и газы, содержащие водород, такие, как метан (СН 4) и аммиак (NН 3). (Подобную атмосферу, богатую водородом и бедную кислородом, называют восстановительной в отличие от современной, окислительной, атмосферы, богатой кислородом и бедной водородом.) По мнению Опарина, такие условия создавали прекрасные возможности для самопроизвольного синтеза органических соединений.

Обосновывая свою идею о восстановительном характере примитивной атмосферы Земли, Опарин выдвигал следующие аргументы.

1. Водород в изобилии присутствует в звездах (рис. 6 и фото 1).

Рис. 6. Линии водорода в спектре яркой звезды Сириус. Этот спектр звезды (белые линии на темном фоне) сравнивается с двумя спектрами, полученными в лаборатории (темные линии на светлом фоне). Все самые яркие и широкие линии в спектре - линии водорода. (Фотографии сделаны на Маунт-Паломарской обсерватории.)

2. Углерод обнаруживается в спектрах комет и холодных звезд в составе радикалов СН и CN, а окисленный углерод проявляется редко.

3. Углеводороды, т. е. соединения углерода и водорода, встречаются в метеоритах.

4. Атмосферы Юпитера и Сатурна чрезвычайно богаты метаном и аммиаком.

Как указывал Опарин, эти четыре пункта свидетельствуют о том, что Вселенная в целом находится в восстановительном состоянии. Следовательно, на первобытной Земле углерод и азот должны были находиться в таком же состоянии.

5. В вулканических газах содержится аммиак. Это, считал Опарин, говорит о том, что азот присутствовал в первичной атмосфере в виде аммиака.

6. Кислород, содержащийся в современной атмосфере, вырабатывается зелеными растениями в процессе фотосинтеза, и, следовательно, по своему происхождению это биологический продукт.

На основании этих рассуждений Опарин пришел к заключению, что углерод на примитивной Земле впервые появился в виде углеводородов, а азот - в виде аммиака. Далее он высказал предположение, что в ходе известных ныне химических реакций на поверхности безжизненной Земли возникали сложные органические соединения, которые по прошествии довольно продолжительного периода времени, по - видимому, и дали начало первым живым существам. Первые организмы, вероятно, представляли собой очень простые системы, способные лишь к репликации (делению) за счет органической среды, из которой они образовались. Выражаясь современным языком, они были "гетеротрофами", т. е. зависели от окружающей среды, которая снабжала их органическим питанием. На противоположном конце этой шкалы находятся "автотрофы" - например, такие организмы, как зеленые растения, которые сами синтезируют все необходимые органические вещества из диоксида углерода, неорганического азота и воды. Согласно теории Опарина, автотрофы появились только после того, как гетеротрофы истощили запас органических соединений в примитивном океане.

Дж. Б.С. Холдейн (1892–1964) выдвинул идею, в некотором отношении сходную со взглядами Опарина, которая была изложена в популярном очерке, опубликованном в 1929 г. Он предположил, что органическое вещество, синтезированное в ходе естественных химических процессов, протекавших на предбиологической Земле, накапливалось в океане, который в конце концов достиг консистенции "горячего разбавленного бульона". По мнению Холдейна, примитивная атмосфера Земли была анаэробной (свободной от кислорода), однако он не утверждал, что для осуществления синтеза органических соединений требовались восстановительные условия. Таким образом, он допускал, что углерод мог присутствовать в атмосфере в полностью окисленной форме, т. е. в виде диоксида, а не в составе метана или других углеводородов. При этом Холдейн ссылался на результаты экспериментов (не собственных), в которых доказывалась возможность образования сложных органических соединений из смеси диоксида углерода, аммиака и воды под действием ультрафиолетового излучения. Однако в дальнейшем все попытки повторить эти эксперименты оказались безуспешными.

В 1952 г. Гарольд Юри (1893–1981), занимаясь не собственно проблемами происхождения жизни, а эволюцией Солнечной системы, самостоятельно пришел к выводу, что атмосфера молодой Земли имела восстановленный характер. Подход Опарина был качественным. Проблема, которую исследовал Юри, была по своему характеру физико-химической: используя в качестве отправной точки данные о составе первичного облака космической пыли и граничные условия, определяемые известными физическими и химическими свойствами Луны и планет, он ставил целью разработать термодинамически приемлемую историю всей Солнечной системы в целом. Юри, в частности, показал, что к завершению процесса формирования Земля имела сильно восстановленную атмосферу, так как ее основными составляющими были водород и полностью восстановленные формы углерода, азота и кислорода: метан, аммиак и пары воды. Гравитационное поле Земли не могло удержать легкий водород - и он постепенно улетучился в космическое пространство. Вторичным следствием потери свободного водорода было постепенное окисление метана до диоксида углерода, а аммиака - до газообразного азота, которые через определенное время превратили атмосферу из восстановительной в окислительную. Юри предполагал, что именно в период улетучивания водорода, когда атмосфера находилась в промежуточном окислительно-восстановительном состоянии, на Земле могло образоваться в больших количествах сложное органическое вещество. По его оценкам, океан, по-видимому, представлял тогда собой однопроцентный раствор органических соединений. В результате возникла жизнь в ее самой примитивной форме.

Теория Юри имела одно важное последствие: она дала толчок успешным экспериментальным исследованиям. Однако, прежде чем говорить об экспериментах, основанных на гипотезе о первобытной атмосфере, богатой водородом, следует выяснить, насколько эта гипотеза соответствует геологическим данным. Этот вопрос активно обсуждался в последние годы. поскольку многие геологи сейчас сомневаются в том, что на Земле вообще когда-либо существовала сильно восстановительная атмосфера. Все эти доводы, лишь несколько видоизмененные, применимы и к Марсу; поэтому здесь целесообразно их вкратце рассмотреть.

Считается, что Солнечная система образовалась из протосолнечной туманности - огромного облака газа и пыли. Возраст Земли, как установлено на основе ряда независимых оценок, близок к 4,5 млрд. лет. Чтобы выяснить состав первичной туманности, разумнее всего исследовать относительное содержание различных химических элементов в современной Солнечной системе. В табл. 3 представлены данные о девяти наиболее распространенных элементах (на долю которых приходится 99,9 % всей массы Солнечной системы), полученные с помощью спектроскопических исследований Солнца; относительное содержание некоторых других элементов определено путем химического анализа метеоритного вещества. Как видно из таблицы, основные элементы - водород и гелий - вместе составляют свыше 98 % массы Солнца (99,9 % его атомного состава) и фактически Солнечной системы в целом. Поскольку Солнце - обычная звезда и к этому типу относится множество звезд в других галактиках, его состав в общем характеризует распространенность элементов в космическом пространстве. Современные представления об эволюции звезд позволяют предположить, что водород и гелий преобладали и в "молодом" Солнце, каковым оно было 4,5 млрд. лет назад.

В табл. 3 приведены также данные об элементном составе Земли. Хотя четыре основных элемента Земли относятся к числу девяти наиболее распространенных на Солнце, по своему составу наша планета существенно отличается от космического пространства в целом. (То же самое можно сказать о Меркурии, Венере и Марсе; однако Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун в этот список не попадают.) Земля состоит главным образом из железа, кислорода, кремния и магния. Очевиден дефицит всех биологически важных легких элементов (за исключением кислорода) и поразительна "нехватка" так называемых редких, или благородных, газов. подобных гелию и неону. В целом наша планета выглядит весьма бесперспективно для зарождения какой-либо жизни.

Элементный состав (проценты по массе) Солнечной системы и Земли

Главное положение теории Опарина - Юри заключается в том, что атмосфера молодой Земли, соответствовавшая по своему химическому составу протосолнечной туманности, имела ярко выраженный восстановительный характер. Однако, что бы там ни было, сейчас атмосфера Земли имеет окислительный характер. Она содержит 77 % азота, 21 % кислорода, в среднем 1 % водяных паров, около 1 % аргона и ничтожные количества (следы) других газов. Каким же образом могла возникнуть восстановительная атмосфера? Вероятно, основную роль здесь сыграли газы протосолнечной туманности: с момента возникновения Земля была обеспечена водородом и другими легкими элементами, которые, согласно теории Опарина - Юри, необходимы для начала химической эволюции. Учитывая дефицит легких элементов и особенно благородных газов, разумно предположить, что изначально Земля сформировалась вообще без атмосферы. За исключением гелия, все благородные газы - неон, аргон, криптон и ксенон - обладают достаточной удельной массой, чтобы их могло удержать земное тяготение. Криптон и ксенон, например, тяжелее железа. Поскольку эти элементы образуют очень мало соединений, они, по всей видимости, существовали в примитивной атмосфере Земли в виде газов и не могли улетучиться, когда планета достигла наконец своих нынешних размеров. Но поскольку на Земле их содержится в миллионы раз меньше, чем на Солнце, естественно допустить, что наша планета никогда не имела атмосферы, по составу близкой солнечной. Земля образовалась из твердых материалов, которые содержали лишь небольшое количество поглощенного или адсорбированного газа, так что никакой атмосферы сначала не было. Элементы, входящие в состав современной атмосферы, по-видимому, появились на первобытной Земле в виде твердых химических соединений; впоследствии под действием тепла, возникающего при радиоактивном распаде или выделении гравитационной энергии, сопровождающем аккрецию Земли, эти соединения разлагались с образованием газов. В процессе вулканической деятельности эти газы вырывались из земных недр, образуя примитивную атмосферу.

Высокое содержание в современной атмосфере аргона (около 1 %) не противоречит предположению, что благородные газы первоначально отсутствовали в атмосфере. Изотоп аргона, распространенный в космическом пространстве, имеет атомную массу 36, тогда как атомная масса аргона, образовавшегося в земной коре при радиоактивном распаде калия, равна 40. Аномально высокое содержание на Земле кислорода (по сравнению с другими легкими элементами) объясняется тем, что этот элемент способен соединяться с множеством других элементов, образуя такие очень стабильные твердые соединения, как силикаты и карбонаты, которые входят в состав горных пород.

Предположения Юри о восстановительном характере первобытной атмосферы основывались на высоком содержании на Земле железа (35 % общей массы). Он считал, что железо, из которого ныне состоит ядро Земли, первоначально было распределено более или менее равномерно по всему ее объему. При разогреве Земли железо расплавилось и собралось в ее центре. Однако, прежде чем это произошло, железо, содержащееся в том слое планеты, который сейчас называется верхней мантией Земли, взаимодействовало с водой (она присутствовала на примитивной Земле в виде гидратированных минералов, похожих на те, что обнаружены в некоторых метеоритах); в результате в первобытную атмосферу выделились огромные количества водорода.

Исследования, осуществляемые с начала 1950-х годов, поставили под вопрос ряд положений описанного сценария. Некоторые планетологи высказывают сомнения насчет того, что железо, сосредоточенное сейчас в земной коре, могло когда-либо равномерно распределяться по всему объему планеты. Они склоняются к мнению, что аккреция происходила неравномерно и железо конденсировалось из туманности раньше других элементов, образующих ныне мантию и кору Земли. При неравномерной аккреции содержание свободного водорода в примитивной атмосфере должно было оказаться ниже, чем в случае равномерного процесса. Другие ученые отдают предпочтение аккреции, но протекающей таким путем, который не должен приводить к образованию восстановительной атмосферы. Короче говоря, в последние годы были проанализированы различные модели образования Земли, из которых одни в большей, другие в меньшей степени согласуются с представлениями о восстановительном характере ранней атмосферы.

Попытки восстановить события, происходившие на заре формирования Солнечной системы, неизбежно связаны со множеством неопределенностей. Промежуток времени между возникновением Земли и образованием древнейших пород, поддающихся геологической датировке, в течение которого протекали химические реакции, приведшие к появлению жизни, составляет 700 млн. лет. Лабораторные опыты показали, что для синтеза компонентов генетической системы необходима среда восстановительного характера; поэтому можно сказать, что раз жизнь на Земле возникла, то это может означать следующее: либо примитивная атмосфера имела восстановительный характер, либо органические соединения, необходимые для зарождения жизни, откуда-то принесены на Землю. Поскольку даже сегодня метеориты приносят на Землю разнообразные органические вещества, последняя возможность не выглядит абсолютно фантастической. Однако метеориты, по-видимому, содержат далеко не все вещества, необходимые для построения генетической системы. Хотя вещества метеоритного происхождения, вероятно, внесли существенный вклад в общий фонд органических соединений на примитивной Земле, в настоящее время кажется наиболее правдоподобным, что условия на самой Земле имели восстановительный характер в такой степени, что стало возможным образование органического вещества, приведшее к возникновению жизни.

Опарин, по всей видимости, не пытался проверить свою теорию экспериментально. Возможно, он понимал, что существующие аналитические методы непригодны для того, чтобы охарактеризовать сложные смеси органических веществ, которые могли бы образоваться в результате разнообразных реакций между углеводородами, аммиаком и водой. Или, быть может, он довольствовался логической разработкой общих принципов, не считая нужным вникать в многочисленные детали. Как бы то ни было, но теория Опарина никогда не подвергалась проверке до тех пор, пока к ней не обратился Юри. А в 1957 г. его аспирант Стэнли Миллер поставил свой знаменитый эксперимент, благодаря которому проблема происхождения жизни превратилась из чисто умозрительной в научную, в самостоятельный раздел экспериментальной химии.

Моделируя условия па первобытной Земле, Миллер налил на дно колбы немного воды и заполнил ее смесью газов, которые, по мнению Юри, должны были составлять примитивную атмосферу: водорода, метана, аммиака. Затем через газовую смесь пропускался электрический разряд. К концу недели, проводя химический анализ растворенных в воде продуктов, ученый обнаружил среди них значительное количество биологически важных соединений, включая глицин, аланин, аспарагиновую и глутаминовую кислоты - четыре аминокислоты, входящие в состав белков. В дальнейшем эксперимент был повторен с использованием более совершенных аналитических методов и газовой смеси, в большей степени соответствующей принятым ныне моделям примитивной атмосферы. При этом аммиак (который, вероятно, был растворен в первичном океане) в основном заменили азотом, а водород вообще исключили, поскольку сейчас предполагается, что в самом лучшем случае его содержание в примитивной атмосфере было незначительным. В этом эксперименте образовались 12 аминокислот, входящих в состав белков , а также ряд других, небелковых соединений, что представляло не меньший интерес по причинам, о которых мы расскажем впоследствии.

Изучение этих необычных реакций синтеза показало, что электрический разряд вызывает образование определенных первичных продуктов, которые в свою очередь участвуют в последующих реакциях до тех пор, пока полностью не растворятся в воде, образуя конечные продукты. К числу наиболее важных первичных продуктов, возникающих в процессе синтеза, относятся цианистый водород (HCN), формальдегид (НСНО), другие альдегиды и цианоацетилен (HCCCN). Аминокислоты образуются из цианистого водорода по крайней мере двумя путями: в результате взаимодействия в растворе цианида, альдегида и аммиака и путем превращения самого HCN в аминокислоты - через сложную последовательность реакций, протекающих в водном растворе.

По всей вероятности, основным источником энергии на примитивной Земле, как и в настоящее время, было излучение Солнца, а не электрические разряды. Поэтому различные исследователи пробовали использовать в качестве источника энергии, необходимой для синтеза аминокислот, ультрафиолетовое (УФ) излучение. Эксперимент дал положительные результаты. Максимальный выход аминокислот был получен, когда в газовую смесь, предложенную Юри, включали сероводород (H 2 S), который поглощает более длинноволновое УФ-излучение, преобладающее на поверхности Земли. Аминокислоты образовались и в том случае, когда источником энергии служили ударные волны, порождающие короткие "всплески" высокой температуры и давления. Источники энергии такого типа, вероятно, возникали в первичном океане под действием волн, а в атмосфере создавались раскатами грома, электрическими разрядами и падающими метеоритами.

Важным дополнением к опытам Миллера явились эксперименты Хуана Оро, Лесли Оргела и их сотрудников. Они показали, что четыре основания РНК (три из них встречаются и в ДНК) образуются в последующих реакциях, в которые вступают первичные продукты реакций, вызванных искровым разрядом. Характерно, что в серии реакций, происходящих в водном растворе, цианистый водород самоконденсируется с образованием пуринового основания аденина; другая разновидность реакций такого типа производит еще один пурин-гуанин. Пиримидиновые основания цитозин и урацил получаются в заметных количествах из цианоацетилена в реакциях, которые также, возможно, происходили на примитивной Земле. Однако до сих пор не было сообщений о получении в таком "предбиологическом синтезе" тимина, который входит в молекулу ДНК вместо урацила.

Давно известно, что при определенных условиях формальдегид конденсируется в растворе, образуя различные сахара. Одним из продуктов этой реакции является рибоза - углеводный компонент РНК. Таким образом, как видим, большая часть молекулярных компонентов, формирующих генетическую систему, может возникать в результате ряда реакций, вполне вероятных в условиях примитивной Земли.

Недавние открытия, касающиеся химического состава метеоритов и межзвездных газово-пылевых облаков, свидетельствуют о том, что в нашей Галактике, как прежде, так и теперь, происходит в широких масштабах синтез биологически важных молекул. Метеориты, о которых пойдет речь, относятся к классу углистых хондритов и составляют около 5 % от общего числа метеоритов, ежегодно падающих на поверхность Земли. Эти интересные объекты представляют собой не претерпевшие существенных изменений "обломки" протосолнечной туманности. Они считаются первичными, поскольку образовались одновременно с Солнечной системой, т. е. 4,5 млрд. лет назад. Метеориты слишком малы, чтобы иметь собственную атмосферу, но по относительному содержанию нелетучих элементов углистые хондриты весьма сходны с Солнцем. Их минеральный состав свидетельствует о том, что они сформировались при низкой температуре и действию высоких температур никогда не подвергались. Они содержат до 20 % воды (связанной в виде гидратов минералов) и до 10 % органического вещества. С прошлого столетия углистые хондриты привлекали к себе внимание из-за их возможной биологической значимости. Шведский химик Якоб Берцелиус, обнаружив в метеорите Алэ (упавшем в 1806 г. на территорию Франции) органические вещества, поставил вопрос, свидетельствует ли их наличие в веществе метеорита о существовании внеземной жизни? Сам он полагал, что нет. Говорят, что у Пастера был зонд специальной конструкции для получения незагрязненных проб из внутренних частей метеорита Оргейль - другого известного хондрита, упавшего также во Франции в 1864 г. Произведя анализ проб на содержание в них микроорганизмов, Пастер получил отрицательные результаты.

До недавнего времени идентификации органических соединений в углистых хондритах не придавалось большого значения, поскольку довольно трудно выявить различия между соединениями, входящими в состав самого метеорита, и загрязнениями, приобретенными при вхождении в атмосферу Земли, ударе о ее поверхность или внесенными впоследствии человеком при сборе образцов. Сейчас благодаря разработке сверхчувствительных аналитических методов и тщательным мерам предосторожности при сборе образцов отношение к этому вопросу в корне изменилось. Два недавно изученных хондрита - метеориты, упавшие в 1969 г. в районе Мерчисона (Австралия) и в 1950 г. в Мюррее (США) - содержали ряд эндогенных аминокислот.

Имеются убедительные свидетельства в пользу того, что в основном обнаруженные аминокислоты не есть загрязнения. Так, многие из них относятся к аминокислотам необычного типа, которые не входят в состав земных организмов. Другое доказательство: некоторые широко распространенные аминокислоты, наличие которых обычно вызывается загрязнением, в метеоритах не обнаруживаются. И наконец, аминокислоты в углистых хондритах встречаются в виде двух оптических изомеров, т. е. в разных пространственных формах, представляющих собой зеркальные отражения друг друга, - это характерно только для аминокислот, синтезированных небиологическим путем, но не тех, которые имеются в живых организмах (см. гл. 1). Набор аминокислот, обнаруженный в метеоритах, напоминает аминокислоты, которые были получены в экспериментах с искровыми разрядами. Наборы эти не идентичны, но сходство настолько заметно, что позволяет предположить, что механизмы синтеза в обоих случаях совпадают. Другой возможный механизм синтеза аминокислот в метеоритах - реакция Фишера-Тропша, названная так в честь двух немецких химиков, которые разработали каталитический процесс получения бензина и других углеводородов из моноксида углерода (СО) и водорода. Оба этих газа широко распространены во Вселенной, как и необходимые для реакции катализаторы, например железо или силикаты. Пытаясь объяснить относительное содержание органических веществ в космическом пространстве на основе этой реакции, Эдвард Андерс и его коллеги из Чикагского университета установили, что при введении в реакционную смесь аммиака образуются аминокислоты, пурины и пиримидины. В этой реакции возникают те же самые промежуточные продукты - водород, цианид, альдегиды, цианоацетилен, - которые получаются в реакциях, происходящих под действием электрических разрядов. По-видимому, при- сутствие в метеоритах углеводородов, а также пуринов и пиримидинов легче объяснить реакцией синтеза Фишера- Тропша, чем реакцией под действием электрического разряда. До сих пор, однако, ни в одном лабораторном опыте не удалось в точности воспроизвести набор веществ, обнаруженных в метеоритах.

Содержание в метеоритах пуриновых и пиримидиновых оснований исследовано в меньшей степени, нежели наличие аминокислот. Тем не менее в Мерчисонском метеорите идентифицированы аденин, гуанин и урацил. Аденин и гуанин найдены в концентрации приблизительно 1-10 частей на миллион, что близко к относительному содержанию аминокислот. Концентрация урацила значительно ниже.

Недавно радиоастрономы открыли органические молекулы в межзвездном пространстве, что, безусловно, пополнило наши знания об органической химии Вселенной. Органические молекулы были обнаружены в гигантских газово-пылевых облаках, которые находятся в тех областях космического пространства, где, как полагают, формируются новые звезды и планетные системы. К моменту написания этой книги помимо присутствующих там, как и ожидалось, молекул водорода было обнаружено около 60 соединений. Наиболее распространен моноксид углерода. Гораздо реже встречаются такие в равной степени интересные соединения, как аммиак, цианистый водород, формальдегид, ацетальдегид (СН 3 СНО), цианоацетилен и вода, т. е. молекулы, которые в лабораторных опытах по химической эволюции рассматриваются как предшественники аминокислот, пуринов, пиримидинов и углеводов.

Эти открытия свидетельствуют о том, что повсюду во Вселенной происходит в широких масштабах синтез органического вещества и среди его конечных продуктов много биологически важных соединений, в том числе основных мономеров генетической системы и их предшественников. Не исключено даже (как предполагалось когда-то), что органические соединения - или, во всяком случае, часть их, - которые легли в основу первых живых организмов, имели внеземное происхождение. Эти открытия позволили осознать тот важный факт, что синтез биологических соединений не есть какой-то специфический химический процесс, возможный лишь в особо благоприятных условиях, характерных для нашей планеты, но представляет собой явление космического масштаба. Это сразу наводит на мысль, что в любой области Вселенной жизнь должна быть основана на химии углерода, сходной с той, что наблюдается на Земле, хотя и не обязательно ей идентичной.

Образование основных мономеров белков и нуклеиновых кислот из газов протосолнечной туманности - это только первый шаг в создании генетической системы. Чтобы сформировать необходимые полимеры, мономеры должны затем соединиться в цепочки. Это трудная проблема, и, хотя на нее обращается пристальное внимание, пока еще не предложено надежных способов образования полимеров, несущих генетическую информацию, из мономеров, существовавших, вероятно, на примитивной Земле.

Синтез полимеров как в живых системах, так и в лаборатории включает в себя этап присоединения очередного мономера к концу растущей цепи. На каждом таком этапе потребляется энергия и происходит выделение молекулы воды. При синтезе белков из аминокислот связь, образующаяся между мономерными звеньями полимера, называется пептидной. На рисунке показана схема образования пептидной связи между двумя молекулами аминокислот.

Буквой R обозначена любая из 20 различных боковых цепей белковых аминокислот. Когда третья молекула аминокислоты прикрепляется к концу дипептида, образуется трипептид и т. д., пока не сформируется полипептид. Такие реакции обратимы: например, дипептид, показанный выше, может, присоединив молекулу воды, вновь превратиться в аминокислоты: этот процесс сопровождается выделением энергии. Белковая молекула представляет собой полипептидную цепь с определенной последовательностью аминокислот, которая придает ей особые свойства и является продуктом длительной эволюции. Каждая цепь состоит из сотен соединенных в одну последовательность аминокислот, а молекулы некоторых белков включают две и более подобных цепей. В результате взаимодействия между составляющими их аминокислотами полипептиды формируют трехмерную структуру, которая и является активной формой белковой молекулы.

Полимеризация нуклеотидов, повторяющихся мономерных звеньев нуклеиновых кислот, приводит к образованию полинуклеотидов, или нуклеиновых кислот. Образование динуклеотида из двух нуклеотидов выглядит следующим образом:

Здесь буквой В обозначено любое из четырех оснований ДНК или РНК; цепочки из атомов углерода (С) соответствуют пятиуглеродному сахару с - ОН-группой, связанной с третьим атомом углерода. (Истинные циклические обозначения структуры углеводов приведены ранее на рис. 1.) Фосфорная кислота присоединена сначала к пятому атому углерода, а затем к углеродным атомам 5 и 3.

Для синтеза полимеров - как белков, так и нуклеиновых кислот - живые клетки вырабатывают богатые энергией молекулы, которые с помощью специфических белков-ферментов обеспечивают энергией каждый этап присоединения мономера. Помимо того что ферменты катализируют соответствующие реакции, они создают условия, необходимые для нормального ее протекания, устраняя все другие мешающие молекулы. Это существенно в случае, когда нужные для реакции молекулы составляют лишь небольшую часть из всех присутствующих в реакционной среде. Удаляются, например, молекулы воды, которые неизменно мешают протеканию реакции дегидратации.

Биологические полимеры могут быть синтезированы в лабораторных условиях и без участия ферментов. Синтез полипептидов и полинуклеотидов стал теперь обычным делом. Белки, идентичные тем, которые синтезируются клеткой, могут быть получены и получаются в лаборатории. При этом используют безводные растворители, очищенные мономеры высокой концентрации, прибегают к разного рода ухищрениям для защиты реакционных групп и применяют реагенты, обеспечивающие реакции энергией, что в сущности соответствует функциям, выполняемым обычно ферментами.

Попробуем сопоставить эти два высокосовершенных способа синтеза биополимеров - реализуемых в клетке и в лаборатории - с условиями, по-видимому, существовавшими на примитивной Земле. Единственным растворителем тогда была вода, необходимые для синтеза мономеры составляли лишь часть общего количества растворенных органических и неорганических веществ, реагенты, имевшиеся в достаточном количестве, были, вероятно, довольно просты, и, разумеется, полностью отсутствовали ферменты. До сих пор не ясно, как при столь неблагоприятных условиях могли образоваться даже короткие полимеры. По всей видимости, первобытный бульон состоял из множества самых разнообразных органических соединений. Чтобы произошел синтез полипептида или полинуклеотида, в бульоне должна была возникнуть особая группа соединений, которые сконцентрировались бы и соединились друг с другом. Представить себе этот первый этап, наверное, особенно трудно. Простой концентрации первичного бульона здесь явно недостаточно. Скорее всего, этот бульон представлял собой сложную смесь многих соединений, которые должны были мешать образованию полимеров, прикрепляясь, например, к концу растущей цепи и останавливая тем самым ее рост.

Фото 1. Туманность в созвездии Орион. Гигантские массы газа и пыли, которые окружают центральную звезду в группе, образующей "меч" Ориона, - еще одна иллюстрация распространенности во Вселенной водорода. Излучение нескольких "горячих" звезд в этой туманности вызывает свечение окружающих их газов на определенных, характерных для них частотах. Красный цвет на фотографии соответствует свечению водорода, голубой-кислорода и азота, белый - смеси газов. (© Калифорнийский технологический институт, 1959 г.)

Фото 3. Большое Красное Пятно - долгоживущее образование в атмосфере Юпитера, окруженное турбулентной облачностью. (Фотография получена космической станцией "Вояджер"; НАСА и Лаборатория реактивного движения.)

Фото 4. На фотографии северного полушария Сатурна, сделанной

Фото 8. Озерцо Дон Жуан в Антарктиде. (Фото Роя Кэмерона.)

Возможное решение этой проблемы связано с адсорбцией необходимых молекул на поверхности глинистых минералов. Этому механизму особое значение придавал покойный Дж. Д. Бернал (1901–1971), известный английский ученый-кристаллограф. По сравнению с органическими соединениями глинистые минералы обладают большой адсорбционной способностью. Кроме того, они по-разному взаимодействуют с различными типами соединений, которые адсорбируют. Сам Бернал не был уверен в правильности своего предположения; это объяснялось тем, что кремний, основной составляющий элемент глин, не играет почти никакой роли в современной биохимии. Тем не менее адсорбция считается самым вероятным механизмом (хотя это и не доказано) предбиологических процессов разделения и концентрации.

Несмотря на сомнения Бернала, другие ученые без колебаний отвели глинистым минералам главную роль в происхождении жизни. В самом деле, А. Г. Кернс-Смит, химик из университета в Глазго, предположил, что жизнь началась с кристаллов, образующих минералы. Обладая способностью воспроизводить себе подобных, неорганические кристаллы как бы демонстрируют тем самым зачаточные генетические свойства. У них обнаруживается также ограниченная способность к мутациям, которая проявляется в том, что в регулярном расположении атомов в кристалле могут возникать дефекты. Такие обладающие слоистой структурой минералы, как глины, склонны копировать дефекты одного слоя в структуре следующего, что можно рассматривать как своеобразную генетическую память. Замечено, что дефекты в структуре кристаллических граней часто оказываются участками химической активности, включая катализ. Кернс-Смит высказал предположение, что такое простое органическое соединение, как формальдегид, синтез которого мог катализироваться минералом, несущим подобный дефект, обладало способностью ускорять процесс воспроизведения дефектного кристалла и повышать точность копирования, в результате чего численность таких кристаллов по сравнению с другими типами быстро возрастала. С этого началась эволюция белково-нуклеиновой генетической системы, которая в дальнейшем отделилась от своего минерального предка. Однако это весьма умозрительное предположение, не имеющее почти никаких экспериментальных подтверждений.

При всех немалых трудностях, связанных с пониманием условий возникновения первых биологически важных полимеров, следует иметь в виду некоторые "смягчающие обстоятельства". Вполне возможно, что для построения первой генетической системы сначала потребовались не большие, сложно организованные молекулы, которые мы находим в современных организмах, а только короткие полимеры. Первому организму не обязательно следовало быть высокоэффективным. Поскольку его жизнь протекала в "райских кущах" при отсутствии врагов и проблем, связанных с добыванием пищи, ему достаточно было просто способности довольно быстро воспроизводить самого себя, чтобы опережать свою собственную химическую деградацию. Кроме того, химические процессы, предшествовавшие появлению жизни, протекали широко как в пространстве, так и во времени. В течение сотен миллионов лет примитивная Земля представляла собой грандиозную лабораторию, где в силу гигантских масштабов происходящего могли реализоваться даже такие процессы, которые кажутся нам маловероятными.

Такие соображения, конечно, не дают нам права утверждать, что мы понимаем, как образовались первые биополимеры. Однако они позволяют предполагать, что проблема, по-видимому, не столь трудна, как считается. Последние результаты, полученные в лаборатории Оргела, показали возможность образования полинуклеотидов на исходной полинуклеотидной цепи способом, аналогичным естественной дупликации генов, но без участия фермента. Этого замечательного результата удалось достичь благодаря тому, что был найден метод введения в реакцию энергии: несмотря на отсутствие ферментов, этот метод сходен с естественным механизмом, с помощью которого клетка обеспечивает энергией синтез полинуклеотидов. Эти данные делают более правдоподобным предположение, что аналогичный процесс мог играть важную роль на ранних стадиях эволюции генетической системы. Кроме того, недавно было доказано, что некоторые виды РНК обладают каталитическими свойствами, которые обычно приписывались только белкам. Все эти результаты позволяют предположить, что примитивная генетическая система могла быть построена без белков - лишь из одной РНК. Если это было действительно так, то загадки, связанные с происхождением жизни, значительно упрощаются.

Проблемы, касающиеся появления первой молекулы нуклеиновой кислоты, генетического кода и всего механизма переноса информации от нуклеиновых кислот к белкам, по-прежнему остаются нерешенными, однако и здесь заметен некоторый прогресс, насколько это позволяет современный уровень знаний. Поэтому, заканчивая наш краткий обзор современных представлений о природе и происхождении жизни на пашей планете, мы обходимся без претенциозных рассуждений о возникновении "первичной протоплазменной первобытно-атомной глобулы". Нет сомнений, что движение вперед, к решению проблемы происхождения жизни, будет продолжаться. Между тем изложенные нами принципы имеют настолько общий характер, что вполне применимы к проблемам возникновения жизни в любой области Вселенной. Теперь мы обратимся к обсуждению вопросов о жизни на других планетах Солнечной системы - этот предмет и составляет содержание остальных глав нашей книги.

Примечания:

Смысл используемых в книге специальных понятий разъясняется в "Словаре терминов".

По данным Камерона (1970).

По данным Мейсона (1966).

Этими аминокислотами были глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, пролин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, серин, треонин, аспарагин и глутамин.

В Мерчисонском метеорите их было идентифицировано около 50, причем восемь из них входят в состав белков: глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин. пролин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота. Были обнаружены также серин и треонин, но не исключено, что их наличие связано с загрязнением.

Теория химической эволюции или как зарождалась жизнь

Теория химической эволюции - современная теория про-исхождения жизни - опирается на идею самозарожде-ния. В основе ее лежит не внезапное возникновение живых существ на Земле, а образование хи-мических соединений и систем, которые составляют живую материю. Она рассматривает химию древнейшей Земли, прежде всего химические реакции, протекавшие в прими-тивной атмосфере и в поверхностном слое воды, где, по всей вероятности, концентрировались легкие элементы, составля-ющие основу живой материи, и поглощалось огромное количество солнечной энергии. Эта теория пытается от-ветить на вопрос: каким образом в ту далекую эпоху могли самопроизвольно возникнуть и сформироваться в живую систему органические соединения?

Общий подход к химической эволюции первым сфор-мулировал советский биохимик А. И. Опарин (1894-1980). В 1924 г. в СССР была опубликована его небольшая книга, посвященная этому вопросу; в 1936 г. вышло в свет ее новое, дополненное издание (в 1938 г. она была переведена на английский язык). Опарин обратил внимание на то, что современные условия на поверхности Земли препятствуют синтезу большого количества органических соединений, по-скольку свободный кислород, имеющийся в избытке в ат-мосфере, окисляет углеродные соединения до диоксида угле-рода (углекислого газа, СО 2). Кроме того, он отмечал, что в наше время любое органическое вещество, “брошенное на произвол” на земле, используется живыми организмами (подобную мысль высказывал еще Чарлз Дарвин). Однако, утверждал Опарин, на первичной Земле господствовали иные условия. Можно полагать, что в земной атмосфере того времени отсутствовал кислород, но в изобилии имелись водород и газы, содержащие водород, такие, как метан (СН 4) и аммиак (NН 3). (Подобную атмосферу, богатую водородом и бедную кислородом, называют восстанови-тельной в отличие от современной, окислительной, атмос-феры, богатой кислородом и бедной водородом.) По мне-нию Опарина, такие условия создавали прекрасные воз-можности для самопроизвольного синтеза органических сое-динений.

Обосновывая свою идею о восстановительном характере примитивной атмосферы Земли, Опарин выдвигал следую-щие аргументы:

1. Водород в изобилии присутствует в звездах

2. Углерод обнаруживается в спектрах комет и холодных звезд в составе радикалов СН и CN, а окисленный углерод проявляется редко.

3. Углеводороды, т.е. соединения углерода и водорода, встречаются в метеоритах.

4. Атмосферы Юпитера и Сатурна чрезвычайно богаты метаном и аммиаком.

Как указывал Опарин, эти четыре пункта свидетельству-ют о том, что Вселенная в целом находится в восстано-вительном состоянии. Следовательно, на первобытной Земле углерод и азот должны были находиться в таком же со-стоянии.

5. В вулканических газах содержится аммиак. Это, считал Опарин, говорит о том, что азот присутствовал в первичной атмосфере в виде аммиака.

6. Кислород, содержащийся в современной атмосфере, вырабатывается зелеными растениями в процессе фотосин-теза, и, следовательно, по своему происхождению это био-логический продукт.

На основании этих рассуждений Опарин пришел к заклю-чению, что углерод на примитивной Земле впервые появился в виде углеводородов, а азот-в виде аммиака. Далее он высказал предположение, что в ходе известных ныне хи-мических реакций на поверхности безжизненной Земли воз-никали сложные органические соединения, которые по про-шествии довольно продолжительного периода времени, по-видимому, и дали начало первым живым существам. Первые организмы, вероятно, представляли собой очень простые системы, способные лишь к репликации (делению) за счет органической среды, из которой они образовались. Выражаясь современным языком, они были “гетеротрофами”, т. е. зависели от окружающей среды, которая снабжала их органическим питанием. На противоположном конце этой шкалы находятся “автотрофы”-например, такие орга-низмы, как зеленые растения, которые сами синтезируют все необходимые органические вещества из диоксида углерода, неорганического азота и воды. Согласно теории Опарина, автотрофы появились только после того, как гетеротрофы истощили запас органических соединений в примитивном океане.

Дж. Б. С. Холдейн (1892-1964) выдвинул идею, в неко-тором отношении сходную со взглядами Опарина, которая была изложена в популярном очерке, опубликованном в 1929 г. Он предположил, что органическое вещество, син-тезированное в ходе естественных химических процессов, протекавших на предбиологической Земле, накапливалось в океане, который в конце концов достиг консистенции “го-рячего разбавленного бульона”. По мнению Холдейна, при-митивная атмосфера Земли была анаэробной (свободной от кислорода), однако он не утверждал, что для осуществления синтеза органических соединений требовались восстанови-тельные условия. Таким образом, он допускал, что углерод мог присутствовать в атмосфере в полностью окисленной форме, т. е. в виде диоксида, а не в составе метана или других углеводородов. При этом Холдейн ссылался на результаты экспериментов (не собственных), в которых доказывалась возможность образования сложных органических соедине-ний из смеси диоксида углерода, аммиака и воды под действием ультрафиолетового излучения. Однако в даль-нейшем все попытки повторить эти эксперименты оказались безуспешными.

В 1952 г. Гарольд Юри (1893-1981), занимаясь не собст-венно проблемами происхождения жизни, а эволюцией Сол-нечной системы, самостоятельно пришел к выводу, что атмосфера молодой Земли имела восстановленный характер. Подход Опарина был качественным. Проблема, которую исследовал Юри, была по своему характеру физико-хими-ческой: используя в качестве отправной точки данные о составе первичного облака космической пыли и граничные условия, определяемые известными физическими и хими-ческими свойствами Луны и планет, он ставил целью раз-работать термодинамически приемлемую историю всей Солнечной системы в целом. Юри, в частности, показал, что к завершению процесса формирования Земля имела сильно восстановленную атмосферу, так как ее основными состав-ляющими были водород и полностью восстановленные фор-мы углерода, азота и кислорода: метан, аммиак и пары воды. Гравитационное поле Земли не могло удержать легкий водород-и он постепенно улетучился в космическое про-странство. Вторичным следствием потери свободного во-дорода было постепенное окисление метана до диоксида углерода, а аммиака-до газообразного азота, которые через определенное время превратили атмосферу из восстанови-тельной в окислительную. Юри предполагал, что именно в период улетучивания водорода, когда атмосфера находилась в промежуточном окислительно-восстановительном состоя-нии, на Земле могло образоваться в больших количествах сложное органическое вещество. По его оценкам, океан, по-видимому, представлял тогда собой однопроцентный раствор органических соединений. В результате возникла жизнь в ее самой примитивной форме.

Считается, что Солнечная система образовалась из про-тосолнечной туманности-огромного облака газа и пыли. Возраст Земли, как установлено на основе ряда независимых оценок, близок к 4,5 млрд. лет. Чтобы выяснить состав первичной туманности, разумнее всего исследовать относи-тельное содержание различных химических элементов в со-временной Солнечной системе. По данным исследований основные элементы-водород и гелий-вместе составляют свыше 98% массы Солнца (99,9% его атомного состава) и фактически Солнечной системы в целом. Поскольку Солнце-обычная звезда и к этому типу относится множество звезд в других галактиках, его состав в общем характеризует распростра-ненность элементов в космическом пространстве. Современ-ные представления об эволюции звезд позволяют предпо-ложить, что водород и гелий преобладали и в “молодом” Солнце, каковым оно было 4,5 млрд. лет назад.

Четыре основных элемента Земли относятся к числу девяти наиболее распространенных на Солнце, по своему составу наша планета существенно отличается от космического пространства в целом. (То же самое можно сказать о Меркурии, Венере и Марсе; однако Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун в этот список не попадают.) Земля состоит главным образом из железа, кислорода, кремния и магния. Очевиден дефицит всех биологически важных легких элементов (за исключением кислорода) и поразительна согласно теории Опарина-Юри, необходимы для начала химической эволюции. Учитывая дефицит легких элементов и особенно благородных газов, разумно предположить, что изначально Земля сформировалась вообще без атмосферы. За исключением гелия, все благородные газы - неон, аргон, криптон и ксенон - обладают достаточной удельной массой, чтобы их могло удержать земное тяготение. Криптон и ксенон, например, тяжелее железа. Поскольку эти элементы образуют очень мало соединений, они, по всей видимости, существовали в примитивной атмосфере Земли в виде газов и не могли улетучиться, когда планета достигла наконец своих нынешних размеров. Но поскольку на Земле их со-держится в миллионы раз меньше, чем на Солнце, естест-венно допустить, что наша планета никогда не имела ат-мосферы, по составу близкой солнечной. Земля образовалась из твердых материалов, которые содержали лишь небольшое количество поглощенного или адсорбированного газа, так что никакой атмосферы сначала не было. Элементы, вхо-дящие в состав современной атмосферы, по-видимому, поя-вились на первобытной Земле в виде твердых химических соединений; впоследствии под действием тепла, возникаю-щего при радиоактивном распаде или выделении грави-тационной энергии, сопровождающем аккрецию Земли, эти соединения разлагались с образованием газов. В процессе вулканической деятельности эти газы вырывались из земных недр, образуя примитивную атмосферу.

Высокое содержание в современной атмосфере аргона (около 1%) не противоречит предположению, что благо-родные газы первоначально отсутствовали в атмосфере. Изотоп аргона, распространенный в космическом простран-стве, имеет атомную массу 36, тогда как атомная масса аргона, образовавшегося в земной коре при радиоактивном распаде калия, равна 40. Аномально высокое содержание на Земле кислорода (по сравнению с другими легкими эле-ментами) объясняется тем, что этот элемент способен сое-диняться с множеством других элементов, образуя такие очень стабильные твердые соединения, как силикаты и кар-бонаты, которые входят в состав горных пород.

Предположения Юри о восстановительном характере первобытной атмосферы основывались на высоком содер-жании на Земле железа (35% общей массы). Он считал, что железо, из которого ныне состоит ядро Земли, первона-чально было распределено более или менее равномерно по всему ее объему. При разогреве Земли железо расплавилось и собралось в ее центре. Однако, прежде чем это произошло, железо, содержащееся в том слое планеты, который сейчас называется верхней мантией Земли, взаимодействовало с водой (она присутствовала на примитивной Земле в виде гидратированных минералов, похожих на те, что обнару-жены в некоторых метеоритах); в результате в первобытную атмосферу выделились огромные количества водорода.

Исследования, осуществляемые с начала 1950-х годов, поставили под вопрос ряд положений описанного сценария. Некоторые планетологи высказывают сомнения насчет того, что железо, сосредоточенное сейчас в земной коре, могло когда-либо равномерно распределяться по всему объему планеты. Они склоняются к мнению, что аккреция проис-ходила неравномерно и железо конденсировалось из ту-манности раньше других элементов, образующих ныне ман-тию и кору Земли. При неравномерной аккреции содержание свободного водорода в примитивной атмосфере должно было оказаться ниже, чем в случае равномерного процесса. Другие ученые отдают предпочтение аккреции, но проте-кающей таким путем, который не должен приводить к образованию восстановительной атмосферы. Короче говоря, в последние годы были проанализированы различные мо-дели образования Земли, из которых одни в большей, другие в меньшей степени согласуются с представлениями о вос-становительном характере ранней атмосферы.

Попытки восстановить события, происходившие на заре формирования Солнечной системы, неизбежно связаны со множеством неопределенностей. Промежуток времени меж-ду возникновением Земли и образованием древнейших по-род, поддающихся геологической датировке, в течение ко-торого протекали химические реакции, приведшие к появ-лению жизни, составляет 700 млн. лет. Лабораторные опыты показали, что для синтеза компонентов генетической сис-темы необходима среда восстановительного характера; поэ-тому можно сказать, что раз жизнь на Земле возникла, то это может означать следующее: либо примитивная атмосфера имела восстановительный характер, либо органические сое-динения, необходимые для зарождения жизни, откуда-то принесены на Землю. Поскольку даже сегодня метеориты приносят на Землю разнообразные органические вещества, последняя возможность не выглядит абсолютно фантасти-ческой. Однако метеориты, по-видимому, содержат далеко не все вещества, необходимые для построения генетической системы. Хотя вещества метеоритного происхождения, вероятно, внесли существенный вклад в общий фонд органи-ческих соединений на примитивной Земле, в настоящее время кажется наиболее правдоподобным, что условия на самой Земле имели восстановительный характер в такой степени, что стало возможным образование органического вещества, приведшее к возникновению жизни.

Современные биологи показали, что жизнь-это хими-ческий феномен, отличающийся от прочих химических про-цессов проявлением генетических свойств. Во всех известных живых системах носителями этих свойств служат нуклеино-вые кислоты и белки. Сходство нуклеиновых кислот, белков и работающих на их основе генетических механизмов у организмов самых различных видов практически не оставля-ет сомнений в том, что все живые существа, ныне обитающие на Земле, связаны эволюционной цепью, которая соединяет их также с существовавшими в прошлом и вымершими видами. Подобная эволюция - естественный и неизбежный результат работы генетических систем. Таким образом, несмотря на бесконечное разнообразие, все живые существа на нашей планете принадлежат к одной семье. На Земле фактически существует лишь одна форма жизни, которая могла возникнуть только однократно.

Основным элементом земной биохимии является угле-род. Химические свойства этого элемента делают его особен-но подходящим для образования такого типа больших ин-формационно богатых молекул, которые необходимы для построения генетических систем с практически неограничен-ными эволюционными возможностями. Космос также очень богат углеродом, и целый ряд данных (результаты лабора-торных экспериментов, анализов метеоритов и спектроско-пии межзвездного пространства) свидетельствует, что обра-зование органических соединений, подобных тем, которые входят в состав живой материи, достаточно легко и в широких масштабах происходит во Вселенной. Поэтому вероятно, что если жизнь существует в каком-то ином уголке Вселенной, то она также основана на химии углерода.

Биохимические процессы, основанные на химии углерода, могут протекать лишь при сочетании на планете определен-ных условий температуры и давления, а также наличия подходящего источника энергии, атмосферы и растворителя. Хотя в земной биохимии роль растворителя играет вода, возможно, хотя и не обязательно, что в биохимических процессах, происходящих на иных планетах, участвуют дру-гие растворители.

Критерии возможности зарождения жизни

1.Температура и давление

Если предположение о том, что жизнь должна быть основана на химии углерода, правильно, то можно точно установить предельные условия для любой среды, способной поддерживать жизнь. Прежде всего температура не должна превышать предела стабильности органических молекул. Определить предельную температуру нелегко, но не требуется точных цифр. Поскольку температурные эффекты и величина давления взаимозависимы, их следует рассматривать в совокупности. Приняв давление равным примерно 1 атм (как на поверхности Земли), можно оценить верхний температурный предел жизни, учитывая, что многие небольшие молекулы, из которых построена генетическая система, например аминокислоты, быстро разрушаются при температуре 200-300°С. Исходя из этого, можно заключить, что области с температурой выше 250°С необитаемы. (Из этого, однако, не следует, что жизнь определяется только аминокислотами; мы выбрали их лишь в качестве типичных представителей малых органических молекул.) Реальный температурный предел жизни почти наверняка должен быть ниже указанного, поскольку большие молекулы со сложной трехмерной структурой, в частности белки, построенные из аминокислот, как правило, более чувствительны к нагрева-нию, чем небольшие молекулы. Для жизни на поверхности Земли верхний температурный предел близок к 100°С, и некоторые виды бактерий при этих условиях могут выживать в горячих источниках. Однако подавляющее большинство организмов при такой температуре гибнет.

Может показаться странным, что верхний температурный предел жизни близок к точке кипения воды. Не обусловлено ли это совпадение именно тем обстоятельством, что жидкая вода не может существовать при температуре выше точки своего кипения (100°С на земной поверхности), а не какими-то особыми свойствами самой живой материи?

Много лет назад Томас Д. Брок, специалист по термо-фильным бактериям, высказал предположение, что жизнь может быть обнаружена везде, где существует жидкая вода, независимо от ее температуры. Чтобы поднять точку кипе-ния воды, нужно увеличить давление, как это происходит, например, в герметической кастрюле-скороварке. Усиленный подогрев заставляет воду кипеть быстрее, не меняя ее темпе-ратуры. Естественные условия, в которых жидкая вода су-ществует при температуре выше ее обычной точки кипения, обнаружены в районах подводной геотермальной активнос-ти, где перегретая вода изливается из земных недр под совместным действием атмосферного давления и давления слоя океанской воды. В 1982 г. К. О. Стеттер обнаружил на глубине до 10 м в зоне геотермальной активности бактерии, для которых оптимальная температура развития составляла 105°С. Так как давление под водой на глубине 10 м равняется 1 атм, общее давление на этой глубине достигало 2 атм. Температура кипения воды при таком давлении равна 121°С.

Действительно, измерения показали, что температура воды в этом месте составляла 103°С. Следовательно, жизнь возмож-на и при температурах выше нормальной точки кипения воды.

Очевидно, бактерии, способные существовать при темпе-ратурах около 100°С, обладают “секретом”, которого лише-ны обычные организмы. Поскольку эти термофильные фор-мы при низких температурах растут плохо либо вообще не растут, справедливо считать, что и у обычных бактерий есть собственный “секрет”. Ключевым свойством, определяю-щим возможность выживания при высоких температурах, является способность производить термостабильные клеточ-ные компоненты, особенно белки, нуклеиновые кислоты и клеточные мембраны. У белков обычных организмов при температурах около 60°С происходят быстрые и необрати-мые изменения структуры, или денатурация. В качестве примера можно привести свертывание при варке альбумина куриного яйца (яичного “белка”). Белки бактерий, обита-ющих в горячих источниках, не испытывают таких измене-ний до температуры 90°С. Нуклеиновые кислоты также подвержены тепловой денатурации. Молекула ДНК при этом разделяется на две составляющие ее нити. Обычно это происходит в интервале температур 85-100°С в зависимости от соотношения нуклеотидов в молекуле ДНК.

При денатурации разрушается трехмерная структура бел-ков (уникальная для каждого белка), которая необходима для выполнения таких его функций, как катализ. Эта струк-тура поддерживается целым набором слабых химических связей, в результате действия которых линейная последова-тельность аминокислот, формирующая первичную структу-ру белковой молекулы, укладывается в особую, характерную для данного белка конформацию. Поддерживающие трех-мерную структуру связи образуются между аминокислота-ми, расположенными в различных частях белковой молеку-лы. Мутации гена, в котором заложена информация о последовательности аминокислот, характерной для опреде-ленного белка, могут привести к изменению в составе амино-кислот, что в свою очередь часто сказывается на его термо-стабильности. Это явление открывает возможности для эволюции термостабильных белков. Структура молекул, обеспе-чивающая термостабильность нуклеиновых кислот и клеточ-ных мембран бактерий, обитающих в горячих источниках, по-видимому, также генетически обусловлена.

Поскольку повышение давления препятствует кипению воды при нормальной точке кипения, оно может предотвра-тить и некоторые повреждения биологических молекул, свя-занные с воздействиями высокой температуры. Например, давление в несколько сотен атмосфер подавляет тепловую денатурацию белков. Это объясняется тем, что денатурация вызывает раскручивание спиральной структуры белковой молекулы, сопровождающееся увеличением объема. Препят-ствуя увеличению объема, давление предотвращает денату-рацию. При гораздо более высоких величинах давления, 5000 атм и более, оно само становится причиной денатурации. Механизм этого явления, которое предполагает компрес-сионное разрушение белковой молекулы, пока не ясен. Воз-действие очень высокого давления приводит также к повы-шению термостабильности малых молекул, поскольку высо-кое давление препятствует увеличению объема, обусловлен-ному в этом случае разрывами химических связей. Напри-мер, при атмосферном давлении мочевина быстро разруша-ется при температуре 130°С, но стабильна, по крайней мере в течение часа, при 200°С и давлении 29 тыс. атм.

Молекулы, находящиеся в растворе, ведут себя совершен-но иначе. Взаимодействуя с растворителем, они часто распа-даются при высокой температуре. Общее название таких реакций - сольватация; если растворителем служит вода, то реакция называется гидролизом.

Гидролиз-это основной процесс, вследствие которого в природе разрушаются белки, нуклеиновые кислоты и многие другие сложные биологические молекулы. Гидролиз проис-ходит, например, в процессе пищеварения у животных, но он осуществляется и вне живых систем, самопроизвольно, осо-бенно при высоких температурах. Электрические поля, воз-никающие при сольволитических реакциях, приводят к уменьшению объема раствора путем электрострикции, т.е. связывания соседних молекул растворителя. Поэтому сле-дует ожидать, что высокое давление должно ускорять про-цесс сольволиза, и опыты подтверждают это.

Поскольку мы полагаем, что жизненно важные процессы могут протекать только в растворах, отсюда следует, что высокое давление не может поднять верхний температурный предел жизни, по крайней мере в таких полярных раствори-телях, как вода и аммиак. Температура около 100°С-вероят-но, закономерный предел. Как мы увидим, это исключает из рассмотрения в качестве возможных мест обитания многие планеты Солнечной системы.

2. Атмосфера

Следующее условие, необходимое для обитаемости пла-неты, - наличие атмосферы. Достаточно простые соединения легких элементов, которые, по нашим предположениям, составляют основы живой материи, как правило, летучи, т. е. в широком интервале температур находятся в газообразном состоянии. По-видимому, такие соединения обязательно вы-рабатываются в процессах обмена веществ у живых организ-мов, а также при тепловых и фотохимических воздействиях на мертвые организмы, которые сопровождаются выделе-нием газов в атмосферу. Эти газы, наиболее простыми примерами которых на Земле являются диоксид углерода (углекислый газ), пары воды и кислород, в конце концов включаются в кругооборот веществ, который происходит в живой природе. Если бы земное тяготение не могло их удерживать, то они улетучились бы в космическое простран-ство, наша планета со временем исчерпала свои “запасы” легких элементов и жизнь на ней прекратилась бы. Таким образом, если бы на каком-то космическом теле, гравита-ционное поле которого недостаточно сильно, чтобы удержи-вать атмосферу, возникла жизнь, она не могла бы долго существовать.

Высказывалось предположение, что жизнь может сущест-вовать под поверхностью таких небесных тел, как Луна, которые имеют либо очень разреженную атмосферу, либо вообще лишены ее. Подобное предположение строится на том, что газы могут быть захвачены подповерхностным слоем, который и становится естественной средой обитания живых организмов. Но поскольку любая среда обитания, возникшая под поверхностью планеты, лишена основного биологически важного источника энергии-Солнца, такое предположение лишь подменяет одну проблему другой. Жизнь нуждается в постоянном притоке как вещества, так и энергии, но если вещество участвует в кругообороте (этим обусловлена необходимость атмосферы), то энергия, соглас-но фундаментальным законам термодинамики, ведет себя иначе. Биосфера способна функционировать, покуда снабжа-ется энергией, хотя различные ее источники не равноценны. Например, Солнечная система очень богата тепловой энер-гией - тепло вырабатывается в недрах многих планет, вклю-чая Землю. Однако мы не знаем организмов, которые были бы способны использовать его как источник энергии для своих жизненных процессов. Чтобы использовать теплоту в качестве источника энергии, организм, вероятно, должен функционировать подобно тепловой машине, т. е. переносить теплоту из области высокой температуры (например, от цилиндра бензинового двигателя) в область низкой темпера-туры (к радиатору). При таком процессе часть перенесенной теплоты переходит в работу. Но чтобы к. п. д. таких тепло-вых машин был достаточно высоким, требуется высокая температура “нагревателя”, а это немедленно создает огром-ные трудности для живых систем, так как порождает мно-жество дополнительных проблем.

Ни одной из этих проблем не создает солнечный свет. Солнце - постоянный, фактически неисчерпаемый источник энергии, которая легко используется в химических процессах при любой температуре. Жизнь на нашей планете целиком зависит от солнечной энергии, поэтому естественно предпо-ложить, что нигде в другом месте Солнечной системы жизнь не могла бы развиваться без прямого или косвенного потреб-ления энергии этого вида.

Не меняет существа дела и тот факт, что некоторые бактерии способны жить в темноте, используя для питания только неорганические вещества, а как единственный источ-ник углерода - его диоксид. Такие организмы, называемые хемолитоавтотрофами (что в буквальном переводе значит: питающие себя неорганическими химическими веществами), получают энергию, необходимую для превращения диоксида углерода в органические вещества за счет окисления водоро-да, серы или других неорганических веществ. Но эти источники энергии в отличие от Солнца истощаются и после использования не могут восстанавливаться без участия сол-нечной энергии. Так, водород, важный источник энергии для некоторых хемолитоавтотрофов, образуется в анаэробных условиях (например, в болотах, на дне озер или в желудочно-кишечном тракте животных) путем разложения под действием бактерий растительного материала, который сам, конечно, образуется в процессе фотосинтеза. Хемолитоавтотрофы используют этот водород для получения из диокси-да углерода метана и веществ, необходимых для жизне-деятельности клетки. Метан поступает в атмосферу, где разлагается под действием солнечного света с образованием водорода и других продуктов. В атмосфере Земли водород содержится в концентрации 0,5 на миллион частей; почти весь он образовался из метана, выделяемого бактериями. Водород и метан выбрасываются в атмосферу также при извержениях вулканов, но в несравненно меньшем количест-ве. Другой существенный источник атмосферного водоро-да-верхние слои атмосферы, где под действием солнечного УФ-излучения пары воды разлагаются с высвобождением атомов водорода, которые улетучиваются в космическое пространство.

Многочисленным популяцим различных животных-рыб, морских моллюсков, мидий, гигантских червей и т. д., кото-рые, как было установлено, и обитают вблизи горячих источников, обнаруженных на глубине 2500 м в Тихом океа-не, иногда приписывают способность существовать незави-симо от солнечной энергии. Известно несколько таких зон: одна рядом с Галапагосским архипелагом, другая - на рас-стоянии примерно 21° к северо-западу, у берегов Мекси-ки. В глубине океана запасы пищи заведомо скудны, и открытие в 1977 г. первой такой популяции немедленно поставило вопрос об источнике их питания. Одна возмож-ность, по-видимому, заключается в использовании органи-ческого вещества, скапливающегося на дне океана,-отбро-сов, образовавшихся в результате биологической активности в поверхностном слое; они переносятся в районы геотермальной активности горизонтальными течениями, возника-ющими вследствие вертикальных выбросов горячей воды. Движение вверх перегретой воды и вызывает образование придонных горизонтальных холодных течений, направлен-ных к месту выброса. Предполагается, что таким путем здесь и скапливаются органические останки.

Другой источник питательных веществ стал известен после того, как выяснилось, что в воде термальных источников содержится сероводород (H 2 S). He исключено, что хемолитоавтотрофные бактерии находятся у начала цепи пита-ния. Как показали дальнейшие исследования, хемолитоавтотрофы действительно являются главным источником орга-нического вещества в экосистеме термальных источников.

Поскольку “топливом” для этих глубоководных сооб-ществ служит образовавшийся в глубинах Земли сероводо-род, их обычно рассматривают как живые системы, способ-ные обходиться без солнечной энергии. Однако это не совсем верно, так как кислород, используемый ими для окисления “топлива”, является продуктом фотохимических превраще-ний. На Земле имеются только два значительных источника свободного кислорода, и оба они связаны с активностью Солнца.

Океан играет важную роль в жизни глубоководной экосистемы, поскольку он создает окружающую среду для организмов из термальных источ-ников, без которой они не могли бы существовать. Океан обеспечивает их не только кислородом, но и всеми нужными питательными веществами, за исключением сероводорода. Он удаляет отходы. И он же позволяет этим организмам переселяться в новые районы, что необходимо для их выжи-вания, поскольку источники недолговечны - согласно оцен-кам, время их жизни не превышает 10 лет. Расстояние между отдельными термальными источниками в одном районе океана составляет 5-10 км.

3. Растворитель

В настоящее время принято считать, что необходимым условием жизни является также наличие растворителя того или иного типа. Многие химические реакции, протекающие в живых системах, без растворителя были бы невозможны. На Земле таким биологическим растворителем служит вода. Она представляет собой главную составляющую живых клеток и одно из самых распространенных на земной поверх-ности соединений. Ввиду того что образующие воду хими-ческие элементы широко распространены в космическом пространстве, вода, несомненно,- одно из наиболее часто встречающихся соединений во Вселенной. Но, несмотря на такое изобилие воды повсюду. Земля - единственная планета в Солнечной системе, имеющая на своей поверхности океан; это важный факт, к которому мы вернемся позже.

Вода обладает рядом особых и неожиданных свойств, благодаря которым она может служить биологическим растворителем - естественной средой обитания живых орга-низмов. Этими свойствами определяется ее главная роль в стабилизации температуры Земли. К числу таких свойств относятся: высокие температуры плавления (таяния) и кипе-ния; высокая теплоемкость; широкий диапазон температур, в пределах которого вода остается в жидком состоянии; боль-шая диэлектрическая постоянная (что очень важно для раст-ворителя); способность расширяться вблизи точки замерза-ния. Всестороннее развитие эти вопросы получили, в част-ности, в трудах Л.Дж. Гендерсона (1878-1942), профессора химии Гарвардского университета.

Современные исследования показали, что столь необыч-ные свойства воды обусловлены способностью ее молекул образовывать водородные связи между собой и с другими молекулами, содержащими атомы кислорода или азота. В действительности жидкая вода состоит из агрегатов, в кото-рых отдельные молекулы соединены вместе водородными связями. По этой причине при обсуждении вопроса о том, какие неводные растворители могли бы использоваться жи-выми системами в других мирах, особое внимание уделяется аммиаку (NН 3), который также образует водородные связи и по многим свойствам сходен с водой. Называются и другие вещества, способные к образованию водородных связей, в частности фтористоводородная кислота (HF) и цианистый водород (HCN). Однако последние два соединения-малове-роятные кандидаты на эту роль. Фтор относится к редким элементам: на один атом фтора в наблюдаемой Вселенной приходится 10000 атомов кислорода, так что трудно пред-ставить на любой планете условия, которые благоприятство-вали бы образованию океана, состоящего из HF, а не из Н 2 О. Что касается цианистого водорода (HCN), составля-ющие его элементы в космическом пространстве встречают-ся в изобилии, но это соединение термодинамически недоста-точно устойчиво. Поэтому маловероятно, чтобы оно могло в больших количествах когда-либо накапливаться на какой-то планете, хотя, как мы говорили раньше, HCN представляет собой важное (хотя и временное) промежуточное звено в предбиологическом синтезе органических веществ.

Аммиак состоит из довольно распространенных элемен-тов и, хотя он менее стабилен, чем вода, все же достаточно устойчив, чтобы его можно было рассматривать как возмож-ный биологический растворитель. При давлении в 1 атм он находится в жидком состоянии в интервале температур 78 — 33°С. Этот интервал (45°) намного уже соответству-ющего интервала для воды (100°С), но он охватывает ту область температурной шкалы, где вода не может функцио-нировать как растворитель. Рассматривая аммиак, Гендер-сон указывал, что это единственное из известных соединений, которое как биологический растворитель приближается по своим свойствам к воде. Но в конце концов ученый отказался от своего утверждения по следующим причинам. Во-первых, аммиак не может накопиться в достаточном количестве на поверхности какой-либо планеты; во-вторых, в отличие от воды он не расширяется при температуре, близкой к точке замерзания (вследствие чего вся его масса может целиком остаться в твердом, замороженном состоянии), и наконец, выбор его как растворителя исключает выгоды от использо-вания кислорода в качестве биологического реагента. Ген-дерсон не высказал определенного мнения о причинах, кото-рые помешали бы аммиаку накапливаться на поверхности планет, но тем не менее он оказался прав. Аммиак разруша-ется УФ-излучением Солнца легче, чем вода, т. е. его молеку-лы расщепляются под воздействием излучения большей длины волны, несущего меньше энергии, которое широко представлено в солнечном спектре. Образующийся в этой реакции водород улетучивается с планет (за исключением самых больших) в космическое пространство, а азот остает-ся. Вода также разрушается в атмосфере под действием солнечного излучения, но только гораздо более коротковол-нового, чем то, которое разрушает аммиак, а выделяющиеся при этом кислород (О 2) и озон (О 3) образуют экран, очень эффективно защищающий Землю от убийственного УФ-из-лучения. Таким образом происходит самоограничение фото-деструкции атмосферных паров воды. В случае аммиака подобное явление не наблюдается.

Эти рассуждения неприменимы к планетам типа Юпите-ра. Поскольку водород в изобилии присутствует в атмосфере этой планеты, являясь ее постоянной составляющей, разумно предполагать наличие там аммиака. Эти предположения подтверждены спектроскопическими исследованиями Юпи-тера и Сатурна. Вряд ли на этих планетах имеется жидкий аммиак, но существование аммиачных облаков, состоящих из замерзших кристаллов, вполне возможно.

Рассматривая вопрос о воде в широком плане, мы не вправе априори утверждать или отрицать, что вода как биологический растворитель может быть заменена другими соединениями. При обсуждении этой проблемы нередко проявляется склонность к ее упрощению, поскольку, как правило, учитываются лишь физические свойства альтерна-тивных растворителей. При этом приуменьшается или сов-сем игнорируется то обстоятельство, которое отмечал еще Гендерсон, а именно: вода служит не только растворителем, но и активным участником биохимических реакций. Элемен-ты, из которых состоит вода, “встраиваются” в вещества живых организмов путем гидролиза или фотосинтеза у зеленых растений (см. реакцию 4). Химическая структура живого вещества, основанного на другом растворителе, как и вся биологическая среда, обязательно должны быть иными. Другими словами, замена растворителя неизбежно влечет за собой чрезвычайно глубокие последствия. Никто всерьез не пытался их себе представить. Подобная попытка вряд ли разумна, ибо она представляет собой ни больше ни меньше, как проект нового мира, а это занятие весьма сомнительное. Пока мы не в состоянии ответить даже на вопрос о возмож-ности жизни без воды, и едва ли что-нибудь узнаем об этом, пока не обнаружим пример безводной жизни.

Ранее уже говорилось о том что использование ЭВМ позволило строить и рассчитывать образование и развитие солнечной системы и Земли в частности на различных моделях. Химическая эволюция Земли В процессе эволюции Земли складывались определенные пропорции различных элементов. Земля наиболее массивная среди внутренних планет прошла сложнейший путь химической эволюции. Следует подчеркнуть что геологическая история Земли...

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

Концепции современного естествознания
Лекция 16. Химическая эволюция Земли

Ранее уже говорилось о том, что использование ЭВМ позволило строить и рассчитывать образование и развитие солнечной системы и Земли в частности на различных моделях.

Наиболее убедительной выглядит модель образования Солнца и планет из единого вращающегося газопылевого комплекса, т.е. в соответствии с ротационными гипотезами. Вспомним, что согласно этим гипотезам в центре вращающейся газовой туманности образовалась протозвезда – Солнце. Центробежные силы в экваториальной области приводили к возникновению неустойчивых потоков газа и пыли. Впоследствии эта часть вещества была оторвана от Солнца, унося с собой избыточный момент количества движения. Так образовался газопылевой диск (кольцо) в экваториальной плоскости Солнца.

Солнце нагревало внутреннюю часть этого кольца, вызывая испарение и “выгоняя” солнечным ветром более легкие элементы в дальние части кольца. Этот процесс занял во времени около 100 млн. лет. В зависимости от расстояния до Солнца разные части туманности остывали с разной скоростью, что привело к различиям в протекании химических процессов. Химическая эволюция планет и Земли в частности также протекала по-разному: сначала конденсировались наиболее тугоплавкие элементы, а затем летучие. Дальнейшая история развития химических соединений рассматривается нами уже в контексте развития Земли.

К началу документа

1. Химическая эволюция Земли

В процессе эволюции Земли складывались определенные пропорции различных элементов. В веществе планет, комет, метеоритов, Солнца присутствуют все элементы периодической системы, что доказывает общность их происхождения, однако количественные соотношения различны. Количество атомов какого-либо химического элемента в различных природных системах принято выражать по отношению к кремнию, поскольку кремний принадлежит к обильным и труднолетучим соединениям.

С ростом порядкового номера распространенность элементов убывает, но не равномерно. Примечательно, что элементы с четным порядковым номером, особенно элементы с массовым числом кратным 4 более распространены . К ним, в частности, относятся He, CO, Ne, Mg, Si, S, Ar, Ca. Дело в том, что этим массовым числам соответствуют устойчивые ядра. Американские космохимики Г. Юри и Г. Зюсс писали по этому поводу следующее: “...распространенность химических элементов и их изотопов определяется ядерными свойствами, и окружающее нас вещество похоже на золу космического ядерного пожара, из которого оно было создано”.

К важнейшим свойствам Земли, определяющим ее происхождение и химическую эволюцию, относится радиоактивность. Все первичные планеты были сильно радиоактивны. Нагреваясь за счет энергии радиоактивного распада, они подвергались химической дифференциации, которая завершилась формированием внутренних металлических ядер у планет земной группы.

Литофильные элементы, т.е. элементы, образующие твердые оболочки планет (Si, O, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K) переходили вверх, выделение газов из расплавленного вещества мантий при выплавлении легкоплавких фракций, приводила к базальтовым расплавам, которые также изливались на поверхность планет. Газовые компоненты, вырывающиеся вместе с ними, дали начало первичным атмосферам, которые смогли удержать только сравнительно крупные планеты, к которым относилась и Земля. Схема формирования структуры Земли показана на рис.1.

Земля наиболее массивная среди внутренних планет, прошла сложнейший путь химической эволюции. Его были усвоены и сложные органические соединения, обнаруженные также и в метеоритном веществе. Эти вещества образовались еще на последних стадиях остывания протопланетного облака. Впоследствии на Земле они привели к возникновению жизни.

К началу документа

Геохронология. Русский геохимик А.Е. Ферсман (1883-1945) разделил время существования атомов Земли на три эпохи:

Эпоху звездных условий существования,
- эпоху начала формирования планет,
- эпоху геологического развития.

Для обозначения времен и последовательности образования горных пород Земли в эпоху ее геологического развития примет термин геохронология .

В 1881г.в Болонье на Международном геологическом конгрессе были введены термины эра, эпоха, период, век, время и принята геохронологическая шкала.

Следует подчеркнуть, что геологическая история Земли неотделима от ее биологической эволюции, она совершилась в тесной связи и под влиянием развивающейся жизни. Эти связи отражены и в геохронологии.

По степени изученности геологической и биологической истории Земли, все время ее существования делится на две неравные части:

1. Криптозой (criptos – тайный), эта часть охватывает огромный интервал времени (от 570 до 3800 млн. лет назад). Это период со скрытым развитием органической жизни, включающая архейскую и протерозойскую эры.

2. Фанерозой (греч. рhaneros “явный” + zoe “жизнь”), более поздняя составляющая 570 млн. лет и включающая палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую эры;

Поворотной точкой в истории биологической эволюции Земли явился кембрийский период палеозойской эры. Если докембрийская эпоха была временем единоличного господства одноклеточных организмов, то после-кембрийская стала эпохой многоклеточных форм. В кембрийский период впервые в истории эволюции возникли многоклеточные организмы современного типа, сложились все основные характеристики тех телесных "планов", по которым эти организмы строятся до сих пор, были заложены предпосылки будущего выхода этих организмов из морей на сушу и завоевания ими всей поверхности Земли .

До сих пор представляется загадочным тот факт, что появление новых форм не растянулось на всю кембрийскую эпоху или хотя бы значительную ее часть, а произошло почти одновременно, в течение каких-нибудь трех-пяти миллионов лет. В геологических масштабах времени это совершенно ничтожный срок - он составляет всего одну тысячную от общей длительности эволюци. Этот эволюционный скачок получил название "Кембрийский взрыв ".

К началу документа

2. Понятие самоорганизации в химии.

Вопрос о возникновении органической жизни остается до сих пор одним из самых интересных и сложных вопросов современного естествознания. Ответить на этот вопрос означает объяснить, каким образом природа из минимума химических элементов и соединений создала сложнейшие макромолекулы, а затем высокоорганизованный комплекс биосистем?

Ответ на этот вопрос ищется в настоящее время в особой химической науке – Эволюционной химии. Ее иногда называют также предбиологией – наукой о самоорганизации химических систем.

Под самоорганизацией понимают самопроизвольное повышение упорядоченности уровней сложности материальных динамических, т.е. качественно изменяющихся систем.

Субстратный и функциональный подходы к проблеме самоорганизации предбиологических систем. В рамках эволюционной химии выделяется два подхода к проблеме самоорганизации: субстратный и функциональный. Функциональный подход сосредотачивает внимание на исследовании самих процессов самоорганизации материальных систем, на выявлении законов, которым подчиняются эти процессы. Здесь эволюционные процессы часто рассматриваются с позиций кибернетики. Крайней точкой зрения в этом подходе является утверждение о полном безразличии к материалу эволюционирующих систем.

Субстратный подход состоит в исследовании вещественной основы биологических систем, т.е. элементов-органов и определенной структуры входящих в живой организм химических соединений. Результатом субстратного подхода к проблеме биогенеза (т.е. происхождение жизни) является получение информации об отборе химических элементов и структур.

Действительно, налицо определенный отбор химических элементов для создания эволюционирующих систем. В настоящее время известно более 100 химических элементов, однако, основу живых систем составляют только 6 элементов, получивших название органогенов: С, Н, О, N, Р, S , общая весовая доля которых составляет 97,4 % . За ними следуют еще 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: Na, K, Ca, Mg, Mn, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co. Их весовая доля в организмах »1,6 %.

Об отборе свидетельствует и общая химическая картина мира. В настоящее время известно около 8 млн. химических соединений. Из них подавляющее большинство (около 96 %) – это органические соединения, основной строительный материал которых все те же 6 + 12 элементов. Интересно, что из остальных химических элементов Природа создала лишь около 300 тыс. неорганических соединений.

Важно отметить, что из такого узкого круга отобранных природой органических веществ сформировался весь труднообозримый мир живого.

Каковы же принципы отбора химических соединений - своеобразной “химической подготовки” к образованию сложнейших биологических систем?

Оказалось, что определяющая роль здесь принадлежит катализаторам, т.е. веществам, активирующим молекулы реагентов и повышающим скорость химических реакций. Однако, катализаторы не остаются неизмененными в ходе химических реакций: их активность либо падает, либо возрастает.

К началу документа

3. Общая теория химической эволюции и биогенеза

В 60-х годах 20-го века было установлено экспериментально, что в ходе химической эволюции отбирались те химические структуры, которые способствовали резкому повышению активности и избирательной способности катализаторов. Это позволило профессору МГУ А.П. Руденко в 1964 г. теорию саморазвития открытых каталитических систем, которая по праву можно считать общей теорией хемо- и биогенеза. Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы.

А.П. Руденко сформулировал и основной закон химической эволюции: с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.

Саморазвитие, самоорганизация систем может происходить только за счет постоянного притока энергии, источником которой является основная, т.е. базисная реакция. Из этого следует, что максимальные эволюционнные преимущества получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзотермических реакций.

Временной период химической эволюции. На ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствовал. Первые проявления катализа начинаются при понижении температуры до 5000° К и ниже и образовании первичных твердых тел. Полагают также, что когда период химической подготовки, т.е. период интенсивных и разнообразных химических превращений сменился периодом биологической эволюции, химическая эволюция как бы застыла.

Прикладное значение эволюционной химии. Эволюционная химия не только помогает раскрыть механизм биогенеза но и позволяет разработать новое управление химическими процессами, предполагающее применение принципов синтеза себе подобных молекул и создание новых мощных катализаторов, в том числе биокатализаторов – ферментов, а это, в свою очередь, является залогом решения задач по созданию малоотходных, безотходных и энергосберегающих промышленных процессов.

К началу документа

Теории возникновения жизни

Наиболее известными к настоящему времени теориями возникновения жизни на Земле являются следующие.

Креационизм . Согласно этой теории жизнь была создана сверхъестественным существом – Богом в определенное время. Этого взгляда придерживаются последователи почти всех религиозных учений. Однако и среди них нет единой точки зрения по этому вопросу, в частности, по трактовке традиционного христианско-иудейского представления о сотворении мира (Книга Бытия). Одни буквально понимают Библию и считают, что мир и все населяющие его живые организмы были созданы за шесть дней продолжительностью по 24 часа (в 1650 г. архиепископ Ашер, сложив возраст всех людей, упоминающихся в библейской генеалогии, вычислил, что Бог приступил к сотворению мира в октябре 4004 г. до н.э. и закончил свой труд в декабре 23 октября в 9 часов утра, создав человека. При этом, правда, получается, что Адам был сотворен в то время, когда на Ближнем Востоке уже существовала хорошо развитая городская цивилизация ). Другие же не относятся к Библии как к научной книге и считают, что главное в ней – божественное откровение о создании мира всемогущим Творцом в понятной для людей древнего мира форме. Другими словами, Библия не отвечает на вопросы «каким образом?» и «когда?», а отвечает на вопрос «почему?». В широком смысле креационизм допускает, таким образом, как создание мира в его законченном виде, так и создание мира, эволюционирующего по законам, заданным Творцом.

Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения. Однако для верующего теологическая (божественная) истина абсолютна и не требует доказательств. В то же время, для настоящего ученого научная истина не является абсолютной, она всегда содержит элемент гипотезы. Таким образом, концепция креационизма автоматически выносится за рамки научного – исследования, поскольку наука занимается лишь теми явлениями, которые поддаются наблюдению, могут быть подтверждены или отвергнуты в ходе исследований (принцип фальсифицируемости научных теорий). Другими словами, наука никогда сможет ни доказать, ни опровергнуть креационизм.

Самопроизвольное зарождение . Согласно этой теории жизнь возникала и возникает неоднократно из неживого вещества. Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне, Египте. Аристотель, которого часто называют основателем биологии, развивая более ранние высказывания Эмпедокла об эволюции живого, придерживался теории самопроизвольного зарождения жизни. Он считал, что «..живое может возникать не только путем спаривания животных, но и разложением почвы.». С распространением христианства эта теория оказалась в одной проклятой церковью «обойме» с оккультизмом, магией, астрологией, хотя и продолжала существовать где-то на заднем плане, пока не была опровергнута экспериментально в 1688 г. итальянским биологом и врачом Франческо Реди. Принцип «Живое возникает только из живого» получил в науке название Принципа Реди. Так складывалась концепция биогенеза, согласно которой жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни. В середине 19-го века Л. Пастер окончательно опроверг теорию самопроизвольного зарождения и доказал справедливость теории биогенеза.

Теория панспермии . Согласно этой теории жизнь была занесена на Землю извне, поэтому ее, в сущности, нельзя считать теорией возникновения жизни как таковой. Она не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а просто переносит проблему происхождения жизни в какое-то другое место Вселенной.

Теория биохимической эволюции . Жизнь возникла в специфических условиях древней Земли в результате процессов, подчиняющимся физическим и химическим законам.

Последняя теория отражает современные естественнонаучные взгляды и поэтому будет рассмотрена подробнее.

Согласно данным современной науки возраст Земли составляет примерно 4,5 – 5 млрд. лет. В далеком прошлом условия на Земле коренным образом отличались от современных, что обусловило определенное течение химической эволюции, которая явилась предпосылкой для возникновения жизни. Другими словами, собственно биологической эволюции предшествовала предбиотическая эволюция, связанная с переходом от неорганической материи к органической, а затем к элементарным формам жизни. Это было возможным в определенных условиях, которые имели место на Земле в то время, а именно:

· высокая температура, порядка 4000 О С,
· атмосфера, состоящая из водяных паров, СО 2 , СН 3 , NH 3 ,
· присутствие сернистых соединений (вулканическая активность),
· высокая электрическая активность атмосферы,
· ультрафиолетовое излучение Солнца, которое беспрепятственно достигало нижних слоев атмосферы и поверхности Земли, поскольку озоновый слой еще не сформировался.

Следует подчеркнуть одно из важнейших отличий теории биохимической эволюции от теории самопроизвольного (спонтанного) зарождения, а именно: согласно этой теории жизнь возникла в условиях, которые для современной биоты непригодны!

К началу документа

Гипотеза Опарина-Холдейна . В 1923 г. появилась знаменитая гипотеза Опарина, сводившаяся к следующему: первые сложные углеводороды могли возникать в океане из более простых соединений, постепенно накапливаться и проводить к возникновению «первичного бульона». Эта гипотеза быстро приобрела вес теории. Надо сказать, что последующие экспериментальные исследования свидетельствовали о правомерности таких предположений. Так в 1953 г. С. Миллер, смоделировав предполагаемые условия древней Земли (высокая температура, ультрафиолетовая радиация, электрические разряды) синтезировал в лабораторных условиях 15 аминокислот, входящих в состав живого, некоторые простые сахара (рибоза). Позднее были синтезированы простые нуклеиновые кислоты (Орджел). В настоящее время синтезированы все 20 аминокислот, составляющих основу жизни.

Опарин предполагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам . Белки способны образовывать гидрофильные комплексы: молекулы воды образуют вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от водной фазы и образовывать так называемые коацерваты (<лат. сгусток, куча) с липидной оболочкой, из которой затем могли образоваться примитивные клетки. Существенный недостаток этой гипотезы – она не опирается на современную молекулярную биологию. Это вполне объяснимо, поскольку механизм передачи наследственных признаков и роль ДНК стали известны сравнительно недавно.

(Английский ученый Холдейн (Кембриджский университет) в 1929 г. опубликовал свою гипотезу, согласно которой, живое также появилось на Земле в результате химических процессов в богатой диоксидом углерода атмосфере Земли, и первые живые существа были, возможно, «огромными молекулами». Он не упоминал ни о гидрофильных комплексах, ни о коацерватах, но его имя часто упоминается рядом с именем Опарина, а гипотеза получила название гипотезы Опарина-Холдейна.)

Решающую роль в возникновении жизни впоследствии отводили появлению механизма репликации молекулы ДНК. Действительно, любая сколь угодно сложная комбинация аминокислот и других сложных органических соединений – это еще не жизнь. Ведь важнейшее свойство жизни – ее способность к самовоспроизведению. Проблема здесь в том, что сама по себе ДНК «беспомощна», она может функционировать только при наличии белков-ферментов (например, молекула ДНК-полимеразы, «расплетающая» молекулу ДНК, подготавливая ее к репликации). Остается открытым вопрос, как самопроизвольно могли возникнуть такие сложнейшие «машины» как пра-ДНК и нужный для ее функционирования сложный комплекс белков-ферментов.

В последнее время разрабатывается идея возникновения жизни на основе РНК , т.е. первыми организмами могли быть РНК, которые, как показывают опыты, могут эволюционировать даже в пробирке. Условия для эволюции таких организмов наблюдаются при кристаллизации глины . Эти предположения основаны, в частности, на том, что при кристаллизации глин каждый новый слой кристаллов выстраивается в соответствии с особенностями предыдущего, как бы получая от него информацию о строении. Это напоминает механизм репликации РНК и ДНК. Таким образом, получается, что химическая эволюция началась с неорганических соединений, и первые биополимеры могли быть результатом автокаталитических реакций малых молекул алюмосиликатов глины.

К началу документа

Гиперциклы и зарождение жизни . Концепция самоорганизации может способствовать лучшему пониманию процессов происхождения и эволюции жизни, исходя из теории химической эволюции Руденко, рассмотренной ранее и гипотезы немецкого физико-химика М. Эйгена. Согласно последней, процесс возникновения живых клеток тесно связан с взаимодействием нуклеотидов (нуклеотиды - элементы нуклеиновых кислот – цитозин, гуанин, тимин, аденин ), являющихся материальными носителями информации , и протеинов (полипептидов [ 1] ), служащих катализаторами химических реакций. В процессе взаимодействия нуклеотиды под влиянием протеинов воспроизводят самих себя и передают информацию следующему за ними протеину, так что возникает замкнутая автокаталитическая цепь , которую М. Эйген назвал гиперциклом . В ходе дальнейшей эволюции из них возникают первые живые клетки, сначала безъядерные (прокариоты), а затем с ядрами – эукариоты.

Здесь, как видим, прослеживается логическая связь между теорией эволюции катализаторов и представлениями о замкнутой автокаталитической цепи. В ходе эволюции принцип автокатализа дополняется принципом самовоспроизведения целого циклически организованного процесса в гиперциклах, предложенного М.Эйгеном. Воспроизведение компонентов гиперциклов, так же как и их объединение в новые гиперциклы, сопровождается усилением метаболизма, связанного с синтезированием высокоэнергетических молекул и выведением как «отбросов» бедных энергией молекул. (Здесь интересно отметить особенности вирусов как промежуточной формы между жизнью и нежизнью: они лишены способности к метаболизму и, внедряясь в клетки, начинают пользоваться их метаболической системой ). Итак, по Эйгену происходит конкуренция гиперциклов, или циклов химических реакций, которые приводят к образованию белковых молекул. Цикла, которые работают быстрее и эффективнее, чем остальные, «побеждают» в конкурентной борьбе.

Таким образом, концепция самоорганизации позволяет установить связь между живым и неживым в ходе эволюции, так что возникновение жизни представляется отнюдь не чисто случайной и крайне маловероятной комбинацией условий и предпосылок для ее появления. Кроме того, жизнь сама готовит условия для своей дальнейшей эволюции .

К началу документа

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные этапы образования планет в соответствии с ротационной моделью.
2. Какие общие особенности планет Солнечной системы свидетельствуют об едином происхождении планет?
3. Поясните распространенность химических элементов в солнечной системе.
4. Как происходила дифференциация вещества Земли? Объясните строение Земли.
5. Что такое геохронология?

6. На какие части (по степени изученности) подразделяется история Земли?
7. Какие элементы называются органогенами и почему?
8. Какие элементы образуют химический состав живых систем?
9. Что такое самоорганизация?
10. В чем сущность субстратного и функционального подходов к проблеме самоорганизации химических систем?

11. Что такое эволюционная химия?
12. Что можно сказать о естественном отборе химических элементов и их соединений в ходе химической эволюции?
13. Что означает саморазвитие каталитических систем?
14. В чем заключается прикладное значение эволюционной химии?
15. Перечислите основные теории возникновения жизни.

16. Что такое креационизм? Можно ли опровергнуть креационизм? Объясните ваш ответ.
17. Что является слабым местом теории панспермии?
18. Чем отличается теория биохимической эволюции от теории самопроизвольного (спонтанного) зарождения жизни?
19. Какие условия считаются необходимыми для возникновения жизни в результате биохимической эволюции?
20. Что такое предбиотическая эволюция?

21. В чем заключается гипотеза Опарина - Холдейна?
22. В чем заключается основная проблема объяснения перехода от «неживого» к «живому»?
23. Что такое гиперцикл?

Литература

1. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. - Новосибирск: ЮКЭА, 1997.
2. Кузнецов В.Н., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. - М.: Агар,1996.
3. Грядовой Д.Н. Концепции современного естествознания. Структурный курс основ естествознания. - М.: Учпед,1999.
4. Концепции современного естествознания /под ред. С.И. Самыгина. - Ростов н/Д: Феникс, 1997.
5. Яблоков А.В., Юсуфов А.Г. Эволюционное учение. – М.: Высшая школа, 1998.
6. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. – М.: «Культура и спорт», ЮНИТИ, 1997.
7. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. – М.: Владос, 1998.

8. Нудельман Р. Кембрийский парадокс. - "Знание - Сила", август, сентябрь-октябрь 1988.

[ 1] полипептиды – длинная цепь аминокислот

К началу документа

Права на распространение и использование курса принадлежат
Уфимскому Государственному Авиационному Техническому Университету

Обновлено 19.02.2002.
Web-мастер О.В. Трушин