Вода и происхождение жизни
Вода и происхождение жизни
К.х.н. О.В. Мосин
Жизнь зародилась в воде. За последние десятилетия учёные, используя самые различные виды энергии, получили в лабораторных критериях самые различные «органические» вещества. Во всех этих опытах моделировались условия первичной бескислородной атмосферы.
Было установлено, что первичной бескислородной атмосфере старой Земли был вероятен синтез «органических» молекул за счет энергии коротковолнового уф-излучения Солнца, энергии электронных разрядов либо за счет других геотермальных источников энергии.
Энергия молнии и геотермальных источников Земли использовалась для синтеза первых органических молекул.
Посреди соединений, входящих в состав современных организмов входят белки, полисахариды, липиды и нуклеиновые кислоты. Белки, полисахариды, липиды и другие подобные соединения работают во всех жизненно-важных процессах, а нуклеиновые кислоты управляют процессами проигрывания, обеспечивая создание новых молекул. Все белки состоят из огромного числа строй блоков — молекул аминокислот. Обычно в составе природных белков встречается около 20 разных аминокислот. Отдельные их молекулы соединяются в цепи, образуя так именуемые полипептиды Некие белки состоят из нескольких полипептидных цепей, объединенных вместе в одну молекулу.
Структура белка – цитохрома С:
Нуклеиновые кислоты представлены 2-мя главными типами молекул. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), находится в ядрах клеток, а рибонуклеиновая кислота (РНК) в главном находится вне ядра, в цитоплазме. Только у неких обычных организмов типа вирусов имеется только одна нуклеиновая кислота — РНК либо ДНК. Молекулы нуклеиновых кислот несут генетическую информацию. Благодаря ей новые молекулы в точности похожи на те, которым требуется подмена либо пополнение.
Молекула ДНК
Молекулы нуклеиновых кислот состоят из 2-ух длинноватых цепей, закрученных одна вокруг другой, так что выходит спиральная структура — так именуемая двойная спираль. Любая цепь построена из схожих блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид цепи в свою очередь состоит из 3-х частей: фосфорной кислоты, сахара — дезоксирибозы (рибозы)и какого-нибудь 1-го из 4 азотистых оснований. Четыре азотистых основания, входящих в состав ДНК, — это аденин и гуанин (пуриновые основания) и тимин и цитозин (пиримидиновые основания; в РНК заместо тимина находится урацил).
Две полинуклеотидпые цепи молекулы ДНК «скреплены» в двойную спираль водородными связями, которые образуются меж пуриновыми основаниями одной цепи и пиримидиновыми основаниями другой.
1-ые опыты по неорганическому синтезу «органических» веществ в критериях первобытной Земли, провел С. Миллер. Он использовал очень обычный прибор — пробирку, в какой создаются электронные разряды. Прибор наполнялся водой и консистенцией газов — водородом, метаном и аммиаком; свободный кислород в пробирку не допускался. В высшей части пробирки безпрерывно создавались сильные электронные разряды. Понизу грелась до кипения вода, создавая циркуляцию пара и воды.
Устройство аппарата, в каком под действием искрового разряда из водорода, метана, воды и аммиака в отсутствии кислорода образуются органические соединения.
В качестве источника энергии употреблялся не ультрафиолет, а искровой разряд. Так как разряд дает меньше энергии, чем ультрафиолет, в следующих опытах использовали ультрафиолет. При всем этом из метана, аммиака и водорода синтезировались органические соединения – альдегиды и аминокислоты.
Уникальные опыты Миллера вызвали большой энтузиазм посреди учёных всего мира. К схожим опытам приступили многие ученые в мире, посреди их америкосы [3, 28, 29, 31], немцы [19] и наши сограждане [27].
Рассредотачивание соединений, приобретенных в опытах Миллера, по массе и трудности (диаграммы построены по данным С. Миллера):
В 1960 году Уилсон [43], добавив в начальный раствор серу, получил более большие молекулы полимеров, содержащие по 20 и поболее атомов углерода. В пробирке были обнаружены странноватые тонкие пленки размером около 1 см (см. фото 1). Это были поверхностно-активные вещества, скопившиеся на поверхности раздела газ — жидкость в виде тонких пленок. Учёные считают, что эти пленки молекул, синтезировавшихся на границе меж различными фазами, игрались важную роль на ранешних стадиях появления жизни.
Фото 1. Плоские плёнки органических макромолекул, образующихся при искровых разрядах в консистенции аммиака, сероводорода, паров воды и золы пекарских дрожжей.
А катализатором образования схожих пленок служила, по-видимому, сера. Это связано с тем, что на примитивной Земле сера, была обширно всераспространена в форме зернышек сульфидов (к примеру, в пиритовых песках).
Поннамперума и сотр. [31] проводили опыты, подобные тестам Миллера, но с внедрением в качестве источника энергии ультрафиолетового света. Хотя по теоретическим суждениям синтезы, идущие под действием ультрафиолета, не должны принципно отличаться от тех, которые вызываются электронным разрядом, принципиально было получить экспериментальное доказательство этого факта. Ведь в критериях первичной атмосферы еще больше энергии поступало с уф-излучением.
Исследователи не только лишь смогли синтезировать аминокислоты и пурины, т. е. строй блоки белков и нуклеиновых кислот соответственно, да и, используя особенные условия, смогли синтезировать из этих блоков полимеры. Оказалось, к примеру, что в присутствии цианистого водорода аминокислоты полимеризуются, образуя пептидные цепи. Причём при добавлении фосфорной кислоты выходили разные нуклеотиды [31, 33-36, 39].
Достойные внимания результаты получил южноамериканский учёный Оро и сотр. [28, 29], показавший, что более большие «органические» молекулы можно синтезировать и без помощи ультрафиолета, просто нагревая среду в обскурантистской консистенции.
Понятно, что в критериях восстановительной атмосферы малые «органические» молекулы могли синтезироваться за счет энергии уф-излучения Солнца. Но условия на Земле в эру примитивной атмосферы были для ранешней жизни более небезопасными, чем они оказались бы для современной. Хотя ранешняя жизнь в бескислородной атмосфере не подвергалась окислению, ничто не защищало ее от гибельного воздействия жесткого уф-излучения.
Потому нужно учесть, что при переходе от преджизни к жизни и во время предстоящего развития ранешней жизни, может быть, использовались уже другие источники энергии. К примеру, свободные радикалы и малые «органические» молекулы создавались за счет высокоэнергетического уф-излучения Солнца, а для синтеза из малых молекул других, более сложных соединений годились и наименее массивные источники энергии.
В опытах Оро и его служащих водные консистенции обычных «органических» молекул оставлялись на некоторое количество дней при температуре от комнатной до 150 С. Таким макаром, в отношении температуры эти опыты, обычно, не выходили за границы критерий, к которым может приспособиться современная жизнь.
Некие результаты анализов приобретенных соединений показаны на рисунке ниже. Так, в смесях метаналя с гидроксиламином, метаналя с гидразином и в смесях, содержащих цианистый водород, в конце опыта были обнаружены аминокислоты. В других опытах эти продукты полимеризовались в пептидные цепи — большой шаг к неорганическому синтезу белка. В системе с веществом цианистого водорода в аква аммиаке даже появлялись более сложные соединения — пурины и пиримидины (азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот).
Рис. Предполагаемый механизм образования пуринов из аква консистенции аммиака и цианистого водорода: промежные продукты — 4-аминоимидазол-5-карбокоамидин (АИКАМ) и 4-аминоимидазол-5-карбоксамид (АИКА)-были найдены в растворе.
Все эти опыты указали вероятный путь перехода от синтеза малых «органических» молекул за счет энергии ультрафиолетового солнечного излучения Солнца к более сложным «органическим» молекулам, образующимся при наименее жестких воздействиях.
Совсем другим методом в попытках синтезировать неорганическим методом огромные молекулы белков пошёл южноамериканский учёный Фокс и сотр. [8, 9, 15]. Как понятно, молекулы белков построены из одной либо нескольких полипептидных цепей, а те в свою очередь состоят из огромного числа различных аминокислот. После того как образовались аминокислоты, может произойти последующий принципиальный шаг — их конденсация в полипептидные цепи.
Учёные считают, что выделение молекулы воды, проваждающее реакцию конденсации 2-ух молекул аминокислот, — факт большой значимости. Так как реакция поликонденсации сопровождается дегидратацией, скорость перевоплощения будут выше при удалении воды из системы. Это суждение привело учёных к выводу, что преждевременное развитие жизни должно было происходить поблизости действующих вулканов, — в ранешние периоды геологической истории вулканическая деятельность шла более интенсивно, чем в следующие времена.
Но дегидратация аккомпанирует не только лишь полимеризацию аминокислот, да и объединение других строй блоков в более большие «органические» молекулы. Такое объединение всегда связано с реакцией конденсации, при которой от 1-го блока «отщепляется» атом водорода, а от другого — гидроксильная группа.
Первым возможность проведения реакций конденсации-дегидратации в критериях «первичного бульона» обосновал южноамериканский учёный Кальвин. Дело в том, что из всех соединений только синильная кислота способна связывать молекулы воды «первичного бульона». Присутствие в «первичном бульоне» синильной кислоты подтверждена уже первыми тестами Миллера.
Рис. Реакции конденсации с дегидратацией, приводящие к образованию из отдельных строй блоков более больших «органических» молекул. Верхние три уравнения: конденсация и следующая полимеризация аминокислот и в белки, сахаров в полисахариды и кислот и спиртов в липиды. Нижнее уравнение — конденсация аденина с рибозой и фосфорной кислотой, в итоге чего появляется нуклеотид. Полимеризация нуклеотидов в цепь нуклеиновой кислоты также представляет собой реакцию конденсации и протекает с выделением молекул воды.
Дальше, оказалось, что два других, несколько более сложных соединения — цианамид и дицианамид HN(C = N)2 — владеют ещё большей дегидратирующей способностью. Реакции с ними более сложны, их механизм еще не выяснен совсем [22]. В присутствии синильной кислоты и цианамидов конденсация отдельных блоков, сопровождаемая дегидратацией, может идти при обычных температурах в очень разбавленных аква смесях [24].
Достойные внимания выводы сделал Эйбелсон [1], установивший, что реакции с синильной кислотой очень зависят от кислотности аква смесей, в каких они протекают. Эти реакции не идут в кислых средах, тогда как щелочные условия (рН 8-9) им способствуют. Учёные до сего времени спорят мог ли первичный океан имел таковой состав, но полностью возможно, что конкретно таким рН обладала озерная вода, соприкасавшаяся с базальтом, и эти реакции полностью могли происходить при контакте с базальтовыми породами.
Исследователи провели опыты, в каких безводную смесь аминокислот подвергали воздействию температур до 170 С. Оказалось, что лучшие результаты по поликонденсации получаются со растворами, содержащими аспарагиновую и глутаминовую кислоты. Почему это так, до сего времени неясно. Кстати, любопытно, что конкретно эти две аминокислоты относятся к числу важных аминокислот, встречающихся в современных организмах.
Любопытно, что при всем этом создавались соединения, нареченные протеиноидами, схожие с природными белками. Так, они состояли из больших молекул с молекулярной массой до 300000, сложенных из числа тех же блоков, что и природный белок. Они содержали 18 из 23 аминокислот, обычно встречающихся у современных организмов. Таким макаром, они отвечали общему определению белка. С природным белком они сходны и по ряду других принципиальных параметров, к примеру по связыванию полинуклеотидов [41], по пригодности в еду микробам и крысам, по возможности вызывать реакции, схожие с теми, которые катализируются ферментами в организмах. Так, эти искусственно синтезированные «органические» соединения способны каталитически разлагать глюкозу. Активность их, правда, мала, но, как указывается в сообщении об этом [14], «…первым белкам довольно было проявлять хотя бы слабенькую активность». Не считая того, эти вещества могут оказывать действие, аналогичное действию меланоцитстимулирующего гормона [16].
Другое принципиальное свойство протеиноидных соединений — их «ограниченная гетерогенность». Это означает, что последовательность аминокислот в их пептидных цепях не совсем случайна, а, напротив, более либо наименее закономерна.
Но в то время было нереально провести серьезное сопоставление этих искусственных соединений с природными белками, потому что молекулы белков так сложны, что структура большинства из их еще не определена с достаточной точностью. Стремясь выделить сходство этих искусственных белковоподобных соединений с природными белками, Фокс именовал их протеиноидами. Так как они были синтезированы под действием тепла, в предстоящем их стали именовать «тепловыми протеиноидами».
С того времени почти все было изготовлено для исследования активности этих соединений — протеиноидов.
Следует подробнее поведать об одном увлекательном опыте — об образовании микросфер из тепловых протеиноидов. Этот процесс несложен. Промывая жаркую смесь искусственных полимеров водой либо аква смесями солей, получают бессчетные микросферы. Они очень малы, их поперечник — около 2 мкм. Их морфологические особенности показаны на фото 2.
Фото 2. Протеноидные микросферы, сдвоенные при увеличении рН среды.
Необходимо подчеркнуть, что эти микросферы достаточно размеренны. Если их помещают в смеси другой концентрации, чем концентрация раствора, в каком они образовались, то можно следить их реакцию. В очень концентрированных смесях они сморщиваются, в разбавленных набухают, т. е. их реакция на изменение осмотического давления сходна с реакцией живых клеток. Видимо, это разъясняется наличием у их полупроницаемой внешней оболочки, схожей с мембраной. Судя по электрическим микрофотографиям, эта оболочка может быть даже двойной.
Образование микросфер из тепловых протеиноидов принципиально поэтому, что оно дает нам материал для суждения о том, как мог произойти последующий шаг в развитии жизни. Это шаг от разрозненных «органических» молекул к группам таких молекул, собранным в отдельные структуры и отделенным от мира вокруг нас специфичной примитивной мембраной – коорцерватам, что было продемонстрировано нашим соотечественником А.И. Опариным.
С учётом вышесказанного происхождение жизни смотрится так: Первым шагом было образование при очень больших температурах аминокислот. Таковой синтез полностью вероятен вместе с другими, т. е. при воздействии электронных разрядов, уф-излучения и высочайшей температуры. Возможность такового теплового синтеза экспериментально подтверждена Харадой и Фоксом [21]. Последующий шаг — поликопденсация приобретенных аминокислот при температуре 170 либо 65 С (в последнем случае в присутствии неких фосфатов). Эта поликондепсация происходит, если в консистенции имеется довольно аспарагиновой и глутаминовой кислот. В консистенции протеиноидов при воздействии на нее водой либо кислыми аква смесями (дождиком) образуются микросферы. Способность протеиноидов к выполнению неких функций, схожих с функциями молекул живых организмов, выражается в том, что они могут в присутствии гидрата окиси цинка расщеплять нуклеотид АТФ, т. е. владеют слабенькой ферментативной активностью.
В текущее время есть много методов экспериментального получения «органических» молекул неорганическим методом в критериях, моделирующих первичную атмосферу. Но, результаты этих тестов с геологической точки зрения не являются удовлетворительными, так как достаточно тяжело моделировать геологическое прошедшее. Для возникновения первых древних форм жизни естественным методом значительно важны два условия. Во-1-х, атмосфера должна быть бескислородной, во-2-х, должно иметься все нужное для построения «органических» молекул — атомы углерода, азота, неорганические катализаторы, вода и т. д. Если эти условия будут выполнены, немедля начнется образование «органических» соединений.
Но это значит, что формирование жизни — процесс, характерный не только лишь нашей Земле. В принципе, на хоть какой планетке, отвечающей двум вышеизложенным требованиям, находилась она в нашей Солнечной либо в хоть какой другой системе, могут идти подобные процессы. Ведь бескислородная атмосфера, содержащая нужные для синтеза «органических» соединений атомы и молекулы, — обыденное для Вселенной явление. Остается одно главное условие для образования жизни — наличие водянистой воды. Таким макаром, неорганическое образование «органических» соединений — всераспространенный галлактический процесс.
Многие вопросы происхождения жизни остаются открытыми до сего времени, к примеру, изотопный состав первичного бульона. Дело в том, что в критериях первичной атмосферы и гидросферы в критериях геотермальной активности и искровых разрядах в аква среде могли создаваться и скапливаться малозначительные количества тяжёлой воды.
Учёные считают, что гравитационное поле Земли – недостаточно очень для удержания водорода, и наша планетка равномерно теряет водород в итоге его диссоциации в межпланетное место. Водород улетучивается резвее томного дейтерия. Потому в течение геологического времени должно происходить скопление дейтерия в атмосфере и в поверхностных водах. Тяжёлая вода улетучивается медлительнее, чем рядовая вода, а конденсируется резвее.
На нашей планетке осуществляется огромный испарительно-конденсационный процесс разделения воды и обогащения её из туч и туч, в то время как тяжёлая вода скапливается в закрытых водоёмах.
Можно представить, что в те времена первичный бульён был разбавлен этой тяжёлой водой и синтез первых органических соединений происходил в её присутствии. Связи С-D более размеренны чем связи С-Н. По теории абсолютных скоростей разрыв С-Н-связей может происходить резвее, чем C-D-связей, подвижность дейтерия D+ меньше, чем подвижность протия Н+, константа ионизации тяжёлой воды в 5 раз меньше константы ионизации обыкновенной воды. Всё это может наложить отпечаток на кинетику химико-ферментативных реакций (О. В. Мосин).
К.х.н. О.В. Мосин
Литературные источники
1. Abelson Ph. Я., Chemical events on the»primitive earth,»Proc. Natl. Acad. Sci. U. S., 55, 1365-1372 (1966).
2. Bernal J. D., The Origin of Life, Weidenfeld and Nicolson, London, 345, 1967 Джон Бериал, Появление жизни, изд-во «Мир», М., 1969).
3. Calvin. М., Chemical evolution, Proc. Roy. Soc. (London), Ser. A, 288, 441-466 (1965).
4. Calvin M., Chemical Evolution, Clarendon, Oxford, 278 pp., 1969 (М. Кальвин, Хим эволюция, изд-во «Мир», М., 1971).
5. Craford В., Jr., Chemical analysis by infrared, Sci. Am., 189, 8 pp. (1953).
6. Eck R. V., Lipincott E. R., Dayhoff M. O., Pratt Y. T.t Thermodynamic equilibrium and the inorganic origin of organic compounds, Science, 153,628-633 (1966).
7. Eglinton G., Calvin M., Chemical fossils, Sci. Am., 216 (1), 32-43 (1967).
8. Fox S. W., A theory of macromolecular and cellular origins, Nature, 205, 328-340 (1965).
9. Fox S. W., Simulated natural experiments in spontaneous organization of morphological units from proteinoid. In: S. W. Fox (Editor), The Origins of Prebiological Systems, Academic Press, New York, N. Y., pp. 361-373, 1965 (Происхождение предбиологических систем, изд-во «Мир»,М., 1966).
10. Fox S, Experiments suggesting evolution to protein. In: V. Bryson and H. J. Vogel (Editors), Evolving Genes and Proteins, Academic Press, New York, N. Y., 359-70, 1965.
11. Fox S., Self-assembly of the protocell from a self-ordered polymer, J. Sci. Ind. Res., 27, 267-274 (1968).
12. Fox S. W., A new view of the «synthesis of life», Quart. J. Florida Acad. Sci., 31, 1-15 (1968).
13. Fox S. W., Spontaneous generation, the origin of life and self assembly, Currents Modern Biol., 2, 235-240 (1968).
14. Fox S. W., Krampitz G., Catalytic decomposition of glucose in aqueous solution by thermal proteinoids, Nature, 203, 1362-1364 (1964).
15. Fox S. W., WaehneldtT. F., The thermal synthesis of neutral and basic proteinoids, Biochim. Biophys. Acta, 160, 246-249 1968).
16. Fox S. W., Wang С. Т., Mclanocytestimulating hormone: Activity in thermal polymers of alpha-ammo acids, Science, 160, 547-548 (1968).
17. Fruton J. S., Simmonds L., General Biochemistry, 2nd ed., Wiley, New York, N. Y., 1077 pp., 1958.
18. Gray G. W., Electrophoresis, Sci. Am., 185, 11 (1951).
19. Groth W., von Weyssenhoff H., Photochemische Bildung organischer Verbindungen aus Mischungen einfacher Gase, Ann. Ehys., 4, 69-77 (1959).
20. Haggis G. H. (Editor), Molecular Biology, Wiley, New York, N. Y.,401, 1964.
21. Harada I., Fox S. W., Thermal synthesis of natural ammo-acids from a postulated primitive terrestrial atmosphere, Nature, 201, 335-336 (1964).
22. Huntress W. Т., Jr., В aldesch wieler J. Z., Ponnamperuma C., Ion-molecule reactions in hydrogen cyanide, Nature, 223, 468-471 (1969).
23. Keller R. A., Gas chromatography, Sci. Am., 205, 11 (1961).
24. Mathews C. N., Moser R., Peptide synthesis from hydrogen-cyanide and water, Nature, 215, 1230-1234 (1968).
25. Miller S. L., Formation of Organic Compounds on the Primitive Earth. In: Опарин А. И. (ред.), The Origin of Life on Earth, Pergamon, London, 123-135, 1959
26. Meister, Biochemistry of the Ammo Acids, 2nd ed., Academic Press,New York, N. Y., 1, 119, 1965 (перевод 1-го издания: А. Майстер, Биохимия аминокислот, ИЛ, М., 1961).
27. Опарин А. И., Пути исходного формирования обмена веществ и искусственное моделирование этого формирования в коацерватных каплях. In: S. W. Fox (Editor), Origins of Prebiological Systems, Academic Press, New York, N. Y., 331-341, 1965 (Происхождение предбиологических систем, изд-во «Мир», стр. 335, М., 1966).
28. Оro, Investigation of organo-chemical evolution. In: G. Marnikunian and М. Н. Briggs (Editors), Current Aspects of Exobiology, Pergamon,London, 13-76, 1965.
29. Оrо J., Prebiological organic systems. In: S. W. Fox (Editor), The Origin of Prebiological Systems, Academic Press, New York, N. Y., 137-162, 1965 (Происхождение предбиологических систем, изд-во «Мир», стр. 144, М., 1966).
30. Pauling L., College Chemistry, 3rd ed.,Freeman, San Francisco, Calif., 832 pp., 1964.
31. Ponnamperuma C., Abiological synthesis of some nucleic acid constituents. In: S. W. Fox (Editor), The Origin of Prebiological Systems, Academic Press, New York, N. Y., 221-236, 1965 Происхождение предбиологических систем, изд-во «Мир», стр. 224, М., 1966)
32. Ponnamperuma С., Gabel N., Prebiological synthesis of organic compounds. In: A. Renbaum and R. F. Landell (Editors), Chemistry in Space Research, 1969.
33. Ponnamperuma C., Mack R., Nucleotide synthesis under possible primitive earth conditions, Science, 148, 1221-1223 (1965).
34. Ponnamperuma C., Peterson E., Peptide synthesis from amino acids in aqueous solution, Science, 147, 1572-1573 (1965).
35. Rabinowitz J. S., Chang S., Ponnamperuma C., Phosphorylation of inorganic phosphate as a potential prebiotic process, Nature, 218, 442-443(1968).
36. Schwartz A., Ponnamperuma C., Phosphorylation of adenosine with linear polyphosphate salts in aqueous solution, Nature, 218, 443 (1968).
37. Stein W., Moore S., Chromatography, Sci. Am., 184, 9 pp. (1951).
38. Steinman G., Sequence generation in prebiological peptide systems, Arch. Biochem. Biophys,, 121, 533-539 (1967).
39. Steinman G., Smith A. E., Silver J., Synthesis of a sulfur-containing amino acid under simulated prebiotic conditions, Science, 159, 1108-1109(1968).
40. Supina W. R., Henley R. S., Gas chromatography-snooper par excellence,Chemistry, 37, 12-17 (1964).
41. Waehneldt T, V., Fox S. W., The binding of basic proteinolds with organismic or thermally synthesized polynucleotides, Biochem. Biophys. Acta,160, 239-245 (1968).
42. Willard Н. Я., Merrit L. L., Dean J. A., Instrumental methods of analysis, 3rd ed., Van Nostrand, Princeton, N. J., 626 pp., 1958.
43. Wilson А. Т., Synthesis of macromoleculcs, Nature, 188, 1007-1009(1960).
44. Young R. S., Ponnamperuma C., Early evolution of life, B. S. C. S. Pamphlets, Heath, Boston, 11, 29, 1964.
45. О.В. Мосин, Д.А. Складнев, В.И. Швец. Биотехнология, 2001.