Вода — субстанция жизни
Вода — субстанция жизни
О. В. Мосин, И. Игнатов (Болгария)
В статье дискуссируется значение воды и изотопный состав аква среды в процессе эволюционного происхождения жизни. Рассмотрен синтез более принципиальных органических молекул аминокислот, протеинов и нуклеиновых кислот из неорганических молекул, также реакции, протекающих в аква среде старой Земли. Высказано предположение, что в критериях первичной бескислородной атмосферы, лишенной озонового слоя, под воздействием геотермальной энергии, коротковолнового уф-излучения Солнца и массивных искровых разрядов, в гидросфере старой Земли могла создаваться и скапливаться тяжёлая вода (D2O), физико-химические характеристики которой существенно отличаются от параметров обыкновенной воды. Данный факт может наложить значимый отпечаток на представления о ранешних шагах происхождения жизни. Создателями были получены при росте на тяжеловодородных средах разные приспособленные к наибольшим концентрациям тяжёлой воды клеточки микробов, весь био материал которых заместо водорода содержит дейтерий. Их предстоящее исследование позволит дать ответ на вопрос как работают дейтерированые молекулы жизненно-важных соединений в критериях первичной гидросферы и аква сред, в каких все атомы водорода замещены на дейтерий.
Бессчетные научные данные свидетельствуют о том, что жизнь зародилась в аква среде [1]. За последние десятилетия, используя различные источники энергии, в лабораторных критериях из неорганических веществ были синтезированы самые различные органические соединения – аминокислоты, протеины, нуклеозиды и др. [2]. В этих опытах моделировались условия первичной бескислородной атмосферы, в какой был вероятен синтез органических молекул из неорганических за счет энергии коротковолнового уф-излучения Солнца, энергии электронных разрядов и других геотермальных источников энергии [3].
1-ые опыты по неорганическому синтезу органических веществ в критериях первичной бескислородной атмосферы, были проведены в 1959 году южноамериканским ученым С. Миллером [4]. Смесь воды и газов – водорода (Н2), метана (CH4), аммиака (NH3) и монооксида углерода (CO), находящаяся в замкнутом сообщающемся сосуде, подвергалась воздействию электронных разрядов при температуре кипения воды. В процессе реакции из начальных неорганических веществ синтезировались органические соединения – альдегиды и аминокислоты. Опыты нашли, что 10—15 % углерода перебежало в органическую форму. Около 2 % углерода детектировалось в виде аминокислот, самым распространённым из которых оказался глицин. Первичный анализ показал наличие в обскурантистской консистенции 5 аминокислот. Но, более полный повторный анализ, проведеный в 2008 году, показал образование в обскурантистской консистенции 22 аминокислот, содержащих от 5 до 20 атомов в молекуле (рис. 1) [5]. Вместе с аминокислотами в обскурантистской консистенции также были обнаружены сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот — нуклеозиды.
Рис. 1. Рассредотачивание соединений, приобретенных в опытах Миллера, по массе и числу атомов углерода в молекуле (диаграммы построены по данным С. Миллера [4, 5])
Опыты Миллера вызвали большой энтузиазм посреди учёных всего мира. К аналогичным опытам приступили другие исследователи. В 1960 году Уилсон [6] при обработке искровым разрядом паров воды (Н2О), аммиака (NH3), сероводорода (H2S), серы и золы дрожжей, получил более большие молекулы органических полимеров, содержащих 20 и поболее атомов углерода. Эти полимеры в аква среде сформировывали тонкие пленки, с площадью поверхности около 1 см2, представляющие из себя поверхностно-активные вещества, сконцентрированные на поверхности раздела вода — воздух (рис. 2). Подразумевается, что эти пленки молекул полимеров, синтезировавшихся на границе меж различными фазами, игрались важную роль на ранешних стадиях эволюции первых организованных мембраноподобных структур. Катализатором их образования могла служить сера и ее производные, которые были обширно всераспространены на первобытной Земле в форме зернышек сульфидов, встречающихся, к примеру, в пиритовых песках.
Рис. 2. Тонкие плёнки органических полимеров, образующихся при искровых разрядах в консистенции паров воды (Н2О), аммиака (NH3), сероводорода (H2S), серы и золы дрожжей [6].
В 1969 году Поннамперума и сотр. провели опыты, подобные тестам Миллера, используя в качестве источника энергии уф-излучение [7]. Хотя по теоретическим суждениям синтезы, идущие под воздействием уф-излучения, не должны принципно отличаться от тех, которые индуцируются электронным разрядом, было принципиально получить экспериментальное доказательство этого факта, так как в критериях первичной атмосферы еще больше энергии поступало с уф-излучением. Как ожидалось, исследователи не только лишь смогли синтезировать аминокислоты и пурины, т. е. строй блоки белков и нуклеиновых кислот, но также смогли синтезировать из этих блоков полимеры [8]. Аминокислоты полимеризовались в пептидные цепи в присутствии катализатора – цианистого водорода – HCN. При предстоящей обработке обскурантистской консистенции фосфорной кислотой (Н3РО4) в аква среде синтезировались нуклеотиды.
Подразумевается, что в критериях восстановительной атмосферы маленькие органические молекулы могли синтезироваться за счет энергии уф-излучения Солнца. Но условия на Земле в эру бескислородной атмосферы для первых органических систем были достаточно жёсткими. Хотя 1-ые организмы в бескислородной атмосфере не подвергалась окислению, ничто не защищало их от гибельного воздействия жесткого уф-излучения. Потому нужно учесть, что для синтеза органических молекул могли использовались другие истчники энергии. За счет высокоэнергетического уф-излучения Солнца могли синтезироваться малые органические молекулы и свободные радикалы. Для синтеза из малых молекул других, более сложных соединений могли употребляться геотермальные источники энергии. Так, в смесях метаналя с гидроксиламином, метаналя с гидразином и в смесях, содержащих цианистый водород, после нагрева обскурантистской консистенции в конце опыта обнаруживались аминокислоты [9]. В других опытах эти продукты полимеризовались в пептидные цепи, что является принципиальным шагом на пути к неорганическому синтезу белка. В обскурантистской консистенции с веществом цианистого водорода (HCN) в аква аммиаке (NH3) также создавались более сложные соединения, входящие в состав нуклеиновых кислот – азотистые основания пурины и пиримидины, изображенные на рис. 3 [10].
Рис. 3. Предполагаемые механизмы образования пуринов – аденина, гуанина и ксантина из аква консистенции аммиака и цианистого водорода (вверху) и аденина из аква консистенции аммиака и цианистого водорода (понизу). (суммарная реакция: 5HCN = аденин) [10]. Промежные продукты синтеза – 4-аминоимидазол-5-карбоксамидин и 4-аминоимидазол-5-карбоксамин детектировались в растворе.
Приобретенные результаты показали вероятный путь перехода от синтеза малых органических молекул за счет энергии уф-излучения Солнца к более сложным органическим молекулам, образующимся при наименее жестких тепловых воздействиях. Это очень принципиально для формирования представлений о ранешней эволюции первых форм жизни. Важную роль в этом процессе игрались молекулы жизненно-важных соединений – протеинов и нуклеиновых кислот. Как понятно, молекулы протеинов построены из одной либо нескольких полипептидных цепей, состоящие из огромного числа разных аминокислот. Их следующая конденсация в полипептидные цепи может произойти в определённых критериях, после их образования. Принципиальным фактором в реакции конденсации 2-ух молекул аминокислот является выделение молекулы воды. Так как реакция поликонденсации аминокислот сопровождается дегидратацией, при удалении воды из системы быстроту реакции возрастает. Данный факт свидетельствует о том, что преждевременное развитие жизни происходило поблизости действующих вулканов, так как в ранешние периоды геологической истории вулканическая деятельность происходила более интенсивно, чем в следующие геологические времена. Но дегидратация аккомпанирует не только лишь полимеризацию аминокислот, да и объединение других блоков в более большие органические молекулы, также полимеризацию нуклеотидов в нуклеиновой кислоты. Такое объединение всегда связано с реакцией конденсации, при которой от 1-го блока «отщепляется» протон Н+, а от другого — гидроксильная группа ОН- с образованием молекулы воды (Н2О)[11].
Первым возможность существования реакций конденсации-дегидратации в критериях первичной гидросферы обосновал Кальвин в 1965 году [12]. Из всех соединений только синильная кислота (HCN) и ее произодные — цианамид (HNCN2) и дицианамид HN(C = N)2 владеют дегидратирующей способностью и способностью катализировать процесс связывания молекулы воды первичной гидросферы [13]. На присутствие синильной кислоты в первичной гидросфере указывают и ранешние опыты Миллера. Хим реакции с синильной кислотой и ее производными сложны, их механизм совсем не выяснен. Как показано на рис. 4, в присутствии синильной кислоты и цианамидов конденсация отдельных блоков, сопровождаемая дегидратацией, может идти при обычных температурах в очень разбавленных аква смесях.
Рис. 4. Реакции конденсации и дегидратации, приводящие к образованию из отдельных молекул более больших органических молекул. Верхние три уравнения: конденсация и следующая полимеризация аминокислот в протеины, сахаров в полисахариды и кислот и спиртов в липиды. Нижнее уравнение — конденсация аденина с рибозой и фосфорной кислотой, приводящая к образованию нуклеотида [12].
Реакции поликонденсации аминокислот в присутствии синильной кислоты и ее производных зависят от кислотности аква смесей, в каких они протекают [14]. В кислых аква средах (рН 4-6) эти реакции не идут, тогда как щелочные условия (рН 8-9) содействуют их протеканию. До сего времени не существует конкретного представления, имел ли первичный океан щелочной состав, но возможно, что конкретно таким значением рН обладала озерная вода, соприкасавшаяся с базальтом, и эти реакции могли происходить при контакте воды с базальтовыми породами.
В модельных критериях первичной гидросферы безводную смесь аминокислот подвергали воздействию температур от 600С до 1700С с образованием маленьких протеинов. При всем этом лучшие результаты по поликонденсации выходили со растворами аминокислот, содержащими аспарагиновую и глутаминовую кислоты [15]. Эти аминокислоты относятся к числу неподменных аминокислот, встречающихся во всех современных организмах. В процессе синтеза из их создавались соединения схожие с природными белками, потом нареченные протеиноидами. Они состояли из больших молекул с молекулярной массой до 300000, состоящих из числа тех же аминокислот, что и природные белки. По количественному составу они содержат 18 из 22 аминокислот, обычно встречающихся у современных организмов, что сооответствует общему определению белка. С природным белком протеиноиды сходны и по ряду других принципиальных параметров, к примеру по связыванию полинуклеотидов, по пригодности в еду микробам и крысам, по возможности вызывать реакции, схожие с теми, которые катализируются ферментами в живых организмах. Так, эти искусственно синтезированные органические соединения способны каталитически разлагать глюкозу [16] и оказывать действие аналогичное действию меланоцитстимулирующего гормона [17].
Другим принципиальным свойством протеиноидных соединений является их гетерогенность. Это значит, что последовательность аминокислот в их пептидных цепях не случайна, а, напротив, закономерна. Но в то время было нереально провести четкое сопоставление этих искусственных соединений с природными белками, потому что молекулы белков так сложны, что структура многих из их еще не определена с достаточной точностью. Чтоб выделить сходство этих искусственных белковоподобных соединений с природными белками, они были названы протеиноидами [18]. Так как они были синтезированы под действием тепла, в предстоящем их стали обозначать «тепловыми протеиноидами».
За последние годы много было изготовлено для исследования структуры и параметров протеиноидов. Если помыть жаркую смесь протеиноидов водой либо аква смесями солей, в аква среде образуются простые мембраноподобные микросферы [19]. Размер микросфер очень мал, их поперечник составляет около 2 мкм. По морфологическим особенностям микросферы напоминают мембрану клеточки (рис. 5).
Рис. 5. Электрические микрофотографии протеноидных микросфер в аква среде [19].
Как проявили исследования протеноидные микросферы достаточно размеренны. При помещении их в водные смеси другой концентрации, чем концентрация начального раствора, в каком они образовались, они начинают реагировать на наружные условия. В концентрированных аква смесях они сморщиваются, в разбавленных набухают, т. е. их реакция на изменение осмотического давления сходна с реакцией живых клеток. Это разъясняется наличием у их полупроницаемой внешней оболочки, схожей с мембраной клеточки, которая может быть также и двойной.
Образование протеноидных микросфер из консистенции искусственных протеинов принципиально так как дает материал для суждения о том, как мог произойти последующий шаг эволюции жизни. Это шаг от разрозненных органических молекул к группам организованных молекул — коацерватам, собранным в отдельные структуры и разделенными от мира вокруг нас примитивной мембраной – аналогом мембраны клеточки, что было в первый раз продемонстрировано нашим соотечественником академиком А. И. Опариным [20].
С учётом вышеназванных причин происхождение жизни смотрится последующим образом. Исходным шагом эволюции, по-видимому, было образование в первичной гидросфере и насышенной водяными парами атмосфере при больших температурах аминокислот и азотистых соединений – аналогов нуклеиновых кислот. Таковой синтез вероятен при наличии в аква среде фосфорной кислоты и воздействии электронных разрядов, уф-излучения и больших температур [21]. Последующий шаг — поликонденсация аминокислот в протеиноиды при температурах 65-1700С. Реакция поликонденсации происходит в присутствии фосфатов, если в аква консистенции имеется достаточные количества аспарагиновой и глутаминовой кислот. Потом в консистенции протеиноидов при воздействии на их водой либо кислыми аква смесями (дождиком) образуются коарцерваты – предшественники первых клеток, владеющие каталитической активностью. Способность протеиноидов к выполнению неких функций, схожих с функциями ферментов живых организмов, выражается в том, что они могут в присутствии гидрата окиси цинка расщеплять АТФ, т. е. владеют слабенькой ферментативной активностью. Впоследствие этого у микросфер в предстоящем могла показаться способность к синтезу РНК, которые могли случайным образом кодировать недлинные белки.
Важную роль в происхождении жизни, по-видимому, играл самый распространённый минерал земной коры кварц SiO2. Кристалл кварца обладает тетраэдрической структурой, из которой могут складываются разные цепочечные и ленточные переплетающиеся вместе силикатные структуры. Уникальность кварца состоит в том, что его кристаллы оптически активны, т. е. способны вести взаимодействие с поляризованным светом. Но кристаллы кварца не просто действуют на проходящий через их свет, они также владеют оптически активными качествами на поверхности кристалла. Потому, на поверхности Lи Dэнантиомерных кристаллов кварцев была вероятна избирательная абсорбция Lи D-изомеров, что может разъяснить стереоселективность эволюции.
Другим увлекательным свойством кварца будет то, что его структура необычным образом припоминает структуру самой воды (рис. 6). Еще первооткрыватели водородных связей Дж. Бернал и Р. Фаулер в 1932 г. ассоциировали структуру водянистой воды с кристаллической структурой кварца, а ассоциаты воды рассматривались как тетрамеры 4Н20, в каких четыре молекулы воды соединены в тетраэдр с двенадцатью внутренними водородными связями, в итоге появляется четырёхгранная пирамида – тетраэдр [22].
Рис. 6. Кристаллическая структура кварца (слева) и тетраэдрическая структура воды (справа).
По воззрению русского исследователя Колясникова [23] водородные связи в аква тетрамерах могут создавать как правотак и левовинтовую последовательности, аналогично тому, как кристаллы кварца есть в правои лево-вращательной кристаллической формах. Потому что каждый таковой тетрамер воды имеет к тому же четыре незадействованные наружные водородные связи, то тетрамеры могут соединяться этими наружными связями в собственного рода полимерные цепочки, наподобие молекулы ДНК (рис. 7-10). Так как наружных связей всего четыре, а внутренних — втрое больше, то это позволяет тетрамерам в водянистой воде изгибать, поворачивать и даже надламывать эти ослабленные термическими колебаниями молекул воды наружные водородные связи. Согласно этому предположению это и обуславливает текучесть воды.
Рис. 7. Простые кремнекислородные единицы-ортогруппы SiO44- в структуре Mg-пироксена в минерале энстатите (а) и диортогруппы Si2O76- в Са-пироксеноиде волластоните (б).
Рис. 8. Главные типы кремнекислородных цепочечных группировок (по Белову): а-метагерманатная, б — пироксеновая, в — батиситовая, г-волластонитовая, д-власовитовая, е-мелилитовая, ж-родонитовая, з-пироксмангитовая, и-метафосфатная, к-фторобериллатная, л — барилитовая.
Рис. 9. Главные типы ленточных кремнекислородных группировок (по Белову): а — силлиманитовая, амфиболовая, ксонотлитовая; б-эпидидимитовая; в-ортоклазовая; г-нарсарсукитовая; д-фенакитовая призматическая; е-эвклазовая вкрапленная.
Рис. 10. Кусок слоистой кристаллической структуры минерала мусковита KAl2(AlSi3O10.OH)2, иллюстрирующий переслаивание алюмокремне-кислородных сеток с полиэдрическими слоями больших катионов Al3+ и K+, напоминающие двухцепочечную структуру ДНК.
Предполагаемая структура воды могла быть обоснована ее старой реологической связью с кварцем и другими кремнекислородными минералами, преобладающими в земной коре, в контакте с которыми пребывала вода. С кальциево-силикатными породами связано и развитие древних форм жизни на Земле. Самые древнейшие подтверждения существования живых организмов со слоистой известковой структурой на Земле датируются 3,5 млрд лет. Эти древние известковые (доломитовые) ископаемые докембрийского периода – строматолиты, которые строили собственный скелет из известняка и диоксида кремния SiO2. Строматолиты формировались на деньке неглубоких водоемов в архее в самую древнейшую геологическую эру Земли — 2,5?3,5 миллиардов годов назад. Исследование этих образований очень принципиально и любопытно, потому что строматолиты хранят внутри себя сведения о зарождающейся жизни на Земле и органическом составе первых живых организмов – бессчетных колоний цианобактерий, диатомовых водных растений и нефтеперерерабатывающих микробов, возникающих в толщах известняков и доломитов в жерлах погасших вулканов и тепловых источников. Эти планктонные формы обитают в верхних слоях морской воды совместно с другими организмами, владеющими известковыми (фораминиферы) и хитиновыми панцирями. Размер организмов с кремниевым скелетом добивается несколько 10-ов микрометров. После погибели эти организмы опускались на морское дно, причём вещество их скелета химически вело взаимодействие с морской водой. Карбонат кальция фораминифер и хитин других планктонных микробов растворялись в воде лучше, чем кремнезём диатомовых водных растений и радиолярий, формируя осадки кремнезёма. Кремнистые сланцы с отложениями этих кремнийсодержащих микробов формировались в эру фанерозоя в глубочайших океанских впадинах, на глубинах около 2-3 км. Временный расцвет организмом с кренезёмным скелетом мог привести к такому скоплению кремния в водах океана. Потом двуокись кремния могла кристаллизоваться вокруг рассеянных в известняке центров кристаллизации, равномерно замещая молекулы карбоната кальция. Позже, организмы, владеющие известковыми панцирями — фораминиферы стали абсорбировать кальций из известняковых пород.
Новые заслуги в области исследования воды и её структуры дают возможность лучше рассматривать условия, при которых зародилась жизнь. Тяжело допустить, что жизнь могла появиться в хаотической воде [24]. Живы организмы и вода являются сложными, самоорганизующимися системами со характерной им структурой. Самыми подходящими для зарождения жизни на Земле являются минеральные воды, которые взаимодействают с карбонатом кальция, а потом морские воды. При всем этом самоорганизация первичных органических соединений в аква среде поддерживалась термальной энергией магмы, вулканической деятельностью и солнечной активностью. Так, циркулирующие в недрах по трещинкам, пустотам, каналам и пещерам карстовые воды содержат карбонат кальция, интенсивно ведут взаимодействие с живой материей и содержат информацию о жизни в более позднем геологическом периоде.
Другой главный вопрос эволюции жизни – структура самой воды, участвующей в образовании жизни. Как проявили совместные исследования, проведенные в Болгарском научно-исследовательском центре мед биофизики, отдельные клеточки и ткани организма являются датчиками структурированного состояния воды, чутко реагирующими на конфигурации ее структуры. Зависимо от энергетических состояний живы организмы могут либо получать разные виды энергии из среды (режим приема), либо напротив терять ее (режим отдачи). Возможно, в этих 2-ух режимах происходят конфигурации структуры водяных ассоциатов – кластеров с общей формулой (Н2О)n. Потому передача инфы меж отдельными клеточками может осуществляться и за счет информационных параметров воды.
Таким макаром, в текущее время существует много научных данных, подтверждающих структурирующую роль воды при появлении клеточной самоорганизации и ранешних форм жизни в критериях первичной гидросферы, в какой был вероятен синтез органических молекул из неорганических. Но, с геологической точки зрения результаты этих исследовательских работ нередко не являются удовлетворительными из-за трудности моделирования геологического процессов прошедшего. Потому многие вопросы происхождения жизни остаются до сего времени неизученными, к примеру, изотопный состав первичной гидросферы. Как было показано создателями преждевременное [25], в первичной гидросфере в критериях геотермальной активности и искровых разрядов в аква среде могли создаваться и скапливаться некие количества тяжёлой воды (D2O). В первичной атмосфере Земли не было защитного кислородно-озонового слоя, способного защитить поверхность Земли от жёсткого коротковолнового излучения Солнца, несущего гигантскую энергию. Потому излучение свободно проходило через бескислородную атмосферу и достигая гидросферы, вызывало фотолиз воды. Энергия излучения, вулканические геотермальные процессы на жаркой поверхности Земли и электронные разряды в атмосфере, могли явиться результатом обогащения гидросферы дейтерием в виде тяжёлой воды, которая испаряется медлительнее обыкновенной воды.
Тяжёлая вода по хим составу представляет собой оксид дейтерия D2O с кислородом природного изотопного состава 16О. Строение молекул D2O такое же, как молекул Н2O, с очень малым различием в значениях длин ковалентных связей и углов меж ними. Молекулярная масса D2O (20,0276 г/моль) на 10% превосходит массу Н2O (18,0153 г/моль). Разница в молекулярных массах D2O и Н2O приводит к значимым различиям в физических, хим и био свойствах тяжёлой воды (таблица 1). Тяжёлая вода бурлит при 101,440С, леденеет при 3,820С, имеет плотность при 200С 1,1053 г/см3, причём максимум плотности приходится не на 40С, как у обыкновенной воды, а на 11,20С (1,1060 г/см3). Большая крепкость связи D-O, по сопоставлению с Н-О, обуславливает различия в кинетике реакций тяжёлой и обыкновенной воды. Согласно теории абсолютных скоростей разрыв СH-связей может происходить резвее, чем СD-связей, подвижность иона D+ меньше, чем подвижность Н+, константа ионизации тяжёлой воды меньше константы ионизации обыкновенной воды. Эти эффекты отражаются на кинетике хим связи и скорости хим реакций в тяжёлой воде. Протолитические реакции и биохимические процессы в D2O существенно замедлены. Но, есть и такие реакции, скорость которых в тяжёлой воде выше, чем в Н2O. В главном это реакции, катализируемые ионами D+ либо H+ либо ODи ОН-. Опыты с тяжёлой водой проявили, что клеточки животных способны выдерживать до 25-30% D2O, растений 60% D2O, а клеточки простых микробов способны жить на 90% D2O [26].
Таблица 1. Физические характеристики обыкновенной и тяжёлой воды
Физические характеристики
D2O
H2O
Молекулярная масса (г/моль)
20,0276
18,0153
Плотность при 20 0C (г/см3)
1,1053
0,9982
Температура наибольшей плотности, °C
11,24
3,98
Температура замерзания при 1 атм, °C
3,82
0
Температура кипения при 1 атм, °C
101,44
100
Давление пара при 100 °C, мм. рт. ст.
721,60
760,00
Вязкость при 20 °C, сантипуаз
1,247
1,002
В составе природной воды дейтерий образует 6 конфигураций изотопологов — HD16O, HD17O, HD18O, D216O, D217O, D218O, 3 конфигурации образованы изотопологами кислорода — Н216O, Н217O, Н218O. Массовые концентрации изотопологов воды в природных водах, рассчитанные на основании данных определения их содержания способом ИК-спектроскопии, варьируют в границах, зафиксированных в главных эталонах изотопного состава гидросферы Standard Marine Ordinary Water (SMOW) (таблица 2).
Таблица 2. Рассчитанные массовые концентрации изотопологов в природной воде, надлежащие интернациональному эталону SMOW
Изотополог воды
Молекулярная масса
Содержание, г/кг SMOW
1H216O
18,0106
997,03253636
1HD16O
19,01684
0,32800009
D216O
20,0231
0,00002690
1H217O
19,0148
0,41150907
1HD17O
20,0211
0,00013499
D217O
21,0273
0,00000001
1H218O
20,0148
2,22706373
1HD18O
21,0211
0,00072876
D218O
22,0274
0,00000005
Как видно из таблицы 2, в природной воде суммарная массовая концентрация тяжёлых изотопологов D, 17O и 18O может достигать 2,97 г/кг, что является значимой величиной, сравнимой с концентрацией минеральных солей в воде. В природных водах в 10000 молекул в среднем содержится 9973 молекул H216O, 3 молекулы HD16O, 4 молекулы H217O, 20 молекул H218O и около 2 молекул D2O [27].
По интернациональному эталону SMOW абсолютное содержание D и 18O в океанической воде составляет: D SMOW/1H SMOW=(155,76±0,05)?10?6 (155,76 ppm), 18O SMOW/16O SMOW =(2005,20±0,45)?10?6 (2005 ppm) [28]. Содержание самого лёгкого изотополога H216O в воде, соответственной по изотопному составу SMOW, составляет 997,0325 г/кг (99,73 дескать.%), а по изотопному составу SLAP — 997,3179 г/кг (99,76 дескать.%).
В поверхностных водах отношение D/(H+D)=(1,32-1,51).10-4, в прибрежной морской воде D/(H+D)=(1,55-1,56).10-4. Для природных вод в большинстве случаев свойственны отрицательные отличия от SMOW на (1,0-1,5) .10-5, в отдельных случаях до (6,0-6,7) .10-5, но встречаются и положительные отличия до 2,0.10-5.
Заключение
Наличие D2O в первичной гидросфере может привести к пересмотру представлений о ранешней эволюции жизни на нашей планетке. В природных водах соотношение меж тяжёлой и обыкновенной водой составляет 1:5500. 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 итоге этого природного процесса фракционирования изотопов в течение всей эволюции Земли должно происходить скопление дейтерия в поверхностных водах и закрытых водоемах, в то время как в атмосфере и в водяных парах содержание дейтерия в виде D2O остается низким. Тяжёлая вода испаряется медлительнее, чем рядовая вода, а конденсируется резвее. На нашей планетке осуществляется огромный природный испарительно-конденсационный процесс разделения томных изотопных разновидностей воды, играющий значимый роль в поддержании жизни на планетке. При всем этом принципиальным обстоятельством, будет то, что углеродные связи с ролью дейтерия более высокопрочны и размеренны, чем углеродные связи с ролью водорода. Изотопные эффекты, энергия связи, константа диссоциации, подвижность, длина связи для пары Н+/D- также различны. А это значит, что в первичной воде на Земле самоорганизующиеся дейтерированные структуры смогли сохраниться и существовать подольше во времени, чем протонированные формы. Есть основания представить, что в ту эру существовал процесс структурирования в аква тяжёловодородной среде органических молекул, так как создателями было показано, что структурирующее характеристики и стабилизирующее воздействие тяжёлой воды на хим связи более выражены, чем у обыкновенной воды.
Источником дейтерия для синтеза тяжеленной воды во Вселенной являются вспышки сверхновых и термоядерные процессы, происходящие снутри звёзд. Может быть этим разъясняется тот факт, что мировое количество дейтерия увеличивается в период глобальных потеплений и конфигураций климата. Таким макаром, дейтерий может служить типичным индикатором эволюции Вселенной, так как количество дейтерия в мире повсевременно. Дейтерий появляется в итоге столкновения свободного нейтрона и протона при температурах миллион градусов Цельсия. Два атома дейтерия сформировывают ядро гелия, состоящего из 2-ух протонов и 2-ух нейтронов. Прямо до реального времени числилось, что на ранешних шагах эволюции Вселенной в процессе формирования гелия израсходовались практически все атомы дейтерия, и только 10 тыщ атомов дейтерия остались неизрасходованными. Исходя из этого количества дейтерия в Космосе, природная распространённость дейтерия составляет по расчётам 0.015 ат.%. На данный момент разумеется, что это не так.
ЛИТЕРАТУРА
1. J. L. Bada, Stanley Miller’s 70th Birthday. Origins of Life and Evolution of the Biosphere, Vol. 30, Kluwer Academic Publishers, Netherlands (2000), p. 107–12.
2. D. J. Brooks, J. R. Fresco, A. M. Lesk, M. Singh, Evolution of amino acid frequencies in proteins over deep time: inferred order of introduction of amino acids into the genetic code, Molecular Biology and Evolution, 19 (10), 1645–55 (2002).
3 A. Lazcano, J. L. Bada, The 1953 Stanley L. Miller Experiment: Fifty Years of Prebiotic Organic Chemistry, Origins of Life and Evolution of Biospheres, 33 (3), 235–242 (2004).
4. S. L. Miller, A production of amino acids under possible primitive earth conditions, Science, 117 (3046), 528–9 (1953).
5. A. P. Johnson, H. J. Cleaves, J. P. Dworkin, D. P. Glavin, A. Lazcano, J. L. Bada, The Miller volcanic spark discharge experiment, Science, 322 (5900), 404-412 (2008).
6. A. T. Wilson, Synthesis of macromoleculcs, Nature, 188, 1007-1009 (1960).
7. C. Ponnamperuma, N. Gabel, Prebiological synthesis of organic compounds, in: A. Renbaum and R. F. Landell (eds.), Chemistry in Space Research, New York (1969), p. 56-59.
8. R. S. Young, C. Ponnamperuma, Early evolution of life, B. S. C. S. Pamphlets, Heath, Boston (1964), p 29-38.
8. J. Оro, Investigation of organo-chemical evolution, in: G. Marnikunian and М. Н. Briggs (eds.), Current Aspects of Exobiology, Pergamon, London (1965), p. 13-76.
9. J. Оrо, Prebiological organic systems, in: S. W. Fox (ed.), The Origin of Prebiological Systems, Academic Press, New York (1965), p. 137-162 (Происхождение предбиологических систем, Мир, Москва (1966), с. 144).
10. T. V. Waehneldt, S. W. Fox, The binding of basic proteinolds with organismic or thermally synthesized polynucleotides, Biochem. Biophys. Acta, 160, 239-245 (1968).
11. A. Meister, Biochemistry of the Ammo Acids, 2nd ed., Academic Press, New York (1965), p. 119-126 (перевод 1-го издания: А. Майстер, Биохимия аминокислот, Наука, Москва (1961), с. 115.
12. M. Calvin, Chemical Evolution, Clarendon, Oxford (1969), p. 278 (М. Кальвин, Хим эволюция, Мир, Москва (1971), с. 48-50.
13. C. N. Mathews, R. Moser, Peptide synthesis from hydrogen-cyanide and water, Nature, 215, 1230-1234 (1968).
14. P. Abelson, Chemical events on the»primitive earth, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S., 55, 1365-1372 (1966).
15. I. Harada, S. W. Fox, Thermal synthesis of natural ammo-acids from a postulated primitive terrestrial atmosphere, Nature, 201, 335-336 (1964).
16. S. W. Fox, G. Krampitz, Catalytic decomposition of glucose in aqueous solution by thermal proteinoids, Nature, 203, 1362-1364 (1964).
17. S. W. Fox, C. T. Wang, Melanocytestimulating hormone: Activity in thermal polymers of alpha-ammo acids, Science, 160, 547-548 (1968).
18. S. W. Fox, Simulated natural experiments in spontaneous organization of morphological units from proteinoid, in: S. W. Fox (ed.), the Origins of Prebiological Systems, Academic Press, New York (1965), p. 361-373 (С. Фокс, Происхождение предбиологических систем, Мир, Москва (1966), 362-375.
19. M. G. Rutten, The Origin of life by natural causes, Elsevier Publishich Comp., New York (1971), p. 158.
20. А. И. Опарин, Пути исходного формирования обмена веществ и искусственное моделирование этого формирования в коацерватных каплях, in: S. W. Fox (ed.), Origins of Prebiological Systems, Academic Press, New York (1965), p. 331-341 (C. Фокс, Происхождение предбиологических систем, Мир, Москва (1966), с 137).
21. S. Fox, Experiments suggesting evolution to protein, in: V. Bryson and H. J. Vogel (ed.), Evolving Genes and Proteins, Academic Press, New York (1965), p. 359-70.
22. Дж. Бернал, Появление жизни, Мир, Москва (1969), с. 391.
23. Ю. А. Колясников, К тайнам мироздания, СВНЦ ДВО РАН, Магадан (1997), с. 225.
24. И. Игнатов, Биоэнергетическая медицина. Зарождение живой материи, память воды, биорезонанс, биофизические поля, ГеяЛибрис, София (2006), с. 93.
25. О. В. Мосин. Дейтерий, томная вода, эволюция и жизнь, Водоочистка, 10, 34-45 (2009).
26. О. В. Мосин, Д. А. Складнев, В. И. Швец. Исследование физиологической адаптации микробов к тяжеленной воде, Биотехнология, 10, 12-32 (2000).
27. А. И. Шатенштейн, Изотопный анализ воды, Наука, 2 изд., Москва ( 1957), с. 98.
28.G. Lis, L. I. Wassenaar, M. J. Hendry, High-Precision Laser Spectroscopy D/H and 18O/16O Measurements of Microliter Natural Water Samples, Anal. Chem., 80 (1), 287-293 (2008).
Мосин О. В., канд. хим. наук, МГУПП, Москва
Фамилия Имя Отчество
Мосин Олег Викторович
Информация (ученая степень, ученое звание, должность и место работы)
Кандидат хим наук, научный сотрудник Столичного муниципального института пищевых производств, 125080, Москва, Волоколамское шоссе, 11
Фамилия Имя Отчество
Игнатов Игнат
Информация (ученая степень, ученое звание, должность и место работы)
Доктор наук, директор научно-исследовательского центра мед биофизики, научно-исследовательский центр мед биофизики
Создатель для переписки:
О. В. Мосин, к.х.н., научный сотрудник.
Столичный муниципальный институт пищевых производств, 125080, Москва, Волоколамское шоссе, 11.
Таблицы
Таблица 1. Физические характеристики обыкновенной и тяжёлой воды
Физические характеристики
D2O
H2O
Молекулярная масса (г/моль)
20,0276
18,0153
Плотность при 20 0C (г/см3)
1,1050
0,9982
Температура наибольшей плотности, °C
11,24
3,98
Температура замерзания при 1 атм, °C
3,82
0
Температура кипения при 1 атм, °C
101,44
100
Давление пара при 100 °C, мм. рт. ст.
721,60
760,00
Вязкость при 20 °C, сантипуаз
1,247
1,002
Таблица 2. Рассчитанные массовые концентрации изотопологов в природной воде, надлежащие интернациональному эталону SMOW
Изотополог воды
Молекулярная масса
Содержание, г/кг SMOW
1H216O
18,0106
997,03253636
1HD16O
19,01684
0,32800009
D216O
20,0231
0,00002690
1H217O
19,0148
0,41150907
1HD17O
20,0211
0,00013499
D217O
21,0273
0,00000001
1H218O
20,0148
2,22706373
1HD18O
21,0211
0,00072876
D218O
22,0274
0,00000005
O.V. Mosin, I. Ignatov (Bulgaria)
REALIZATION OF WATER AS SUBSTANCE OF LIFE
In the present paper the value of water during a process of origin of life is investigated. Synthesis of the most important organic molecules such as amino acids, proteins and nuckeic acids from inorganic in conditions of an oxygen-free atmosphere of ancient earth together with reactions accompanying their synthesis is considered. The assumption is stated, that under conditions of a primary atmosphere lucking oxygen and ozone under influence of geothermal energy, short-wave ultra-violet radiation of the Sun and power spark discharges, in the water hydrosphere of ancient earth quantities of heavy water could be formed and collected which physical and chemical properties differ essencially from those of usual water. This fact may put imprint on conceptions about early stages of an origin of life.