Жизнь зародилась в воде
Это продолжение статьи, начало — на прошлых страничках данного раздела.
Жизнь зародилась в воде
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 и за счет других геотермальных источников энергии.
1-ые опыты по неорганическому синтезу «органических» веществ в критериях первобытной Земли, провел в 1959 году С. Миллер (Miller S. L., 1959). Сконструированный им 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 (рис. 9).
Рис. 9. Опыт Миллера, в каком под действием искрового разряда из водорода, метана, воды и аммиака в отсутствии кислорода образуются органические соединения.
В качестве источника энергии поначалу употреблялся 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.
Опыты нашли, что 10—15 % углерода перебежало в органическую форму. Около 2 % углерода оказались в виде аминокислот, причём самым распространённым из их оказался глицин. В обскурантистской консистенции также были обнаружены сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот — нуклеозиды. Первичный анализ показал наличие в конечной консистенции 5 аминокислот. Но, более четкий повторный анализ, размещенный в 2008 году, показал, что опыт привёл к образованию 22 аминокислот.
См. ссылку: /article/planetwa/voda_i_proichogdenie_gizni.htm
Уникальные опыты Миллера вызвали большой энтузиазм посреди учёных всего мира. К аналогичным опытам приступили другие исследователи.
Гистограмма 2. Рассредотачивание соединений, приобретенных в опытах Миллера, по массе и числу атомов в молекуле (диаграммы построены по данным С. Миллера)
В 1960 году Уилсон, добавив в начальный раствор серу, получил более большие молекулы полимеров, содержащие по 20 и поболее атомов углерода (Wilson A. T., 1960). В консистенции полимеров образовались тонкие пленки размером около 1 см, представляющие из себя поверхностно-активные вещества, скопившиеся на поверхности раздела газ — жидкость (см. рис. 10). Считается, что эти пленки молекул, синтезировавшихся на границе меж различными фазами, игрались важную роль на ранешних стадиях появления жизни. Катализатором образования схожих пленок служила, по-видимому, сера, которая была обширно всераспространена на первобытной Земле в форме зернышек сульфидов, к примеру, в пиритовых песках.
Рис. 10. Плоские плёнки органических макромолекул, образующихся при искровых разрядах в консистенции аммиака, сероводорода, паров воды и золы пекарских дрожжей. Источник M. G. Rutten. The Origin of life by natural causes. Elsevier Publishich Comp., N. Y., 1971.
В 1969 году Поннамперума и сотр. провели опыты, подобные тестам Миллера, используя в качестве источника энергии ультрафиолетовый свет (Ponnamperuma C., 1969). 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, так как 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, но также смогли синтезировать из этих блоков полимеры. Оказалось, что в присутствии цианистого водорода аминокислоты полимеризуются, образуя пептидные цепи. Причём, при добавлении фосфорной кислоты выходили разные нуклеотиды.
Достойные внимания результаты получил в 1965 году южноамериканский учёный Оро и сотр., показавший, что более большие «органические» молекулы можно синтезировать и без помощи ультрафиолета, просто нагревая обскурантистскую смесь (Oro J., 1965).
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 1-ые организмы в бескислородной атмосфере не подвергалась окислению, ничто не защищало их от гибельного воздействия жесткого уф-излучения. Потому нужно учесть, что в те времена, может быть, использовались другие источники энергии. К примеру, свободные радикалы и малые «органические» молекулы могли синтезироваться за счет высокоэнергетического уф-излучения Солнца, а для синтеза из малых молекул других, более сложных соединений могли служить и наименее массивные геотермальные источники энергии (рис. 11). Так, в смесях метаналя с гидроксиламином, метаналя с гидразином и в смесях, содержащих цианистый водород, в конце опыта обнаруживались аминокислоты (Oro J., 1965). В других опытах эти продукты полимеризовались в пептидные цепи — большой шаг к неорганическому синтезу белка. В системе с веществом цианистого водорода в аква аммиаке также появлялись более сложные соединения — пурины и пиримидины (азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот).
Рис. 11. Предполагаемые механизмы образования пуринов из аква консистенции аммиака и цианистого водорода (вверху) и аденина из аква консистенции аммиака и цианистого водорода (понизу). По данным Oro J., 1965
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.
Как понятно, молекулы протеинов 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, так как 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 в 1965 году южноамериканский учёный Кальвин (Calvin M., 1965). Из всех соединений только синильная кислота способна связывать молекулы воды «первичного бульона». Присутствие в «первичном бульоне» синильной кислоты подтверждено также первыми тестами Миллера.
Рис. 12. Реакции конденсации с дегидратацией, приводящие к образованию из отдельных строй блоков 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, в итоге чего появляется нуклеотид. Полимеризация нуклеотидов в цепь нуклеиновой кислоты также представляет собой реакцию конденсации и протекает с выделением молекул воды.
Дальше, обнаружилось, 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. В присутствии синильной кислоты и цианамидов конденсация отдельных блоков, сопровождаемая дегидратацией, может идти при обычных температурах в очень разбавленных аква смесях.
Достойные внимания выводы сделал в 1966 году Эйбелсон, установивший, что реакции с синильной кислотой очень зависят от кислотности аква смесей, в каких они протекают (Abelson Ph. H., 1966). 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 0С. Оказалось, что лучшие результаты по поликонденсации получаются со растворами, содержащими аспарагиновую и глутаминовую кислоты. Конкретно эти две аминокислоты относятся к числу важных аминокислот, встречающихся в современных организмах.
В процессе синтеза 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, 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.
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 исследовано в получении было изготовлено для исследования активности протеиноидов. Самое принципиальное то, что промывая жаркую смесь протеиноидов водой либо аква смесями солей в среде образуются простые мембраноподобные микросферы – коацерваты (Rutten M. G., 1963). Размер микросфер очень мал, их поперечник составляет около 2 мкм. Снаружи они напоминают мембрану клеточки. Морфологические особенности протеноидных коацерватов показаны на рис. 13 и рис. 14.
Рис. 13. Электрические микрофотографии срезов протеноидных коацерватов. Источник M. G. Rutten. The Origin of life by natural causes. Elsevier Publishich Comp., N. Y., 1971.
Рис. 14. Протеноидные коацерваты, сдвоенные при увеличении рН среды. Источник M. G. Rutten. The Origin of life by natural causes. Elsevier Publishich Comp., N. Y., 1971.
Коацерваты достаточно размеренны. Если их помещают в смеси другой концентрации, чем концентрация раствора, в каком они образовались, то они реагируют на наружные условия. В очень концентрированных 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 коацерватов из консистенции искусственных протеинов 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 организованных молекул, собранным в отдельные структуры и отделенным от мира вокруг нас примитивной мембраной, что было продемонстрировано нашим соотечественником академиком А.И. Опариным.
С учётом вышесказанного происхождение жизни смотрится так: Первым шагом живой эволюции, по-видимому, было образование при очень больших температурах аминокислот и азотистых соединений – аналогов нуклеиновых кислот. Таковой синтез полностью вероятен вместе с другими, т. е. при воздействии электронных разрядов, уф-излучения и высочайшей температуры. Возможность такового теплового синтеза экспериментально подтверждена опытами многих исследователей (Fox S. W., 1965). Последующий шаг — поликопденсация приобретенных аминокислот при температуре 170 либо 65 С (в последнем случае в присутствии неких фосфатов). Реакция поликонденсации происходит, если в консистенции имеется довольно аспарагиновой и глутаминовой кислот. В консистенции протеиноидов при воздействии на нее водой либо кислыми аква смесями (дождиком) образуются коарцерваты – предшественники клеток. Способность протеиноидов к выполнению неких функций, схожих с функциями ферментов 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 и вода. 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, образование «органических» соединений из неорганических в аква среде — всераспространенный галлактический процесс.