Концепция физико-химической эволюции

В отличие от предыдущей концепции, основанной на логике качественного анализа ситуации и философских принципах, современная концепция исходит из результатов физико-химического моделирования процессов добиогенного синтеза все более сложных молекул. Она пытается подойти к тому моменту, когда накопление количественных изменений привело к появлению нового качества — самовоспроизводства. В какой-то мере эта концепция возвращает нас к идее самозарождения Жизни, описывая этот процесс как совокупное и синергетическое (взаимно усиливающее) действие нескольких факторов в течение длительного периода времени. Прежде всего следует оценить роль космической окружающей среды и первобытной Земли (рис. 98).

Рис. 98. Художественная иллюстрация условий на первобытной Земче

Выше мы уже отмечали многообразие соединений наиболее распространенных элементов — водорода, кислорода, углерода и азота в гигантских молекулярных облаках. К настоящему времени по линиям радиоизлучения в космическом пространстве обнаружено более 60 соединений.

Наибольшее распространение имеют водород и монооксид углерода (СО). Гораздо реже, но встречаются, цианистый водород (HCN), формальдегид (НСНО), ацетальдегид (СН₃СНО),.

аммиак и вода.

Те же и более сложные соединения встречаются на поверхности метеоритов и микрометеоритов. Например, тщательный анализ показал, что на поверхности и в составе углистого хондрита, выпавшего в 1969 г. в Австралии (Мерчисонский метеорит), имеются следы более 50 аминокислот, причем восемь из них входят в состав современных белков (глицин, аланин, валин, лейцин и другие). Здесь же обнаружено присутствие аденина, урацила и гуанина, являющихся азотистыми основаниями нуклеиновых кислот (рис. 99).

Рис. 99. Мембранные везикулы с поверхности метеорита

Многие среди 50 обнаруженных аминокислот не входят в состав живых организмов, ряд соединений встречается в виде двух оптических изомеров. Это доказывает, что все обнаруженные соединения не являются примесями или загрязнениями, попавшими на метеорит в земных условиях.

В работах Дж. М. Гринберга было экспериментально показано, что под действием ультрафиолетового излучения на поверхности микропылинок окись углерода, метан, аммиак, вода и кислород могут вступать в реакции между собой, создавая своеобразные, иногда многослойные оболочки.

В экспериментах замороженная при 10 К смесь молекул СН₄, СО, Н₂0, С0₂, Н₂, N₂ и 0₂ осаждалась на поверхность микропылинок при действии УФ-излучения и без него. При этом происходят процессы фотодиссоциации, фотовозбуждения и последующей радикал-радикальной рекомбинации. В результате общий состав многослойной оболочки приближается к составу аминокислот и даже простейших бактерий.

Считается, что аналогичные процессы могут происходить и в открытом космическом пространстве, затем микропылинки входят в атмосферу Земли без всякого разогрева и вносят органическое вещество в гидросферу, где оно продолжает цепь реакций уже в виде растворов. По оценкам Дж. М. Гринберга, за время пребывания Земли в типичном пылевом облаке (это от 100 тыс. до 1 млн лет) с космической пылью на её поверхность могло бы выпасть около 10⁹ т органического вещества. Если учесть то обстоятельство, что Солнце движется в зоне коротации и её скорость нс слишком отличается от скорости волн плотности в пылевых скоплениях, то эта оценка выглядит завышенной.

Тем не менее, этот источник органических веществ добиологического происхождения свою лепту вносит.

При извержении вулканов вместе с магмой извергается огромное количество газов: сероводорода, метана, аммиака, окислов азота и углерода. Жидкая среда более благоприятна для удержания рядом как простых реагентов, так и продуктов реакций — более сложных соединений. Поэтому Л. М. Мухин выдвинул гипотезу о возможности добиологического синтеза в зоне подводных вулканов и гидротерм. К тому же повышенная температура и значительное гидростатическое давление способствуюг высокой эффективности химических реакций. По усредненным оценкам Л. М. Мухина, гидротермальная система может дать за 1 млрд лет 10¹²—10¹³ т органического вещества. Совместно извергаемые твердые минеральные частицы могут служить катализаторами и адсорбентами полученных продуктов. В частности, показана возможность следующих реакций:

Образование цианистого водорода очень важно, так как он играет центральную роль в синтезе оснований нуклеиновых кислот. Суммарно можно записать, например, такую реакцию:

Аминокислоты также образуются с участием цианистого водорода, либо путем взаимодействия в растворе аммиака, альдегида и цианида, либо путем превращения самого HCN в аминокислоты.

Газовая оболочка Земли нс могла «остаться в стороне» от участия в процессах накопления первичного органического вещества. Выше мы отмечали, что молодая Земля образовалась из твердых материалов, которые содержали определенное количество поглощенных и адсорбированных газов. Под действием тепла, выделяющегося при гравитационном сжатии планеты и энергии распада радиоактивных изотопов, соединения разлагались с образованием газов различного химического состава.

При извержении вулканов газы вырывались из земных недр и образовывали первичную атмосферу Земли. Она была преимущественно восстановительной, как и условия в протопланетном диске, и содержала в большом количестве углекислый газ, метан и аммиак, а также сероводород, пары воды. Выделение тектонической энергии, сопровождаемое мощными извержениями вулканов, приводило к ураганным ветрам и сильной электризации атмосферы. Гигантские молнии инициировали целый ряд реакций газоплазменного синтеза. Попытки их воспроизведения в контролируемых лабораторных условиях были начаты в 1957 г., когда С. Миллер впервые получил некоторые биологически важные соединения с использованием электрических разрядов. Схема экспериментов была достаточно простой. Моделируя условия первичной атмосферы, С. Миллер поместил в колбу немного воды и заполнил её смесью водорода, метана и аммиака (рис. 100).

Затем в колбе создавались электрические разряды между электродами. Смесь подвергалась разрядам в течение недели, после чего химический анализ показал присутствие в воде небольших количеств аланина, глицина, аспарагиновой и глутаминовой кислот. Эти соединения входят в состав белков. На стенках колбы также образовывался налет, в составе которого были органические соединения. В дальнейшем состав газа изменялся (водород удалили, аммиак заменили азотом), что расширило список образующихся аминокислот до 12. Поскольку в первичной атмосфере не было озона, эффективно поглощающего УФ-излучение Солнца, то оно пронизывало всю атмосферу до поверхности Земли. Ряд последующих экспериментов различные группы исследователей проводили, совмещая электрические разряды с УФ-освещением или используя только одну ультрафиолетовую радиацию. Всегда в восстановительных условиях получали положительный результат: происходил синтез органических соединений, входящих в состав белков и нуклеиновых кислот. Максимальный выход продуктов реакций получали при добавлении сероводорода (H₂S), который хорошо поглощает более длинноволновое излучение Солнца.

Рис. 100. Прибор С. Миллера

В настоящее время установлено образование аминокислот при возникновении ударных волн в смесях газов, порождающих всплески высокой температуры и давления. Такие волны вполне могли возникать в атмосфере под действием громовых раскатов или падающих метеоритов.

Одни только метеориты, микропылинки, гидротермальные источники не могут привнести весь спектр биологически активных соединений, необходимых для создания сложной генетической системы живых организмов. Реакции в газовой фазе расширяют круг синтезируемых веществ. Сравнительно недавно было обнаружено, что четыре азотистых основания РНК (рибонуклеиновая кислота) образуются в последующих реакциях, в которые начинают вступать первичные продукты газоразрядного синтеза.

Представляется очевидным, что, в конечном счете, созданные различными путями или привнесенные из космоса «строительные» материалы белков и нуклеиновых кислот смывались с поверхности Земли и из её атмосферы в океаны.

В стерильных условиях (отсутствие микробов!) в течение миллионов лет происходит накопление необходимых элементов в «первичном бульоне» (рис. 101). При определенных условиях формальдегид конденсируется в водном растворе, образуя различные сахара. Одним из побочных продуктов этой реакции является рибоза — основной компонент РНК. Постепенно разрозненные молекулы будут собираться в молекулярные агрегаты, насчитывающие сотни тысяч и миллионы мономеров. Такие агрегаты получили название коацерватных капель, их особенностью является свойство «вытягивать» из окружающего их низкомолекулярного раствора некоторые вещества, что похоже на зачаток «обмена веществ». Академик А. И. Опарин (1894−1980) считал, что именно коацерватные капли послужили тем «микрососудами», в которых произошло формирование динамически устойчивых первичных микроорганизмов.

Рис. 101. Последовательность усложнения структуры органических соединений

Таким образом, современная концепция не выясняет, какой из рассмотренных выше источников «на самом деле» является главным в зарождении жизни, а, наоборот, подчеркивает многообразие и различную физическую и химическую природу поставщиков биологически активных веществ, их совместное взаимно дополнительное действие. Хотя ещё не всё понятно в процессе перехода к синтезу самокопирующихся молекул и появления построенных на них примитивных организмов, основные положения концепции считаются экспериментально обоснованными.

Следует иметь в виду, что для построения простейшей генетической системы достаточно было коротких полимерных цепей РНК. Первым организмам не требовалось быть высокоэффективными, поскольку ещё не существовало «врагов» и проблемы добывания пищи в «первичном бульоне». Достаточно было приобрести свойство воспроизведения своих копий быстрее, чем происходила химическая или физическая деструкция клетки.

Несколько лет назад удалось «в пробирке» воспроизвести простой вариант копирования и отбора на молекулярном уровне. В раствор хлороформа вводили молекулы эфира и амина, которые образовывали более сложные по составу и конфигурации молекулы амида.

Реакция оказалась авгокаталитической: одна образовавшаяся молекула амида становилась центром сборки другой, этому способствует своеобразная форма молекулы амида. При повышении температуры раствора комплементарные пары молекул амида расходились и становились самостоятельными. При циклическом охлаждении-нагреве молекулы амида «размножались» (рис. 102).

Рис. 102. Последовательность копирования молекул амида

Затем опыты были усложнены тремя различными аминами и эфиром. Если на смесь воздействовать УФ-лучами, то один из получающихся амидов видоизменяется (мутирует) и накапливается в растворе с большей скоростью, чем другие.

Поэтому мы можем подчеркнуть ещё раз: Жизнь возникает как планетарное явление только при участии космической среды, недр Земли, её атмосферы и океанов; появляется и реализуется самоорганизация жизни на молекулярном уровне, а затем и на уровне клетки. Простейшими организмами были одноклеточные и не имеющие ядра прокариоты, вступление в действие естественного отбора и мутаций привело к появлению эукариот и многоклеточных организмов, у которых генетическая информация находится в хромосомах.