Файл: Титаев А.А. Эволюция органических соединений на Земле. От углерода до биополимеров.pdf

Вторым фактором химической ЭВОЛЮЦИИ могла быть зависящая от структуры и физико-химических свойств реакционная способ­ ность соединений. Наиболее реакционпоспособпыми веществами в начальный период химической эволюции были альдегиды. Они образовались с неотвратимой необходимостью из углеводородов

их образования из первичных веществ получены в модельных экспериментах [38].

В присутствии первозданных веществ HCN, N H 3 , Н 2 0 главный путь превращения альдегидов состоял в образовании аминокислот по образцу синтеза Штрекера, о чем свидетельствуют те же экспе­ рименты.

Физико-химические свойства аминокислот с их двоякой функ­ цией как бы специально созданы для образования пептидных связей, для синтеза белка.

Важным фактором направленности синтеза служила также сре­ да [235]. В щелочной среде конденсация синильной кислоты мог­ ла привести к . образованию пуриновых, пиримидиновых осно­ ваний, гетероциклических соединений. В этой же среде простые альдегиды подвергаются альдольпой конденсации с образованием моносахаридов.

Оро [38]. Так, в модельных опытах из смеси метана, аммиака и воды были синтезированы аминокислоты под воздействием электриче­ ских разрядов [13], ультрафиолетовой радиации [64], тепла [81], потока электронов [83]. Из этих же исходных веществ или из смеси

Независимость первичных синтезов от источника энергии была, конечно, ие абсолютной. Среди продуктов синтеза могли быть ва­ риации количественного и качественного порядка, но основная направленность этих синтезов сохранялась.

Обсуждаемые факторы направляли ход химической эволюции и после синтеза микромолекул, в процессе образования биополи­ меров.

С точки зрения зависимости хода химической эволюции от ато­ марных и молекулярных сил (структур) становится излишней вероятностная гипотеза возникновения жизни. Вероятность по­ явления жизни путем случайного соединения молекул, по вычис­ лениям Кастлера [103], составляет Ю - 2 5 5 . Иначе говоря, такой способ появления жизни невероятен. По мнению Патти, вероят­ ностная гипотеза бесплодна теоретически и не годится для объяс­ нения происхождения жизни [235, стр. 69].

119

В свете развиваемых здесь воззрений не имеют принципиаль­ ного значения вопросы об источниках внешней энергии, исполь­ зованных в первичных синтезах, и о месте их иа Земле.

Принимая во внимание современные представления о строении Земли в предбиологический период, о происхождении и составе атмосферы, о состоянии гидросферы и литосферы, можно считать менее вероятными представления о первенствующем значении ультрафиолетовых лучей Солнца в качестве источников энергии, об атмосфере и гидросфере как основных местах первичного син­ теза органических веществ. Земля в тот период могла быть окутана облаками, вода в значительной мере находилась в атмосфере, ультрафиолет не проникал на Землю, синтезы и зарождение жизни предпочтительно шли в тени. На Земле могли присутствовать не­ большие водоемы, лужи с теплой или горячей водой, может быть насыщенной HCN, НСНО, N H 3 . Есть мнение, что начальный этап химической эволюции — образование микромолекул — проте­ кал именно в этих водоемах или прибрежных зонах в присутствии взвешенных частиц ила, глины, в мутной воде [49,149]. Благодаря адсорбции на частицах глины концентрация реагирующих веществ здесь достигала нужной величины., сближение реагирующих моле­ кул снижало энергетический барьер. В этих условиях вступали в действие силы гетерогенного катализа. В реакции могли участ­ вовать растворенные в воде неорганические и органические ката­ лизаторы, активаторы. Источниками внешней энергии здесь могли быть теплота, радиоизлучения, но не ультрафиолет и не электри­ ческие разряды.

Это представление подкрепляется тем, что глины являются хорошими адсорбентами и катализаторами, так как общая поверх­ ность частиц в 1 г глины может достигать 502 м и более.

В своих опытах Акабори достиг реального осуществления син­ теза аминокислот и полипептидов из предшественников в присут­ ствии глины [149].

В наших экспериментах представлены данные о синтезе в усло­ виях гетерогенного катализа на глинах, на ионообменных смолах не только микромолекул, но и высокомолекулярных полимеров — белков, нуклеиновых кислот.

Для обеспечения синтеза исходная смесь в наших опытах дол­ жна была содержать кроме структурных элементов дополнитель­

120

роваипьте на глине витамины могли приобретать каталитические и коферментные свойства.

Мы считаем очень важным то обстоятельство, что все эти ве­ щества (и структурные, и энергетические) могут быть сиптезированы в одной и той же среде, в одинаковых условиях гетерогенного катализа, притом в условиях вполне совместимых с жизнью. Использованная нами модель для абиогенных сиптезов биологи­ чески важных соединений может быть названа универсальной синтетической системой.

Можно еще подчеркнуть, что здесь в одной и той же водной среде, в присутствии глины и исходных веществ могли совершать­ ся почти все этапы химической эволюции, вплоть до образования высокомолекулярных биополимеров.Конечно, никому не известны реальные условия, существовавшие на Земле в предбиологический период, неизвестны и истинные пути синтеза органических веществ. То, что нам кажется теперь наиболее правдоподобным, могло редко встречаться или вовсе не быть на первичной Земле. В настоящее время на Земле жизнь нередко развивается в таких невероятных условиях, какие раньше нам казались несовместимыми с ?кизиыо. Поэтому трудно отдать предпочтение какой-либо одной из гипотез, трактующих пути химической эволюции. Самая невероятная с на­ шей точки зрения гипотеза могла быть реальностью на первобыт­ ной Земле.

Саган и Хар 1 сообщили, что в условиях облучения смеси пер­ вичных газов ультрафиолетом (2537 А) под влиянием ускоряющего действия сероводорода может синтезироваться такое количество аминокислот, что за 1 млн. лет они покрыли бы Землю слоем в 200 кг на 1 см2 . Если бы этот процесс шел в первичной атмосфе­ ре, то, по их словам, это был бы «дождь из аминокислот». Простой расчет показывает, что этот слой за 1 год составил бы всего 200 мг на 4 см2 , а за сутки около 0,5 мг. Интенсивность первичного син­

возможно, так как условия были благоприятны скорее для ис­ пользования их в процессе синтеза пептидов и белка, чем для хра­ нения.

Значительный интерес вызывает система предбиологических синтезов, разработанная Фоксом, В. Н.г Флоровской и др. [36, 81, 82, 155, 156]. В этой системе смоделированы условия, существот вавшие и существующие в настоящее время в зонах вулканической деятельности. В этих условиях при температуре от 900 до 1100° в эксперименте показана возможность «сухого» синтеза большин­ ства аминокислот из метана и аммиака и с большим выходом, чем при использовании других источников энергии [81, 82]. В этих же условиях при 170° были синтезированы из сухой смеси аминокис­ лот первые прстеиноиды [81]. Температурный режим этих термиче-

1 Science, 1971, 173, № 3995, 417.

121

скнх синтезов мог быть значительно снижен благодаря примене­ нию полпфосфорной кислоты. Термические протеиноиды обладают, по Фоксу, '] 9 свойствами, сближающими их с белками.

В безводных же условиях в присутствии метафосфата были синтезированы как полипептпды из аминокислот, так и нуклеозпды и полипуклеотиды. Пептиды п аденин в сходных условиях былп синтезированы из метана и аммиака [1401. В связи с этим возникла гипотеза, что из СН4 и N H 3 на поверхности Земли в без-- водных условиях образовался сначала N-амииоциан-метилен, по­ лимеризация которого привела к образованию тонкого слоя белка, который был смыт затем в океан. Считают, что в пастоящее время подобный процесс совершается иа Юпитере, где атмосфера состоит из метана п аммиака Г140].

По мнению Бериала, эксперименты в безводных условиях не адекватны условиям первобытной Земли и не ясно, как происхо­ дил переход синтезированных веществ в воду [491. Некоторые аминокислоты в термических условиях разрушаются. Метафосфаты и Р 2 0 5 не могли существовать иа первичной Земле [24].

В связи с результатами термических синтезов и синтезов иа пашей «универсальной системе» возникает вопрос о продолжитель­ ности химической эволюции и ее «эрах». Счет времени химической эволюции начинают обычно с момента образования химических соединений из метана, синильной кислоты, аммиака, воды и делят ее на несколько эр: эра синтеза микромолекул, эра синтеза макро­ молекул и порфнрпна, эра фотохимических процессов и т. д. [126]. Первые три ары в схеме Гаффропа совпадают с тремя стадиями «биопоэза» по Берналу [49].

Нам кажется правильнее начинать счет времени химической эволюции с момента синтеза родоначальников химической эволю­ ции — метана, спнильной кислоты, аммиака, воды — иа еще рас­ каленной Земле. Продолжительность этой первой звездной стадии была, вероятно, около 1 млрд лет. Далее, трудно согласиться с отставлением во времени синтеза микромолекул от синтеза их по­ лимеров на целую эру. Многочисленные модельные эксперименты свидетельствуют, что синтез полимеров, в частности пептидов, происходил одновременно с синтезом микромолекул в той же смеси

идля образования протеиноидов [81, 82].

Всвязи с этими наблюдениями в модельных экспериментах возникает предположение, что синтез микромолекул и дальней-

шая их полимеризация совершались либо одновременно в одной и той же среде, либо лишь с небольшим разрывом во времени. Химическая эволюция мыслится как непрерывный процесс. Она совершалась более быстрыми темпами, чем обычно себе представ­ ляют, благодаря чему синтезируемые продукты не накапливались (в чем и не было нужды) и не подвергалась опасности разрушения, но быстро трансформировались.

122