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

забывать также, что эти метеоритные и кометные вещества могли быть использованы лишь за весьма короткий период — от момента образования коры 3,5-109 лет назад до появления преджизни более 3,1-10° лет назад.

Более логичная и стройная схема предусматривает образование первичных органических веществ на самой Земле, что только и создает условия для закономерного последовательного процесса химической эволюции от углерода до бнполимеров.

Во всей Вселенной, как на Земле, так и на других небесных телах, господствуют, вероятно, одни и те же законы образования веществ. Содержание углеродистых органических соединений в метеоритах служит превосходным доказательством начальной стадии химической эволюции этих соединений на небесных телах

еще в раскаленном, лавообразном однофазном состоянии, когда водород еще не улетучился из ее недр, из ее атмосферы. Дальней­

соединениями, послужившими исходным материалом для хими­ ческой эволюции на Земле, были метан, синильная кислота, вода, углекислый газ, окись углерода, аммиак. Одни из этих веществ

в магме Земли. Синтез этих веществ происходил в условиях высо­

метан легко Образуется из углерода и водорода при 1200° С В при­ сутствии металлических катализаторов эта температура может быть снижена до 400—250°.

В этих же условиях метай легко получается из окиси или дву­ окиси углерода

СО + ЗН2 СН.1 + Н 2 0,

С03 +41-Ь — СН4 + 2НоО.

Такой же способ образования метана из С0 2 и Н 2 существует

всовременных бактериях Methanobacteriura omelianskii. Наряду с метаном в этих реакциях образуются и другие угле­

водороды. В специально подобранных условиях с применением катализаторов этим способом можно получить смесь с преоблада-

19

кием высших углеводородов — искусственную нефть. Этот способ получения нефтп из водяного газа (СО + Н2 ) был использован в^воепное^время [61].

( Таковы возможные пути образоваиня метана на Земле. Метан был первым основным исходным веществом для синтеза

органических соединений. Синтез метана на Земле можно считать

родом, образовать метан [62]. Формальдегид, как второй родо­ начальник органических соединений, мог дать начало синтезу углеводородов, а в присутствии аммиака — синтезу аминокислот и нуклеиновых оснований. Соединение азота с водородом с обра­ зованием аммиака также легко совершалось в условиях высокой температуры на Земле. В технике в настоящее время аммиак полу­

Третьим, столь же важным исходным веществом для органи­ ческого синтеза была синильная кислота — вещество с высокой реакционной способностью. Она могла синтезироваться очень рано в расплавленной массе Землн из С, Н и N , для чего требова­ лась температура более 1800°. Возможны и другие пути ее син­ теза на первичной Земле: из аммиака, металлического натрия и

62]. Образование синильной кислоты на Земле во всех указанных условиях вполне вероятно. Радикал CN, как известно, присутст­ вует в составе нашего Солнца, в ядрах комет и на других небесных телах [17, 37, 38, 63]. Синильная кислота обладает свойством легко полимеризироваться, образуя полимеры с молекулярным весом около 1000. В составе вулканических газов содержатся еще соеди­ нения серы. Предполагают, что они в форме, например, H2 S присутствовали па первичной Земле [45].

Следующим шагом химической эволюции на Земле было пре­ вращение метана, формальдегида и синильной кислоты в более сложные органические вещества путем окисления их радикалом ОН или восстановления водородом. В этих превращениях метан

20

прежде всего подвергался полимеризации с образованием раз­ личных парафинов, олефинов и других углеводородов жирного и ароматического ряда. Эти углеводороды могли образоваться и другим путем, например:

СаСз -I- НзО C2 1U -* С»Нб.

Углеводороды в примитивных условиях, например под влия­ нием электрических разрядов или просто газообразной смеси с ничтожным содержанием кислорода при 100—160°, очень легко окисляются до жирных кислот и альдегидов [61], открывая таким образом путь к синтезу аминокислот.

Формальдегид, как весьма реакцпонноспособное вещество, не только полимеризовался с образованием углеводов, но момен­ тально вступал в реакцию конденсации с другими веществами, особенно с HCN, давая начало синтезу важнейших соединений организма [63]. Еще на один возможный путь использования фор­ мальдегида указывает Оро [38]. По его мнению, аммиак в присут­ ствии воды мог превратиться в гидразин N l i 2 — N I i 2 , способный взаимодействовать с формальдегидом с образованием, ацетальде-

Эта реакция могла иметь место в первобытных условиях; она применена в модельных экспериментах и служит в органической химии одним из распространенных методов синтеза аминокислот по Штрекеру [38, 62, 64].

Механизм этого синтеза, по мнению Оро [38], состоит в обра­ зовании из метана по радикальному способу углеводородов — жирных и ароматических, нормальных и изомерных, в частности стирола. Углеводороды подвергаются окислению в альдегиды под влиянием гидроксильиых радикалов, образующихся из воды. Альдегиды в присутствии аммиака и синильной кислоты, образу­ ющейся в процессе синтеза, превращаются в аминокислоты по механизму вышеупомянутого синтеза аминокислот по Штрекеру:

Не исключается возможность взаимодействия первых продуктов органического синтеза с другими, более древними составными частями коры или атмосферы с образованием неизвестного мно­ жества разнообразных органических соединений. Так, при вза­ имодействии окиси углерода и водорода с олефииами могли обра­ зоваться весьма реакционноспособные альдегиды и кетоиы [61].

21

Продукты этой реакции, например ацетон, с легкостью вступают в реакцию конденсации с ацетиленом, что приводит к синтезу

ацетон — Na -j- ацетилен —» З^мотилбутшюл-З —> плопрен.

Изопрен составляет основу важнейших биоорганических веществ— гема, хлорофилла, каротиноидов, стероидов, каучука и др. Веро­ ятно, подобными путями образовывались многие ароматические соединения (бензол, толуол, гетероцпклы), которые ныне встре­ чаются в метеоритах.

Но несомненно одно — из огромного числа соединений, синте­ зированных на первых шагах химической эволюции, действенными в смысле ее прогресса оказались очень немногие, принадлежавшие к предшественникам белка и нуклеиновых кислот, гормонов, вита­ минов, структурообразователей, например лппидов. О судьбе побочных продуктов сказано ниже.

Картина первых шагов химической эволюции, приведших к синтезу основных родоначальных веществ (метана и его многих производных, формальдегида и синильной кислоты), вероятно, довольно близко отображает действительность того времени. Правильность этого заключения подтверждается данными о со­ ставе Солнца, звезд, комет и сопоставлением с современными процессами в магме.

Материалом для суждения о дальнейшем ходе химической эволюции служат только модельные эксперименты, в которых воспроизводятся предполагаемые условия предбтюлогпческого периода па Земле. К сожалению, достоверность этого воспроизве­ дения остается неизвестной. Несмотря на это, модельные экспе­ рименты в целом создают правдоподобное представление о ходе химической эволюции от простейших соединений до макромолекул белка и нуклеиновых кислот. В этих экспериментах авторы стре­

газовые смеси, соответствовавшие составу восстановительной атмосферы предбиологического периода [48]. Источники энергии также подбирались из числа возможных, предположительно су­ ществовавших в то время. Так, из смеси метана, аммиака, водо­ рода и воды были синтезированы под влиянием искровых разрядов аминокислоты [13, 64, 66, 67]. В других подобных экспериментах водород был заменен на окись углерода или были добавлены дру­ гие углеводороды — С,И2 , С 2 Н 4 или H2 S [68]. Аминокислоты были также успешно синтезированы из смеси формальдегида, синиль-

22