Таблица 2.3. Возможные источники энергии для первичной химической эволюции
Таблица 2.4. Периоды полураспада и другие данные о некоторых элементах, используемых при определении возраста Земли
Развитие физических наук в настоящее время предоставило биологам несколько эффективных методов определения возраста тех или иных пород земной коры. Сущность этих способов заключается в анализе соотношения различных изотопов и конечных продуктов ядерного распада в образцах и соотнесении результатов исследования со временем расщепления исходных элементов (табл. 2.4).
Использование подобных методов позволило ученым построить временную шкалу истории Земли с момента ее остывания, 4500 млн лет назад, и до настоящего времени (табл. 2.5). Теперь наша задача состоит в том, чтобы внутри этой временной шкалы установить, каковы были условия на примитивной Земле, какого рода атмосферу имела Земля, какая была температура, давление, когда образовались океаны, и как сформировалась сама Земля.
Таблица 2.5. Геохронологическая шкала
2.2.5. Условия среды на древней Земле
Сегодня воссоздание условий, в которых возникли первые «зародыши жизни», имеет принципиальное значение для науки. Велика заслуга А. И. Опарина, в 1924 г. предложившего первую концепцию химической эволюции, согласно которой в качестве отправной точки в лабораторных экспериментах по воспроизведению условий первичной Земли предлагалась бескислородная атмосфера.
В 1953 г. американские ученые Г. Юри и С. Миллер подвергли смесь метана, аммиака и воды действию электрических разрядов (рис. 2.5). Впервые с помощью такого эксперимента среди полученных продуктов были идентифицированы аминокислоты (глицин, аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты).
Опыты Миллера и Юри стимулировали исследования молекулярной эволюции и происхождения жизни во многих лабораториях и привели к систематическому изучению проблемы, в ходе которого синтезированы биологически важные соединения. Основные условия на первобытной Земле, принятые во внимание исследователями, приведены в таблице 2.6.
Давление, как и количественный состав атмосферы, трудно рассчитать. Оценки, сделанные с учетом «парникового» эффекта, весьма произвольны.
Расчеты, в которых приняты во внимание «парниковый» эффект, а также приблизительная интенсивность солнечной радиации в абиотическую эру, привели к значениям на несколько десятков градусов выше температуры замерзания. Почти все эксперименты по воссозданию условий первичной Земли выполнены при температурах 20–200 °С. Эти пределы были установлены не путем расчетов или экстраполяции некоторых геологических данных, а скорее всего с учетом температурных границ устойчивости органических соединений.
Использование смесей газов, подобных газам первичной атмосферы, различных видов энергии, которые были характерны для нашей планеты 4–4,5×109 лет тому назад, и учет климатических, геологических и гидрографических условий того периода позволили во многих лабораториях, занимающихся изучением возникновения жизни, найти доказательства путей абиотического возникновения таких органических молекул, как альдегиды, нитриты, аминокислоты, моносахариды, пурины, порфирины, нуклеотиды и т. д.
Рис. 2.5. Аппарат Миллера
Таблица 2.6. Условия на первобытной Земле
Возникновение протобиополимеров представляет собой более сложную проблему. Необходимость их существования во всех живых системах очевидна. Они ответственны за протоферментативные процессы (например, гидролиз, декарбоксилирование, аминирование, дезаминирование, перекисное окисление и т. д.), за некоторые весьма простые процессы, как, например, брожение, и за другие, более сложные, например фотохимические реакции, фотофосфорилирование, фотосинтез и т. д.
Наличие воды на нашей планете (первичный океан) обусловило возможность возникновения протобиополимеров в процессе химической реакции – конденсации. Так, для образования в водных растворах пептидной связи согласно реакции:
необходимы затраты энергии. Эти затраты энергии во много раз возрастают при получении белковых молекул в водных растворах. Для синтеза макромолекул из «биомономеров» требуется привлечение специфических (ферментативных) методов удаления воды.
Summary
General process of evolution of matter and energy in the Universe includes several consecutive stages. Among them are the formation of space nebulae, their development and structuring of planetary systems can be recognized. Transformations of substances that take place on the planets are determined by some general natural laws and depend on the position of the planet within the star system. Some of these planets, like the Earth, are characterized by the features that enable the development of inorganic matter towards appearance of various complicated organic molecules.
Опорные точки
1. Первичная атмосфера Земли состояла преимущественно из водорода и его соединений.
2. Земля находится на оптимальном расстоянии от Солнца и получает достаточное количество энергии для поддержания воды в жидком состоянии.
3. В водных растворах за счет различных источников энергии возникают небиологическим путем простейшие органические соединения.
Вопросы для повторения и задания
1. Перечислите космические и планетарные предпосылки возникновения жизни абиогенным путем на нашей планете.
2. Какое значение для возникновения органических молекул из неорганических веществ на Земле имел восстановительный характер первичной атмосферы?
3. Опишите аппарат и методику проведения опытов С. Миллера и П. Юри.
Используя словарный запас рубрик «Терминология» и «Summary», переведите на английский язык пункты «Опорных точек».
Терминология
Каждому термину, указанному в левой колонке, подберите соответствующее ему определение, приведенное в правой колонке на русском и английском языках.
Select the correct definition for every term in the left column from English and Russian variants listed in the right column.
Вопросы для обсуждения
Какие, по вашему мнению, источники энергии преобладали на древней Земле? Как можно объяснить неспецифическое влияние различных источников энергии на процессы образования органических молекул?
Как С. Миллеру удалось рассчитать параметры своего эксперимента? Как бы вы подошли к этому вопросу? Из каких предпосылок исходили?
2.3. Теории происхождения протобиополимеров
Различные оценки характера среды на первобытной Земле привели к созданию разных условий экспериментов, имевших принципиально единые, но не всегда одинаковые в частностях результаты.
Рассмотрим некоторые из важнейших теорий возникновения полимерных структур на нашей планете, лежащих у истоков образования биополимеров – основы жизни.
Термическая теория. Реакции конденсации, которые привели бы к образованию полимеров из низкомолекулярных предшественников, могут осуществляться путем нагревания. По сравнению с другими компонентами живой материи наиболее хорошо изучен синтез полипептидов.
Автором гипотезы синтеза полипептидов термическим путем является американский ученый С. Фокс, который длительное время изучал возможности образования пептидов в условиях, существовавших на первобытной Земле. Если смесь аминокислот нагреть до 180–200 °С при нормальных атмосферных условиях или в инертной среде, то образуются продукты полимеризации, небольшие олигомеры, в которых мономеры соединены пептидными связями, а также малые количества полипептидов. В случаях, когда исходные смеси аминокислот экспериментаторы обогащали аминокислотами кислого или основного типа, например аспарагиновой и глутаминовой кислотами, доля полипептидов значительно возрастала. Молекулярная масса полимеров, полученных таким путем, может достигать нескольких тыс. D. (D – Дальтон, единица измерения массы, численно равная массе 1/16 атома кислорода.)
Полимеры, полученные термическим путем из аминокислот, – протеиноиды – проявляют многие специфические свойства биополимеров протеинового типа. Однако в случае конденсации термическим путем нуклеотидов и моносахаридов, имеющих сложную структуру, образование известных в настоящее время нуклеиновых кислот и полисахаридов представляется маловероятным.
Теория адсорбции. Основным контраргументом в спорах об абиогенном возникновении полимерных структур является малая концентрация молекул и недостаток энергии для конденсации мономеров в разбавленных растворах. И действительно, по некоторым оценкам концентрация органических молекул в «первичном бульоне» составляла около 1 %. Такая концентрация в силу редкости и случайности контактов различных молекул, необходимых для конденсации веществ, не могла обеспечить столь «быстрого» образования протобиополимеров, как это имело место на Земле по оценкам некоторых ученых. Одно из решений этого вопроса, связанное с преодолением такого концентрационного барьера, было предложено английским физиком Д. Берналом, считавшим, что концентрирование разбавленных растворов органических веществ происходит путем «адсорбции их в водных отложениях глин».
