Вселенная, жизнь, разум - Иосиф Шкловский

Таким образом, можно считать доказанным, что под воздействием различных форм энергии на примитивной Земле возникали достаточно сложно организованные органические молекулы.

В синтезе органики наиболее существенную роль должны были играть электрические разряды, ударные волны, ультрафиолетовое излучение Солнца, вулканическое тепло, радиоактивный распад 40К.

Из табл. 6 видно, что основной вклад в процессы абиогенного синтеза вносит ультрафиолетовое излучение Солнца. Однако вопрос об относительной эффективности различных видов энергии не так прост, как это кажется на первый взгляд. В экспериментах по абиогенному синтезу были использованы все источники энергии, перечисленные в табл. 6. При этом выяснилось, что определяющим моментом является не общее количество энергии, а «к.п.д.» той или иной модели образования органических веществ.

Полезно рассмотреть следующие этапы в эволюции органического вещества на примитивной Земле:

1. Эволюция малых молекул.

2. Образование полимеров.

3. Возникновение каталитических функций.

4. Самосборка молекул.

5. Возникновение мембран и доклеточная организация.

6. Возникновение механизма наследственности.

7. Возникновение клетки.

Необходимо отметить, что в настоящее время не представляется возможным искусственно воспроизвести в лабораторных условиях возникновение механизма матричного копирования, реализуемого в живой клетке нуклеиновыми кислотами. Между тем, по-видимому, в этом состоит суть проблемы возникновения жизни на Земле.

Наиболее изученным этапом в пребиологической химии является эволюция малых молекул. Было экспериментально изучено воздействие всех вышеперечисленных видов энергии на смеси различных газов: водород, метан, аммиак, окись углерода, двуокись углерода, азот, вода, кислород, сероводород. При этом было установлено, что если смесь не была окислительной, то всегда образовывались аминокислоты и другие биологически активные соединения.

Определяющими промежуточными продуктами в синтезе аминокислот, оснований нуклеиновых кислот, сахаров и порфиринов являются формальдегид и цианистый водород. Образование этих простых продуктов происходит и в газовой, и в водной фазе. Образование же более сложных молекул (аминокислот) происходит главным образом в водной среде.

Среди возможных механизмов образования аминокислот можно указать на синтез Штрекера, как конечный этап превращения аминонитрилов и циангидринов

Что касается синтеза оснований нуклеиновых кислот, то здесь также, как выяснилось, центральную роль играет цианистый водород. Так, при синтезе аденина «суммарную» реакцию образования этого соединения можно записать следующим образом:

При образовании сахаров в условиях, моделирующих примитивную Землю, происходит щелочная конденсация формальдегида. Протекание этой реакции катализируется гидроокисями щелочно-земельных металлов.

В экспериментах, проведенных Гейбелом и Поннамперумой, водные растворы формальдегида в различных концентрациях нагревались в присутствии каолинита, который используется в качестве природного катализатора. В числе продуктов реакции были отождествлены триозы, тетрозы, пентозы, гексозы. Была отождествлена также рибоза.

Чрезвычайно важной группой соединений, присутствующих в большинстве живых организмов, являются порфирины. Порфириновая структура лежит в основе хлорофилла. Целый ряд важнейших ферментов, таких как каталаза, пероксилаза и др., также имеют порфириновую структуру. В экспериментах по абиогенному синтезу порфирин был идентифицирован как один из продуктов реакции в смеси метан — аммиак — вода — водород под действием электрического разряда.

Наиболее существенным достижением в области пребиологической химии можно считать абиогенный синтез нуклеотидов и полинуклеотидов, осуществленный впервые Шраммом из углеводов и гетероциклических оснований с помощью метафосфорных эфиров (МФЭ). В процессе синтеза образовывались продукты различной молекулярной массы и структуры, причем нуклеотиды в полинуклеотидной цепи располагались случайно, не образуя какой-либо определенной последовательности.

Значительный интерес представляют также эксперименты Фокса по термической полимеризации аминокислот.

Таким образом, многочисленные эксперименты по абиогенному синтезу продемонстрировали возможность образования основных классов биологических активных соединений небиологическим путем в условиях, моделирующих природные условия, существовавшие на примитивной Земле.

Однако образование самых сложных молекул не решает вопроса об отборе и сохранении определенных типов молекулярных соединений. На определенной стадии усложнения структуры молекул возникает такое принципиально новое свойство их, как возвратный катализ. Образовавшиеся довольно сложные молекулы должны разрушаться (диссоциировать) при поглощении более длинноволнового излучения, чем то, которое стимулировало их образование. Так как поток солнечного излучения в области более длинных волн значительно превосходит поток ультрафиолетового излучения, стимулирующего синтез первичных органических соединений, последние будут разрушаться, и какого-либо накопления их происходить не должно. Заметим, что эта трудность является общей для всех механизмов образования первичных органических соединений, так как неокисленная атмосфера планеты должна быть прозрачной для ультрафиолетовых лучей Солнца. Сейчас намечается несколько путей преодоления этой трудности. Например, можно предположить, что после сформирования гидросферы образовавшиеся в ее поверхностных слоях органические соединения путем конвекции переносились на достаточную глубину, куда уже «разрушительное» излучение не доходило.

Зная поток ультрафиолетового излучения Солнца, стимулирующего образование органических веществ, и считая, что вновь образовавшиеся вещества не разрушаются, а постепенно накапливаются, можно оценить количество образующегося таким способом органического вещества на Земле. Такие вычисления произвел Саган, который в предположении, что этот процесс длился 1 млрд. лет, нашел, что над каждым квадратным сантиметром земной поверхности могло образоваться несколько килограммов органических соединений. Эта величина представляется достаточно большой. Например, если бы все эти образовавшиеся в раннюю эпоху развития нашей планеты органические вещества растворить в мировом океане, концентрация такого раствора была бы приблизительно 1 %.

Так как есть основания полагать, что объем мирового океана за геологическую историю Земли почти не менялся, можно сделать вывод, что первобытный океан представлял собой 1 %-ный раствор различных органических соединений. Довольно крепкий питательный бульон! Эта среда была весьма благоприятна для образования новых, более сложных органических соединений. В частности, из аминокислот могли синтезироваться различные белковые соединения.

До сих пор предполагалось, что жизнь как-то возникла на всей «осредненной» поверхности первобытной Земли, для чего потребовались сотни миллионов лет. Но, конечно, это могло быть и наверняка было не так. В отдельных местах земной поверхности условия для эволюции сложных молекул в первые примитивные формы жизни могли быть особенно благоприятны. Идеи «локального» возникновения жизни на Земле и притом в сравнительно короткие сроки высказывались неоднократно. Л. М. Мухин предложил интересную гипотезу, что жизнь могла возникнуть в области подводных вулканов.

По всей видимости, именно подводный вулканизм мог играть известную роль в образовании предшественников сложных органических молекул. Действующий вулкан можно рассматривать не только как источник тепла, но и как источник простых соединении, таких как СО, СН4, NH3, СО2, H2O, Н2, H2S и пр., необходимых для синтеза органическою вещества. Реакции, происходящие между этими газами в условиях повышенных температур и давлений, должны приводить к образованию предшественников сложных органических соединений, цианистого водорода и формальдегида. Гидросфера (океан) используется в данной модели как фактор, обеспечивающий стабильность образовавшихся продуктов вследствие больших перепадов температуры в зоне действия подводного вулкана. Кроме того, в области подводного вулкана, имеется широкий диапазон давлений, что весьма существенно, так как высокие давления необходимы для повышения выхода продукта в ряде реакций. Наконец, наличие в области подводного извержения зон с температурой 50 — 100 °C обеспечивает прохождение ряда реакций, приводящих к синтезу более сложных органических соединений. Механизмы этих реакций освещены в работах Оро и Поннамперумы.