Образование первых органических соединений на Земле


Впервые получить органические молекулы - аминокислоты - в лабораторных условиях, моделирующих те, что были на первобытной Земле, удалось американскому учёному Стэнли Миллеру в 1952 году. Тогда эти эксперименты стали сенсацией, и их автор получил всемирную известность. В настоящее время он продолжает заниматься исследованиями в области предбиотической (до возникновения жизни) химии в Калифорнийском университете. Установка, на которой был осуществлён первый эксперимент, представляла собой систему колб, в одной из которых можно было получить мощный электрический разряд при напряжении 100000 В. Миллер заполнил эту колбу природными газами - метаном, водородом и аммиаком, которые присутствовали в атмосфере первобытной Земли. В колбе, расположенной ниже, было небольшое количество воды, имитирующей океан. Электрический разряд по своей силе приближался к молнии, и Миллер ожидал, что под его действием образуются химические соединения, которые, попав затем в воду, прореагируют друг с другом и образуют более сложные молекулы. Результат превзошёл все ожидания. Выключив вечером установку и вернувшись на следующее утро, Миллер обнаружил, что вода в колбе приобрела желтоватую окраску. То, что образовалось, оказалось бульоном из аминокислот - строительных блоков белков. Таким образом, этот эксперимент показал, как легко могли образоваться первичные ингредиенты живого. Всего-то и нужны были - смесь газов, маленький океан и небольшая молния.

Другие учёные склонны считать, что древняя атмосфера Земли отличается от той, которую моделировал Миллер, и состояла, скорее всего, из углекислого газа и азота. Используя эту газовую смесь и экспериментальную установку Миллера, химики попытались получить органические соединения. Однако их концентрация в воде была такой ничтожной, как если бы растворили каплю пищевой краски в плавательном бассейне. Естественно, трудно себе представить, как могла возникнуть жизнь в таком разбавленном растворе. Если действительно вклад земных процессов в создание запасов первичного органического вещества был столь незначителен, то откуда оно вообще взялось? Может быть, из космоса? Астероиды, кометы, метеориты и даже частицы межпланетной пыли могли нести на себе органические соединения, включая аминокислоты. Эти внеземные объекты могли обеспечить попадание в первичный океан или небольшой водоём достаточного для зарождения жизни количества органических соединений. Последовательность и временной интервал событий, начиная от образования первичного органического вещества и кончая появлением жизни как таковой, остаётся и, наверное, навсегда останется загадкой, волнующей многих исследователей, равно как и вопрос, что собственно, считается жизнью.

роцесс формирования первых органических соединений на Земле называют химической эволюцией. Она предшествовала биологической эволюции. Этапы химической эволюции были выделены А.И.Опариным.

I этап – небиологический, или абиогенный (от греч. u, un – отрицательная частица, bios – жизнь, genesis – происхождение). На этом этапе в атмосфере Земли и в водах первичного океана, насыщенных разнообразными неорганическими веществами, в условиях интенсивного солнечного излучения происходили химические реакции. В ходе этих реакций из неорганических веществ могли сформироваться простые органические вещества – аминокислоты, простые углеводы, спирты, жирные кислоты, азотистые основания.

Возможность синтеза органических веществ из неорганических в водах первичного океана подтвердилась в опытах американского ученого С.Миллера и отечественных ученых А.Г.Пасынского и Т.Е.Павловской.

Миллер сконструировал установку, в которую помещалась смесь газов – метана, аммиака, водорода, паров воды. Эти газы могли входить в состав первичной атмосферы. В другой части аппарата находилась вода, которая доводилась до кипения. Газы и водяной пар, циркулировавшие в аппарате под высоким давлением, в течение недели подвергались воздействию электрических разрядов. В результате в смеси образовалось около 150 аминокислот, часть из которых входит в состав белков.

Впоследствии экспериментально подтвердилась возможность синтеза и других органических веществ, в том числе и азотистых оснований.

II этап – синтез белков – полипептидов, которые могли образоваться из аминокислот в водах первичного океана.

III этап – появление коацерватов (от лат. coacervus – сгусток, куча). Молекулы белков, обладающие амфотерностью, при определенных условиях могут самопроизвольно концентрироваться и образовывать коллоидные комплексы, которые получили название коацерватов.

Коацерватные капли образуются при смешивании двух разных белков. Раствор одного белка в воде прозрачен. При смешивании разных белков раствор мутнеет, под микроскопом в нем заметны плавающие в воде капли. Такие капли – коацерваты могли возникнуть в водах 1000 первичного океана, где находились разнообразные белки.

Некоторые свойства коацерватов внешне сходны со свойствами живых организмов. Например, они «поглощают» из окружающей среды и избирательно накапливают определенные вещества, увеличиваются в размерах. Можно предположить, что внутри коацерватов вещества вступали в химические реакции.

Поскольку химический состав «бульона» в разных частях первичного океана различался, неодинаковы были химический состав и свойства коацерватов. Между коацерватами могли формироваться отношения конкуренции за вещества, растворенные в «бульоне». Однако коацерваты нельзя считать живыми организмами, так как у них отсутствовала способность к воспроизведению себе подобных.

IV этап – возникновение молекул нуклеиновых кислот, способных к самовоспроизведению.

Исследования показали, что короткие цепи нуклеиновых кислот способны удваиваться вне всякой связи с живыми организмами – в пробирке. Возникает вопрос: как появился на Земле генетический код?
Американский ученый Дж.Бернал (1901-1971) доказал, что минералы играли большую роль в синтезе органических полимеров. Было показано, что ряд горных пород и минералов – базальт, глины, песок – обладает информационными свойствами, например, на глинах может осуществляться синтез полипептидов.
Видимо, первоначально сам по себе возник «минералогический код», в котором роль «букв» играли катионы алюминия, железа, магния, чередующиеся в различных минералах в определенной последовательности. В минералах возникает трех-, четырех- и пятибуквенный код. Этот код и определяет последовательность соединения аминокислот в белковую цепь. Потом роль информационной матрицы перешла от минералов к РНК, а затем к ДНК, которая оказалась более надежной для передачи наследственных признаков.

Однако процессы химической эволюции не объясняют, как возникли живые организмы. Процессы, которые привели к переходу от неживого к живому, Дж.Бернал назвал биопоэзом. Биопоэз включает этапы, которые должны были предшествовать появлению первых живых организмов: возникновение мембран у коацерватов, метаболизма, способности к самовоспроизведению, фотосинтеза, кислородного дыхания.

К появлению первых живых организмов могло привести образование клеточных мембран путем выстраивания молекул липидов на поверхности коацерватов. Это обеспечивало стабильность их формы. Включение в состав коацерватов молекул нуклеиновых кислот обеспечило их способность к самовоспроизведению. В процессе самовоспроизведения молекул нуклеиновых кислот возникали мутации, которые служили материалом для естественного отбора.

Так на основе коацерватов могли возникнуть первые живые существа. Они, по-видимому, являлись гетеротрофами и питались богатыми энергией сложными органическими веществами, содержащимися в водах первичного океана.

По мере увеличения численности организмов конкуренция между ними обострялась, так как запасы питательных веществ в водах океана уменьшались. У некоторых организмов появилась способность к синтезу органических веществ из неорганических с использованием солнечной энергии или энергии химических реакций. Так возникли автотрофы, способные к фотосинтезу или хемосинтезу.

Первые организмы были анаэробами и получали энергию в ходе реакций бескислородного окисления, например брожения. Однако появление фотосинтеза привело к накоплению в атмосфере кислорода. В результате возникло дыхание – кислородный, аэробный путь окисления, который примерно в 20 раз эффективнее гликолиза.

Первоначально жизнь развивалась в водах океана, так как сильное ультрафиолетовое излучение губительно влияло на организмы на суше. Появление озонового слоя в результате накопления кислорода в атмосфере создало предпосылки для выхода живых организмов на сушу.

Что считать жизнью?

В настоящее время существует несколько научных определений жизни, но все они не точны. Одни из них настолько широки, что под них попадают такие неживые объекты, как огонь или кристаллы минералов. Другие - слишком узки, и в соответствии с ними мулы, не дающие потомства, не признаются живыми.
Одно из наиболее удачных определяет жизнь как самоподдерживающуюся химическую систему, способную вести себя в соответствии с законами дарвиновской эволюции. Это значит, что, во-первых, группа живых особей должна производить подобных себе потомков, которые наследуют признаки родителей. Во-вторых, в поколениях потомков должны проявляться последствия мутаций - генетических изменений, которые наследуются последующими поколениями и обуславливают популяционную изменчивость. И, в-третьих, необходимо, чтобы действовала система естественного отбора, в результате которого одни особи получают преимущество перед другими и выживают в изменившихся условиях, давая потомство.

Какие же элементы системы были необходимы, чтобы у неё появились характеристики живого организма? Большое число биохимиков и молекулярных биологов считают, что необходимыми свойствами обладали молекулы РНК. Рибонуклеиновые кислоты - это особенные молекулы. Одни из них могут реплицироваться, мутировать, таким образом, передавая информацию, и, следовательно, они могли участвовать в естественном отборе. Правда, они не способны сами катализировать процесс репликации, хотя учёные надеются, что в недалёком будущем будет найден фрагмент РНК с такой функцией. Другие молекулы РНК задействованы в "считывании" генетической информации и передаче её на рибосомы, где происходит синтез белковых молекул, в котором принимают участие молекулы РНК третьего типа.
Таким образом, самая примитивная живая система могла быть представлена молекулами РНК, удваивающимися, подвергающимися мутациям и подверженными естественного отбору. В ходе эволюции на основе РНК возникли специализированные молекулы ДНК - хранители генетической информации - и не менее специализированные молекулы белка, взявшие на себя функции катализаторов синтеза всех известных в настоящее время биологических молекул.
В некий момент времени "живая система" из ДНК, РНК и белка нашла приют внутри мешочка, образованного липидной мембраной, и эта более защищённая от внешних воздействий структура послужила прототипом самых первых клеток, давших начало трём основным ветвям жизни, которые представлены в современном мире бактериями, археями и эукариотами. Что касается даты и последовательности появления таких первичных клеток, то это остаётся загадкой. Кроме того, по простым вероятностным оценкам для эволюционного перехода от органических молекул к первым организмам не хватает времени - первые простейшие организмы появились слишком внезапно.

В течение многих лет учёные полагали, что жизнь вряд ли могла возникнуть и развиваться в тот период, когда Земля постоянно подвергалась столкновениям с большими кометами и метеоритами, а завершился этот период примерно 3,8 миллиарда лет тому назад. Однако недавно в самых древних на Земле осадочных породах, найденных в юго-западной части Гренландии, были обнаружены следы сложных клеточных структур, возраст которых составляет, по крайней мере, 3,86 миллиардов лет. Значит, первые формы жизни могли возникнуть за миллионы лет до того, как прекратилась бомбардировка нашей планеты крупными космическими телами. Но тогда возможен и совсем другой сценарий (рис. 4). Органическое вещество попадало на Землю из космоса вместе с метеоритами и другими внеземными объектами, бомбардировавшими планету в течение сотен миллионов лет с момента её образования. Ныне столкновение с метеоритом - событие довольно редкое, но и сейчас из космоса вместе с межпланетным материалом на Землю продолжают поступать точно такие же соединения, как и на заре жизни.

Падавшие на Землю космические объекты могли сыграть центральную роль в возникновении жизни на нашей планете, так как, по мнению ряда исследователей, клетки, подобные бактериям, могли возникнуть на другой планете и затем уже попасть на Землю вместе с астероидами. Одно из свидетельств в пользу теории внеземного происхождения жизни было обнаружено внутри метеорита, по форме напоминающего картофелину и названного ALH84001. Первоначально этот метеорит был частичкой марсианской коры, которая затем была выброшена в космос в результате взрыва при столкновении огромного астероида с поверхностью Марса, происшедшего около 16 миллионов лет назад. А 13 тысяч лет назад после длительного путешествия в пределах Солнечной системы этот осколок марсианской породы в виде метеорита приземлился в Антарктике, где и был недавно обнаружен. При детальном исследовании метеорита внутри него были обнаружены палочковидные структуры, напоминающие по форме окаменелые бактерии, что дало повод для бурных научных споров о возможности жизни в глубине марсианской коры. Разрешить эти споры удастся не ранее 2005 года, когда Национальное управление по аэронавтике и космическим исследованиям Соединённых Штатов Америки осуществит программу полёта на Марс межпланетного корабля для отбора проб марсианской коры и доставки образцов на Землю. И если учёным удастся доказать, что микроорганизмы когда-то населяли Марс, то о внеземном возникновении жизни и о возможности занесения жизни из Космоса можно будет говорить с большей долей уверенности.



Реклама