Биологический каталог




Лекции по экологии

Автор О.В.Богданкевич

тирающуюся до высот в несколько тысяч километров.

Кроме того, первичная атмосфера подверглась изменению в результате внутренней активности планеты и выброса в атмосферу глубинных вулканических газов, содержащих углекислоту, сероводород, аммиак, цианистый водород и ряд других вулканических газов и дымов.

Образующийся в процессах фотодиссоциации паров воды свободный кислород окислял вулканические газы, а образующиеся окислы опускались в нижние слои атмосферы. Самым важным свойством вторичной атмосферы был ее восстановительный характер и ничтожно малое количество свободного кислорода.

Еще одно подтверждение нестабильности первичной атмосферы состоит в том, что на Земле очень мало благородных газов по сравнению с их распространенностью в космосе. Эти химические элементы очень инертны и не вступают в соединения, образующие тяжелые молекулы, которые уже не могут приобрести вторую космическую скорость и покинуть Землю. За сотни миллионов лет, прошедших после конденсации планеты, эти летучие компоненты, так же, как и свободный водород, улетели из атмосферы в космос.

Точный количественный состав вторичной бескислородной атмосферы неизвестен, но, как показали эксперименты, это не так уж и важно.

В конце 50-х гг. СЛ. Миллер провел ряд экспериментов по синтезу органических веществ, в частности аминокислот, из неорганических молекул СО, СО2, СН4, HCN, Н2О и т. д.

Суть экспериментов состояла в облучении ультрафиолетовым излучением от электрического разряда различных смесей газов, имитирующих различные составы вторичной атмосферы Земли. Эксперименты показали (см. рис. 7.2.), что по прошествии нескольких десятков часов в реакторе образовывался широкий спектр аминокислот, а при добавлении в реактор соединений серы удавалось получать и большие полимерные молекулы, состоящие из длинных углеводородных цепочек.

Сера, видимо, играла роль катализатора, а наличие ее в примитивной атмосфере в результате вулканической деятельности, не вызывает сомнений.

Время, часы

Рис. 7.2. Результаты опытов Миллера по синтезу аминокислот из смеси газов прототипа примитивной атмосферы Земли (изменение концентраций: 1 — аминокислот, 2— аммиака, 3— цианистого водорода, 4 — альдегидов) г)

Для образования сложных органических молекул в отсутствие кислорода необходимы внешние источники энергии в виде ультрафиолетового излучения с энергией квантов в несколько электронвольт.

г) Miller S. L. Formation of Organic Compounds on the Primitive Earth. The Origin of Life on Earth. — L.: Pergammon, 1959.

В 1966 г. американский биохимик С. Поннамперума получил подобные результаты при использовании в качестве источника ультрафиолетового излучения не электрическую искру, а кварцевые лампы. Эти эксперименты были важными с той точки зрения, что в условиях примитивной атмосферы гораздо больше энергии поступало не от грозовых разрядов, а от ультрафиолетового излучения Солнца, которое не поглощалось в бескислородной атмосфере.

Эти эксперименты показали, что если в среде присутствуют соединения простейших углеводородов, фосфора и серы вместе с набором некоторых микроэлементов вроде марганца железа и некоторых других, то материал для неорганического синтеза органических веществ обеспечен и практически не зависит от их относительного содержания. Однако наличие свободного кислорода в атмосфере экранирует поверхность Земли от проникновения через атмосферу жесткого ультрафиолетового излучения Солнца и делает неорганический синтез невозможным. Такие реакции протекают под действием света с длиной волны меньше 210 нм.

На рис. 7.3. по оси ординат указана глубина проникновения ультрафиолетового излучения Солнца в спектральном интервале 5 нм, при которой его интенсивность не превышает 1 эрг/см2. Здесь учитывается общее поглощение водой, кислородом и озоном. Цифры у кривых соответствуют разному содержанию кислорода и равновесной с ним концентрации озона по отношению к его концентрации в атмосфере на сегодняшний день: 2— 0,001, 3 — 0,005, 4 - 0,01, 5-0,1, 6—1,7— 10.

Следующим важным этапом в возникновении живых организмов из неживых органических веществ было образование структур типа мембран, которые позволили запустить механизм обмена веществ, сначала в виде процессов брожения, а затем и дыхания с использованием фотосинтеза.

Благодаря мембранам живое вещество может отличаться по составу и энергетическому уровню от окружающей среды.

Биохимики считают, что образование примитивных мембран могло начаться с выстраивания полярных молекул на поверхностях раздела воздух-вода или на поверхностно активных веществах.

180 220 260 300 340 380

Длина волны, нм

Рис. 7.3. Зависимости величины проникновения через атмосферу коротковолнового излучения Солнца г)

г) Berkner L. V., Marshal L. С. On the origin and rise of oxygen concentration in earth's atmosphere //J. Atmospheric Sci. V. 22. P. 225, 196.

2) Granick S. Evolution of heme and chlorophyll in «Evolving Genes and Proteins». — N. Y.: Academic Press, 1965.

В 1965 г. С. Граник опубликовал результаты своих экспериментов 2) по моделированию процессов фотосинтеза, где показал, как основные реакции фотосинтеза и дыхания (восстановление и окисление) могли осуществляться на поверхностно активных веществах, существовавших на поверхности Земли.

Эти работы имели принципиальное значение и показали возможность возникновения процессов метаболизма (обмена веществ) путем эволюции простейших структур, построенных и из слоев полярных молекул. Однако воспроизведение процессов фотосинтеза в живой материи остается все еще недоступным в лабораторных условиях. Решение этой проблемы является одной из важнейших задач биохимии, имеющих огромное практическое значение.

Следующая стадия эволюции жизни: приобретение сложными органическими молекулами способности к воспроизведению самих себя.

Эта стадия эволюции является самой сложной и началась на Земле спустя более миллиарда лет после конденсации планеты и происходила, скорее всего, параллельно с эволюцией преджизни в течении очень длительного периода времени, измеряемого сотнями миллионов лет с момента, когда произошел ее настоящий взрыв (примерно 1,8 млрд лет назад), связанный с возникновением фотосинтеза, приведшего к выделению свободного кислорода и изменению состава атмосферы Земли.

Занавес опустился. Ультрафиолетовое излучение Солнца стало поглощаться в верхних слоях атмосферы молекулами кислорода и озона, и неорганический синтез органического вещества стал невозможен.

Здесь следует отметить очень интересную особенность современной жизни.

Основным материалом всех живых организмов являются белки, которые, в свою очередь, состоят из простейших «кирпичиков» — аминокислот. Белков — великое множество, а вот число аминокислот, из которых они состоят, — всего два десятка. Различные молекулы аминокислот образуют полимерные цепочки, называемые полипептидами, которые, в свою очередь, объединяясь, образуют белковые молекулы. У всех живых организмов, от амебы до кита, набор аминокислот не превышает 20, хотя в процессе их первичного синтеза, да и в лабораторных условиях, их может быть получено великое множество. Природа по каким-то причинам отобрала для своего использования всего 20 и все они, за редким исключением, имеют левую ось симметрии. Почему только левую, мы пока не вполне понимаем.

В 1953 г. Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон поняли, как устроена суть живой материи — двойная спираль ДНК. По-видимому, именно ДНК — полимер, состоящий всего из 4-х видов основных структурных блоков — нуклеоти-дов и отличает живую материю от неживой.

За прошедшие 50 лет после открытия Крика и Уотсона человек достаточно подробно изучил основные процессы воспроизводства живой материи и механизмы наследственности, но до сих пор так и не сумел создать живую материю из неживой. О том, каким образом в процессе эволюции образовалась эта очень устойчивая молекулярная структура, мы пока можем только строить различные догадки. Если кому-то удастся разгадать эту самую великую тайну природы, он создаст новую науку, значение которой для существования жизни на Земле будет определяющим.

В заключение я приведу цитату из книги очень известного ученого — геолога, профессора государственного университета в Утрехте М. Руттена .

«Жизнь есть макромолекулярная система, для которой характерна определенная иерархическая организация, а также способность к воспроизведению, обмен веществ и тщательно регулируемый поток энергии. Морфологически можно различать громадное число отдельных форм жизни — видов, родов и т. д. Напротив, биохимически вся современная жизнь во всех ее проявлениях очень однообразна: она основана всего на двух десятках аминокислот, входящих в нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и жиры, а также на менее распространенных соединениях, например фосфорных эфирах. Эти соединения могут быть очень разнообразны в деталях, но все они

г) Руттен М. Происхождение жизни (естественным путем) / под ред. акад. А. И. Опарина. — М.: Мир, 1973. С. 70.

взаимосвязаны и являются продуктами небольшого числа основных биохимических реакций. Все формы жизни, от кита, слона и растений до амебы и вируса, — все они основаны на поразительно небольшом наборе главных органических соединений. В любом организме всегда найдется что-нибудь съедобное для других. Это означает, что все живое имеет общее происхождение.

Нельзя сказать, что химия жизни однообразна и проста, но она явно не так многообразна, как могла бы быть, если бы перебирала все возможные комбинации из материала окружающей среды. Она не использует в своем метаболизме все, что «может попасться под руку». Жизнь использует только те вещества, которые могут дать максимум пользы.

Возникает вполне естественный вопрос, который волновал умы еще самых древних философов и в конечном итоге привел человека к понятию божественного творения. Жизнь и материя — это две разные субстанции, созданные одновременно? Или это две стороны материи, которые могут взаимно влиять друг на друга, переходя одна в другую?

Принятие первой точки зрения приводит к ниспровержению всех причинно-

страница 13
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Скачать книгу "Лекции по экологии" (1.97Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(23.11.2017)