Биологический каталог




Жизнь, ее природа, происхождение и развитие

Автор А.И.Опарин

и в составе современных метеоритов, которые по своей химической природе сходны с материалом, послужившим для образования Земли. Интересно отметить, что естественные карбиды были впервые обнаружены именно в составе метеоритов в виде характерного для них минерала — когенита, который в химическом отношении является соединением углерода с железом, никелем и кобальтом. Лишь позднее были найдены и когениты земного происхождения. Это одни из наиболее глубинных пород земной коры. При ее формировании когениты, несомненно, должны были взаимодействовать с водой земных недр, в результате чего образовывались метан и другие углеводороды, постепенно накапливающиеся в первоначальной земной атмосфере, так как после формирования нашей планеты они уже удерживались земным притяжением и не могли рассеиваться в межпланетном пространстве.

Можно представить себе и другие пути возникновения углеводородов при формировании земной коры. В частности, это могло иметь место при прямом восстановлении графита свободным водородом, образующимся при радиохимическом распаде воды. Некоторые авторы указывают на возможность выделения из земных недр первично захваченного горными породами метана материнского протоплаыетного облака или углеводородов, возникающих при пиролизе первичных органических веществ планетоземалий.

Таким образом, данные планетной космогонии в полном соответствии с результатами современных геохимических исследований приводят нас к тому заключению, что и на Земле, как и на других небесных телах, не только могло, но и обязательно должно было происходить абиогенное образование простейших органических веществ — углеводородов и их ближайших производных. Сейчас спор может идти только о том, какой из возможных путей абиогенного образования углеводородов являлся генеральным во время формирования Земли и в последующие эпохи ее существования. Но обязательность самого этого образования не вызывает в наше время никакого сомнения. Оно подтверждается и рядом Непосредственно обнаруженных сейчас геологических находок.

Как мы указывали выше, начавшееся с самых ранних периодов существования Земли формирование ее коры не может считаться законченным и в настоящее время. Поэтому и сейчас можно падеятъся обнаружить в глубоких слоях литосферы, где царят восстановительные условия и где отсутствуют какие-либо признаки жизни, процессы первичного образования углеводородов. Действительность в полной мере оправдывает эти надежды. В частности, на возможность абиогенного образования углеводородов в современных условиях указывает ряд газовых месторождений, находящихся вне непосредственной связи с осадочными породами. Таковы, например, углеводородные газы, образующиеся в кристаллических породах у озера Гурон в Канаде или у нас в Ухтинском месторождении. Значительный интерес в этом отношении представляют также газовыделения, обнаруженные недавно в Хибинском массиве на Кольском полуострове. Их исследование показало наличие в них метана и более тяжелых углеводородов. При этом очень тщательное рассмотрение существующей здесь физико-химической и геохимической обстановки определенно говорит в пользу магматического происхождения указанных газов.

Число находок нефтепроявлений в изверженных и метаморфических породах очень возросло за последнее время, но так как эти находки лишь очень редко имеют промышленное значение и в большинстве случаев представлены только незначительными включениями, геологи-нефтяники обращают на них очень мало внимания. Тем не менее такого рода находки известны уже во многих странах и насчитываются сотнями. В частности, жидкие и газообразные углеводороды в виде примазок и незначительных выделений были обнаружены и при очень глубоком бурении по трещинам в метаморфических и кристаллических породах фундамента, куда они вряд ли могли проникнуть из осадочных пород. Р. Робинзон, изучающий происхождение нефти, недавно пришел к заключению, что оно имеет двоякий характер, как биологический, так и независимый от жизни. При этом Робинзон убедительно показал, что чем древнее нефть, тем больше она выявляет признаков своего абиогенного происхождения.

Таким образом, хотя добываемая из осадочных месторождений нефть явно носит следы своего биологического происхождения, нельзя в свете известных в настоящее время фактов отрицать наличие даже в современную эпоху существования нашей планеты процессов абиогенного образования углеводородов, хотя бы и в ограниченном масштабе.

До возникновения жизни эти процессы были единственно возможными путями для образования исходных органических соединений в природных условиях, но с появлением жизни возникли новые, чрезвычайно совершенные методы синтеза органических веществ, в частности фотосинтез, при котором используются неисчерпаемые источники анергии солнечного света. В результате этого основное количество углерода на земной поверхности было вовлечено в биологический процесс, а старый абиогенный метод образования углеводородов отошел на задний план, и сейчас в современную нам эпоху существования Земли мы лишь с трудом обнаруживаем его слабые проявления. Но в принципе он возможен и сейчас, а в прошлом он имел монопольное значение для образования органических веществ.

Итак, все те сведения, которыми мы сейчас располагаем о путях формирования нашей планеты и о тех последующих процессах, которые совершались на ее поверхности, а также и непосредственные геохимические и геологические данные позволяют нам вполне обоснованно утверждать, что с самых начальных периодов образования нашей планеты, но еще задолго до возникновения на ней жизни, на поверхности Земли в ее коре, гидросфере и атмосфере чисто химическим абиогенным путем создавались и накапливались метан и другие разнообразные углеводороды.

Углеводороды и их ближайшие производные таят в себе поразительные, единственные в своем роде, химические возможности. Не подлежит никакому сомнению, что на протяжении тех миллиардов лет, которые отделяли время образования Земли от момента возникновения на ней жизни, находившиеся на поверхности нашей планеты углеводороды должны были широко использовать эти возможности. Они не могли длительно оставаться неизмененными, а обязательно вступали в химическое взаимодействие как между собой, так и с другими окружающими их веществами, образуя такое разнообразие сложных соединений, которое совершенно чуждо неорганической природе. Именно это и поставило их в такое исключительное положение на путях к возникновению жизни. Жизнь на Земле могла возникнуть только лишь в процессе закономерного усложнения органических веществ, поэтому без них нет и не может быть жизни, хотя мы и в состоянии теоретически представить себе другие очень сложные формы организации и движения материи, которые должны были бы возникнуть на совсем других основаниях и иными путями, чем жизнь. Однако эти весьма смелые (хотя в большинстве случаев и малообоснованные) фантазии далеко выходят за круг интересов, указанных нами еще в предыдущей главе.

Как же можно познать пути химической эволюции органических веществ, которая совершалась миллиарды лет назад, когда Земля еще не была заселена живыми существами?

С первого взгляда кажется, что наиболее простой и надежный ответ на этот вопрос способен дать лишь метод геохимических исследований — обнаружение и изучение в природных условиях происходящих на Земле вне живой материи абиогенных превращений углеродистых соединений, наподобие того, как это было сделано нами выше в отношении образования углеводородов в процессе формирования земной коры.

Конечно, такого рода изучение действительно дает нам много ценных указаний, однако нужно иметь в виду, что жизнь, возникнув когда-то на Земле, коренным образом изменила очень многие условия на поверхности нашей планеты. В настоящее время в природных условиях уже нельзя непосредственно обнаружить многие из тех явлений, которые происходили здесь в прошлом, и, наоборот, появились новые процессы, которые отсутствовали на поверхности безжизненной Земли.

М. Руттен справедливо указывает, что в противоположность характерному для земных недр постоянству непрерывности геологических процессов, в применении к земной поверхности нужно четко различать (даже в отношении неорганических, чисто геологических явлений) два глубоко отличных между собой периода — актуалистический (подобный современному) и предшествовавший ему — доактуалистический.

Так, процессы выветривания горных пород, протекающие по схеме: эрозия — транспортировка — осаждение, совершались и совершаются по-разному в прошлом и сейчас.

В актуалистическую эпоху при наличии богатой свободным кислородом атмосферы главную роль в выветривании основных горных пород играют химические процессы. Транспортируются и отлагаются уже подвергшиеся окислению минералы. Напротив, атмосфера доактуалистической эпохи носила восстановительный характер и поэтому такие минералы, как полевой шпат, сульфиты и т. д., оказывались устойчивыми в химическом отношении. Они при транспортировке изменялись лишь физически и откладывались в химически неизменном виде. Изучение как наиболее древних, так и относительно молодых отложений (как, например, данные К. Ранкама по древним отложениям детритных пород вокруг гранитных скал Финляндии, исследования П. Рамдора золотоносных пластов Южной Африки, Бразилии и Канады, данные Г. Леп-па и С. Гольдиха по древним отложениям железных руд в Северной Америке, Лотарингии и Люксембурге и т. д.) позволяет датировать конец восстановительной (доактуалистической) эпохи 2 миллиардами лет назад, а начало актуалистической эпохи — 1 миллиардом лет. Между этими датами лежит переходная эпоха, в течение которой атмосфера Земли лишь постепенно обогащалась свободным кислородом, что уже было связано с развитием жизни, возникшей еще в доактуалистическую эпоху, как на это указывают сравнительнобиохимические и палеонтологические данные.

Следовательно, предшествовавшая появлению жизни эволюция абиогенно возникших органических веществ происходила на поверхности Земли еще в условиях, глубоко отличных от современных. В основном эти отличия сводились к следующему.

1. Отсутствие свободного кислорода в доактуалистической атмосфере исключало возможность прямого, глубокого окисления углеводородов, как это имеет место сейчас при их сгорании на воздухе.

2. Вследствие отсутствия свободного кислорода в доактуалистической атмосфере не мог образовываться так называемый «озоновый экран», слой газа озона (Оз), который непроницаем для коротких ультрафиолетовых лучей. Сейчас в связи с наличием такого экрана в современной атмосфере эти лучи не достигают поверхности нашей планеты. Напротив, доактуалистическая атмосфера целиком пронизывалась интенсивной коротковолновой ультрафиолетовой радиацией. Это создавало гораздо большие возможности для разнообразных фотохимических процессов, чем те, которые имеют место сейчас при наличии одной только более длинноволновой радиации.

3. Очень важным является также то обстоятельство, что на первичной Земле отсутствовали живые организмы с их совершенным обменом веществ, быстро вовлекающим в орбиту своего действия разнообразные органические соединения.

Сейчас мы нигде на земной поверхности в природной обстановке не имеем таких условий. Находящийся в современной атмосфере на высоте 30 км озоновый экран преграждает доступ коротковолновой ультрафиолетовой радиации на земную поверхность. Современная атмосфера, верхняя часть почвы и вся гидросфера до самых больших глубин богата свободным кислородом и густо заселена микробами, которые, поглощая, поедая органические вещества внешней среды, исключают всякую возможность их длительной эволюции, на что указывал еще Ч. Дарвин в одном из своих писем.

Таким образом, хотя это и может с первого взгляда показаться парадоксальным, нужно признать, что основной причиной невозможности первичного возникновения жизни сейчас в природных условиях является то, что она уже возникла и благодаря этому на земной поверхности произошло резкое изменение условий, исключающее возможность сколько-нибудь длительной эволюции органических веществ теми путями, какими эта эволюция совершалась в доактуалистическую эпоху существования Земли.

Поэтому мы вынуждены строить наши суждения об этой предшествовавшей появлению жизни органической эволюции, базируясь главным образом на лабораторных экспериментах, в которых искусственно воссоздаются физические и химические условия, когда-то существовавшие на земной поверхности. При этом мы исходим из того общепринятого убеждения, что химические возможности метана или другого органического вещества являются неизменными как в прошлом, так и сейчас, как в первичной земной атмосфере, так и в современной колбе химика. Поэтому, сознательно воспроизводя условия доактуалистической эпохи, мы вправе ожидать результатов, на основании которых можем судить о событиях отдаленного прошлого. Обширные накопленные в настоящее время органической химией данные показывают исключительно высокую реакционную способность углеводородов и их ближайших производных.

В условиях доактуалистической земной поверхности углеводороды могли непосредственно взаимодействовать как между собой, так и с парами воды, аммиаком, сероводородом и другими газами восстановительной атмосферы Земли. При этом скорость такого рода реакций в значительной степени зависела от температуры и в особенности от действия тех или иных неорганических катализаторов.

Очень важную роль в органохимических реакциях того времени должны были играть и внешние источники энергии: в первую очередь коротковолновый ультрафиолетовый свет, затем радиоактивные излучения и, наконец, искровые и тихие разряды в атмосфере.

Использование этих источников энергии в лабораторных условиях, имитирующих условия первичной земной поверхности, позволило в многочисленных экспериментах синтезировать очень большое число биологически важных веществ, причем исходными для этих синтезов являлись такие примитивные соединения, как метан, аммиак и пары воды, а также некоторые легко возникающие из них ближайшие производные, как, например, циан, формальдегид, ацетальдегид и др.

Общее число опубликованных в этом направлении работ в настоящее время очень велико. Многие из этих работ докладывались на Московском симпозиуме по возникновению жизни на Земле в 1957 г., на конференции по возникновению предбиологических систем во Флориде в 1963 г. и на коллоквиуме по биогенезу в Париже в 1965 г.

В основном большинство работ такого рода посвящено синтезу аминокислот и нуклеотицов, т. е. тех молекулярных кирпичей, из которых при их полимеризации синтезируются белки и нуклеиновые кислоты.

Здесь прежде всего нужно назвать широко известные в настоящее время опыты С. Миллера, который, пропуская в специально сконструированном им для этой цели приборе тихие разряды через газовую смесь метана, аммиака, водорода и паров воды, синтезировал разнообразные органические соединения, в частности аминокислоты — эти важнейшие компоненты белковой молекулы.

Аналогичные опыты были осуществлены Т. Павловской и А. Пасынским, получившими ряд аминокислот при воздействии на смесь примитивных углеродистых соединений коротковолновых ультрафиолетовых лучей, которые должны были глубоко проникать в доактуалистическую атмосферу Земли вследствие отсутствия в ней свободного кислорода. Ряд других исследователей

(П. Абельсон, К. Харада, С. Фокс и пр.) синтезировали также аминокислоты и образующиеся из них полипептиды при воспроизведении в лабораториях тех условий, которые имели место в начальные периоды существования нашей планеты.

В связи с этими работами нужно вкратце затронуть уже давно дискутируемый вопрос о возможности первичного асимметрического синтеза.

В процессе постепенного усложнения органических молекул они на определенной ступени этого усложнения приобретают новое, отсутствовавшее ранее качество — дисимметрию. Так, например, метан и его ближайшие производные — метиловый спирт, формальдегид, метиламин —- не обладают этим качеством. Оно отсутствует даже у простейшей аминокислоты — гликокола. Но уже все остальные более сложные аминокислоты наделены этим качеством.

Оно выражается в том, что обладающее дисимметрией органическое вещество существует в двух очень похожих друг на друга формах. Их молекулы включают в себя одни и те же атомы и атомные группировки, но эти группировки по-разному расположены в пространстве. Если какой-либо радикал одной формы расположен вправо, то такой же точно радикал второй формы расположен влево и наоборот.

Простой моделью таких дисимметрических молекул могут служить две наши руки. Если мы положим их перед собой ладонями вниз, то увидим, что при всем своем сходстве правая и левая рука отличаются одна от другой расположением отдельных частей. Если большой палец правой руки направлен влево, то такой же палец на левой руке направлен вправо и т. д. Таким образом, каждая рука является как бы зеркальным изображением другой.

При обычном искусственном синтезе органических веществ в наших лабораториях всегда получается равномерная смесь обеих форм дисимметрических молекул (так называемый рацемат). Это вполне понятно, так как образование той или иной формы — правого или левого антипода — при химической реакции зависит от того, который из двух атомов, расположенных вправо или влево от плоскости симметрии, будет замещен новыми атомными группировками. Но из самого понятия симметрии вытекает, что оба эти атома находятся под влиянием совершенно тождественных сил. Поэтому вероятность образования того или другого антипода совершенно одинакова, а так как при химических реакциях во взаимодействие приходит такое количество молекул, к которому вполне применим закон больших чисел, то возникновение избытка одного из антиподов является совершенно невероятным, и мы, действительно, его никогда не наблюдаем в условиях неживой природы и при лабораторных синтезах. В частности, например, при синтезе Миллера всегда происходит образование рацемата аминокислот.

Напротив, в Живых организмах аминокислоты, входящие в состав естественных белков, нацело представлены только левыми антиподами. Вообще, как правило, если данный организм синтезирует вещество с дисимодетрической молекулой, то он почти всегда образует только одну его форму. Эта способность протоплазмы избирательно синтезировать и накапливать только один антипод обозначается как асимметрия живого вещества. Она является характернейшим признаком всех без исключения организмов, но отсутствует в неживой природе.

На это обстоятельство указывал еще Л. Пастер. «Этот признак,— писал он,— является, может быть, единственной резкой границей, которую можно в настоящее время провести между химией мертвой и живой природы» Уже в начале XX в. было показано, что асимметрические синтезы осуществляются в живых существах не иначе, как только при наличии в них уже ранее существовавшей асимметрии. Поэтому, естественно, вставал вопрос о том, как же могла первично возникнуть асимметрия и вообще возможна ли она до появления жизни. В свое время Ф. Джепп опубликовал сильно нашумевшую тогда статью «Стереохимия и витализм», в которой он категорически отрицал всякую возможность первичного асимметрического синтеза вне живых организмов. Асимметрия, по мнению Джеппа, есть результат действия «жизненной силы», и наделенное ею вещество может, как и живое существо, появляться только путем рождения от того же вещества.

Однако позднее это положение было опровергнуто экспериментально. Первичный асимметрический синтез был фактически осуществлен в лабораторных условиях путем применения фотохимических реакций, вызываемых воздействием циркулярно поляризованного ультрафиолетового света. Это наводит на мысль, что и в синтезах, аналогичных тем, которые производили Т. Павловская и А. Пасынский, можно было бы получить характерные для живых существ асимметрические аминокислоты, если бы применить для этих синтезов циркулярно поляризованный ультрафиолетовый свет. Показано, что такого рода свет действительно существовал и в природных условиях на еще безжизненной Земле, а следовательно, и здесь могли абиогенно возникать асимметрические аминокислоты.

Сейчас известны и другие возможные пути первичного образования асимметрических веществ вне живой природы. В частности, недавно Дж. Бернал высказал предположение, что асимметрия органических веществ могла возникнуть первично до появления жизни на Земле вследствие того, что синтез этих веществ происходил на поверхности несимметрических (правых или левых) кристаллов кварца, что нашло свое экспериментальное подтверж-

1 L. Pasteur. Uber die Aaymmetrie bei natUrlich vorkommenden organischen Verbin-dungen, Ostwald's Klassiker, N 28, Leipzig, 1907.

доние в опытах А. Терентьева и Е. Клабуновского. Таким образом, если в начале нашего века мнимая невозможность первичного асимметрического синтеза органических веществ представлялась непреодолимым препятствием на путях возникновения жизни, то сейчас этот барьер преодолен. В неорганической природе мы встречаемся с рядом факторов, которые могли обусловить возникновение свойственных живым существам асимметрических органических веществ и до появления жизни на нашей планете. Однако в последнее время Г. Уолд высказывает сомнение в том, что любой из названных выше факторов сам по себе может создать условия для возникновения устойчивой асимметрии. По его мнению, геохимические синтезы органических молекул производили только рацемические смеси, из которых отдельные оптические изомеры были отобраны в процессе формирования структур более высокого порядка, например белковых а-спиралей.

Наряду с исследованиями по абиогенному синтезу аминокислот в настоящее время опубликовано также большое число работ по аналогичному образованию нуклеотидных компонентов.

Особый интерес в этом отношении представляют широко развернувшиеся за последнее время лабораторные опыты Ж. Оро и ряда других ученых по абиогенному синтезу пуриновых и пиримидиновых оснований, рибозы и дезоксирибозы, т. е. тех компонентов, из которых образуются отдельные звенья молекулярных цепочек, лежащих в основе нуклеиновых кислот.

Дальнейшие лабораторные исследования ряда авторов весьма убедительно показали, что в условиях, царивших на поверхности доактуалистической Земли, аминокислоты и мононуклеотиды должны были полимеризоваться — соединяться между собой в длинные молекулярные цепочки, что приводило к образованию высокомолекулярных веществ типа белков и полинуклеотидов.

Особую роль в процессах первичной полимеризации играли, по-видимому, фосфорные соединения. При температуре около 300° и выше фосфорная кислота полностью конденсируется с образованием полифосфатов. Поэтому на поверхности примитивной Земли, где наподобие современных вулканов происходили многочисленные местные разогревы, полифосфаты и их органические соединения должны были образовываться в довольно широком масштабе. Г. Шрамм и его сотрудники провели при помощи эстерифициро-ванных полифосфатов многочисленные синтезы белковоподобных и полинуклеотидных соединений. К. Понамперума с помощью тех же полифосфатов и с использованием коротковолнового ультрафиолетового света осуществил абиогенный синтез аденозинтри-фосфорной кислоты — соединения с повышенным содержанием энергии; этот синтез является очень важным в том отношении, что аденозинтрифосфорная кислота является основным непосредственным источником энергии у всех современных организмов, так сказать, их основной энергетической валютой.

Таким образом, в настоящее время мы располагаем весьма убедительными наблюдениями и многочисленными экспериментальными данными, позволяющими считать, что в определенный период доактуалистической эпохи существования нашей планеты водоемы земной гидросферы содержали в себе наряду с водным раствором неорганических солей также и разнообразные органические вещества — простые и сложные мономеры и полимеры, а также богатые энергией соединения, способные вступать в многочисленные взаимодействия между собой. Этот своеобразный «первичный бульон» все время изменялся, эволюционировал, как в целом, так и в отдельных своих частях. Содержание в нем органических веществ, с одной стороны, постоянно пополнялось за счет эндогенных и экзогенных источников углеродистых соединений (земной коры, метеоритов и комет), а с другой — убывало в результате их частично идущего глубокого распада. В связи с этим концентрация растворенных в воде органических веществ очень сильно варьировала как в целом, так и в особенности в отдельных более или менее изолированных водоемах, где она могла, наприме

страница 5
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Скачать книгу "Жизнь, ее природа, происхождение и развитие" (3.44Mb)


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

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(25.06.2017)