Современные представления о возникновении жизни - ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ

Первичная атмосфера Земли и химические предпосылки возникновения жизни. Придерживаясь изложенной в предыдущем параграфе точки зрения на происхождение планетных систем, можно сделать достаточно обоснованные оценки элементного состава первичной атмосферы Земли. Частично современные взгляды основываются, конечно, на огромном преобладании в космосе водорода; оно обнаруживается также и в Солнце. В таблице 21.1 приведен элементный состав звездного и солнечного вещества.

Таблица 21.1

Элементный состав звездного и солнечного вещества, %

Предполагается, что атмосфера первичной Земли, имевшей большую среднюю температуру, была примерно такова: до гравитационной потери водород составлял большую ее часть, а главными молекулярными составляющими были метан, вода и аммиак.

Начальная атмосфера Земли могла изменяться в результате самых различных процессов, в первую очередь в результате диффузионного ускользания водорода и гелия, составлявших значительную ее часть. Эти элементы — самые легкие, и они должны были утрачиваться из атмосферы, ибо гравитационное поле нашей планеты мало в сравнении с полем планет-гигантов. Большая часть начальной атмосферы Земли должна была быть утеряна за очень короткое время; поэтому предполагается, что многие газы более поздней земной атмосферы были захоронены в недрах Земли и выделились в нее в результате постепенного разогрева земных пород. Первичную атмосферу Земли, вероятно, составляли органические вещества того же рода, которые наблюдаются в кометах: молекулы со связями углерод—водород, углерод—азот, азот- водород и кислород—водород. Помимо них при гравитационном разогреве земных недр, вероятно, появлялись также водород, метан, окись углерода, аммиак, вода и т.д. Таковы те вещества, с которыми проведено большинство экспериментов по моделированию первичной атмосферы.

Что же могло в действительности происходить в условиях первичной Земли? Для того чтобы определить это, необходимо знать, какие виды энергии вероятнее всего воздействовали на ее атмосферу.

Источники энергии и возраст Земли. Развитие и преобразование материи без притока энергии невозможно. Рассмотрим те источники энергии, которые обусловливают дальнейшую эволюцию веществ уже не в космосе, а на нашей планете — на Земле.

Оценить роль источников энергии нелегко; при этом необходимо учитывать неравновесность условий, охлаждение продуктов реакции и степень их экранирования от источников энергии.

По-видимому, любые источники энергии (табл. 21.2) оказывали значительное влияние на преобразование веществ на нашей планете. Как это происходило? Конечно, свидетельств объективного характера просто не существует. Однако процессы, протекавшие на нашей Земле в глубокой древности, можно смоделировать. Во-первых, необходимо определить временные границы, а во-вторых, воспроизвести с возможной точностью условия в каждой из обсуждаемых эпох существования планеты.

Таблица 21.2

Возможные источники энергии для первичной химической эволюции

Для обсуждения вопросов о происхождении жизни на Земле помимо знания источников энергии, необходимых для преобразования материи, нужно иметь и достаточно четкое представление о времени этих преобразований.

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 году американские ученые Г. Юри и С. Миллер подвергли смесь метана, аммиака, водорода и воды действию электрических разрядов (рис. 21.2). Впервые с помощью такого эксперимента среди полученных продуктов были идентифицированы аминокислоты (глицин, аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты).

Рис. 21.2. Аппарат С. Миллера (вверху) и органические молекулы, полученные абиогенным путем

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. Ниже приводятся основные условия на первобытной Земле, принятые во внимание исследователями.

Первичная литосфера

В молекулярной эволюции только кора Земли сыграла важную роль. Состав коры: Аl, Са, Fе, Мg, Nа, К и другие элементы.

Уровень геологических знаний не позволяет сделать убедительных выводов об изменении состава земной коры во времени.

Первичная гидросфера

На поверхности первичной Земли находилось менее 10% объема воды сегодняшних океанов.

Среда первичного океана — слабощелочная (рН = 8 — 9).

Первичная атмосфера

Первая атмосфера Земли состояла из водорода, который “ушел” в космическое пространство; вторая (известная как первичная) образовалась из вулканических газов. Было предложено три варианта состава первичной атмосферы:

а) восстановительная: СН₄, NН_з, Н₂O, Н₂ (с высоким содержанием NНз);

б) нейтральная: СН₄, N₂, Н₂O;

в) слабоокислительная: СO₂, СН₄, NН₃, N₂, Н₂O (с низким содержанием NH_з).

Расчеты, в которых учитывались “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 х 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, пиримидины, порфирины, нуклеотиды и т.д.

Следующим этапом химической эволюции является возникновение более сложных соединений из простых органических молекул. Поэтому 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) и необходимость ее присутствия во всех живых организмах обусловили термодинамический барьер на пути возникновения протобиополимеров в процессе поликонденсации. Так, для образования в водных растворах пептидной связи согласно реакции:

необходимы затраты энергии 2 — 4 ккал. Этот термодинамический барьер еще выше при получении белковых молекул в водных растворах. Следовательно, для синтеза макромолекул из “биомономеров” требуется привлечение специфических методов удаления воды.

Опорные точки

• Первичная атмосфера Земли состояла преимущественно из водорода и его соединений.

• Земля находится на оптимальном расстоянии от Солнца и получает достаточное количество энергии для поддержания воды в жидком состоянии.

• В водных растворах за счет различных источников энергии возникают небиологическим путем простейшие органические соединения.

Вопросы и задания для повторения

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 Г. Юри.

Вопросы для обсуждения

1. Какие, по вашему мнению, источники энергии преобладали на древней Земле? Как можно объяснить неспецифическое влияние различных источников энергии на процессы образования органических молекул?

2. Как Г. Юри и С. Миллеру удалось рассчитать параметры своего эксперимента? Как бы вы подошли к этому вопросу? Из каких предпосылок исходили?