Химическая (пребиотическая) эволюция

Скачать 136.5 Kb. Название Химическая (пребиотическая) эволюция Анкор Химическая (пребиотическая) эволюция.doc Дата 15.12.2017 Размер 136.5 Kb. Формат файла Имя файла Химическая (пребиотическая) эволюция.doc Тип Документы #12454

Химическая (пребиотическая) эволюция Химическая эволюция — это совокупность процессов, протекавших в Космосе и на ранних этапах существования Земли, приведших к возникновению жизни. Также этими терминами обозначается теория возникновения и развития тех молекул, которые имеют принципиальное значение для возникновения и развития живого вещества. Всё, что известно о химизме вещества, позволяет ограничить проблему химической эволюции рамками так называемого «водно-углеродного шовинизма», постулирующего, что жизнь в нашей Вселенной представлена в единственно возможном варианте: в качестве «способа существования белковых тел», осуществимого благодаря уникальному сочетанию полимеризационных свойств углерода и деполяризующих свойств жидко-фазной водной среды, как совместно необходимых и/или достаточных(?) условий для возникновения и развития всех известных нам форм жизни. При этом подразумевается, что, по крайней мере, в пределах одной сформировавшейся биосферы может существовать только один, общий для всех живых существ данной биоты код наследственности, но пока остаётся открытым вопрос, существуют ли иные биосферы вне Земли и возможны ли иные варианты генетического аппарата. Также неизвестно, когда и где началась химическая эволюция. Возможны любые сроки по окончании второго цикла звёздообразования, наступившего после конденсации продуктов взрывов первичных сверхновых звезд, поставляющих в межзвездное пространство тяжелые элементы (с атомной массой более 26). Второе поколение звёзд, уже с планетными системами, обогащенными тяжёлыми элементами, которые необходимы для реализации химической эволюции появилось через 0,5—1,2 млрд. лет после Большого взрыва. При выполнении некоторых вполне вероятных условий, для запуска химической эволюции может быть пригодна практически любая среда: глубины океанов, недра планет, их поверхности, протопланетные образования и даже облака межзвёздного газа, что подтверждается повсеместным обнаружением в космосе методами астрофизики многих видов органических веществ — альдегидов, спиртов, сахаров и даже аминокислоты глицина, которые вместе могут служить исходным материалом для химической эволюции, имеющей своим конечным результатом возникновение жизни. 1. Абиогинез Абиогенез — образование органических соединений, распространённых в живой природе, вне организма без участия ферментов. В начале XIX века в развитии химии был достигнут большой прогресс. Переосмысленная атомная теория строения вещества помогла понять сложный состав большинства найденных в природе веществ. Оставалась одна проблема — казалось, что многие молекулы существуют только в биологических системах. Поэтому химики заговорили о так называемой «жизненной силе», присущей только живым организмам. Считалось, что благодаря этой силе возникают молекулы, которые не могут быть воспроизведены в неживой природе. Типичным примером таких органических молекул может служить вещество под названием мочевина. Молекулы мочевины имеют химическую формулу CO(NH2)2. С их помощью у большинства животных происходит выделение неусвоенного азота, поступившего с пищей. К примеру, человеческая моча содержит 2–5% мочевины. В 1828 году Фридрих Вёлер совершил важный прорыв, синтезировав мочевину в лаборатории из стандартных химикатов. Его открытие было убедительным доказательством того, что для создания органических молекул не требуется никакой жизненной силы и что они образуются по тем же законам, что и любые другие молекулы. После работ Вёлера понятие жизненной силы полностью исчезло со сцены. В 20-х годах XX века академик Опарин предположил, что в растворах высокомолекулярных соединений могут самопроизвольно образовываться зоны повышенной концентрации, которые относительно отделены от внешней среды и могут поддерживать обмен с ней. Он назвал их Коацерватные капли, или просто коацерваты. В 1953 году Стэнли Миллером экспериментально осуществлён абиогенный синтез аминокислот и других органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли. Существует также теория гиперциклов, согласно которой первые проявления жизни были связаны с т. н. гиперциклами — комплексами сложных каталитических реакций, в которых продукт каждой предыдущей реакции является катализатором для последующей. Биомолекулы из космоса Земля все время своего существования подвергается бомбардировке кометами и метеоритами. Особенно интенсивными они были сразу после образования планеты. В некоторых метеоритах были обнаружены простые органические соединения, среди прочих аминокислоты. Одним из возможных доказательств происхождения аминокислот в космосе могла бы быть одинаковая хиральность органических соединений (L-аминокислот и D-сахаров) — у метеоритных аминокислот доказано преобладание L-типа до 9 %. Но это распределение может быть объяснено и действием неорганических жировых катализаторов. С помощью опытов, при которых симулировались условия космоса, было доказано, что основные органические соединения, в особенности аминокислоты, могут образовываться и в таких условиях. В 2008 году американские биологи сделали важный шаг к пониманию начальных этапов зарождения жизни. Им удалось создать «протоклетку» с оболочкой из простых липидов и жирных кислот, способную втягивать из окружающей среды нуклеотид-монофосфаты, активированные имидазолом — «кирпичики», необходимые для синтеза ДНК. В 2011 году японские учёные сообщили, что им удалось создать везикулы с катионной оболочкой и элементами ДНК внутри, способную к делению в результате полимеразной цепной реакции, реплицирующей ДНК. Абиогенез состоит из 3-х основных этапов развития жизни: 1. Абиогенное возникновение биологических мономеров. 2. Образование биологических полимеров. 3. Формирование мембранных структур и первичных организмов (пробионтов). Абиогенное, или небиологическое, возникновение органических молекул из неорганических доказывали ещё в 1924г. русский учёный академик Александр Иванович Опарин (1894 – 1980) и в 1929г. английский естествоиспытатель Джон Холдейн (1892 – 1964). Они исходили из того, что на первых этапах формирования Земля имела очень высокую температуру. По мере остывания планеты тяжелые металлы перемещались к ее центру, а более легкие оставались на поверхности. Атмосфера состояла из свободного водорода и его соединений (H2O, CH4, NH3, HCN), что служило предпосылкой возникновению органических молекул небиологическим путем. До начала 20в. многие ученые предполагали, что такие соединения могут возникать только в живых организмах, их называли органическими веществами в противоположность веществам неживой природы – минералам, названным неорганическими соединениями. Образование биологических полимеров. По мере смягчения условий на Земле стало возможным образование сложных органических соединений – полимеров. Не исключено, что синтез полимеров катализировался на поверхности минеральных глин. Экспериментально показано, что раствор аминокислоты аланина в водной среде в присутствии особого вида глинозема и АТФ может давать полимерные цепочки полиаланина. Органические молекулы имеют большую молекулярную массу и сложную пространственную конфигурацию. Такие высокомолекулярные комплексы, окруженные водной оболочкой, могут объединяться в коацерваты. Дальнейшая прогрессивная эволюция предбиологических структур могла происходить только при усложнении обменных процессов и в условиях пространственного разделения различных синтетических и энергетических процессов внутри коацерватов. Более прочную изоляцию внутренней среды от внешних воздействий могла осуществить лишь биологическая мембрана. Формирование мембранных структур и первичных организмов (пробионтов). Вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои липидов, отделивших коацерват от окружающей водной среды. Липиды преобразовались в ходе эволюции в наружную мембрану, существенно повысившую жизнеспособность и устойчивость организмов. Возникновение мембраны, обладающей способностью к избирательной проницаемости, содействовало развитию все более совершенных саморегулирующихся систем вплоть до возникновения первых клеток. Появляются первые примитивные безъядерные клетки – прокариоты. Первые живые организмы были гетеротрофными, они использовали в качестве энергии (пищи) органические соединения, находящиеся в растворенном виде в водах первичного океана. 2. Биомолекулы Это органические вещества, которые синтезируются живыми организмами. В состав биомолекул включают белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, а также более мелкие компоненты обмена веществ. Биомолекулы состоят из атомов углерода, водорода, азота, кислорода, а также фосфора и серы. Другие атомы входят в состав биологически значимых веществ значительно реже. Биологические молекулы имеют модульное строение. То есть из набора простых молекул можно собирать самые разнообразные молекулы большего размера, сочетая модули тем или иным образом. Белки Основной структурной единицей белков являются молекулы аминокислот. Чтобы понять, что такое аминокислота, представьте себе совокупность атомов, у которых с одной стороны наружу выступает водород, с другой — соединенные между собой кислород и водород, а посередине расположены разнообразные другие компоненты. Подобно тому как бусины нанизываются на нить, из этих аминокислот собираются белки — ион водорода (Н+) одной аминокислоты объединяется с ионом гидроксила (ОН–) другой аминокислоты с образованием молекулы воды. (Представьте, как каждый раз при соединении двух аминокислотных молекул между ними пробегает капелька воды.) Среди белков самую важную роль играют белки-ферменты (см. Катализаторы и ферменты), регулирующие химические реакции в клетках; но белки также являются важными структурными компонентами живых организмов. Например, ваши волосы и ногти состоят из белков. Углеводы Углеводы содержат кислород, водород и углерод в соотношении 1:2:1. Во многих живых системах молекулы углеводов выполняют роль источников энергии. Одним из важнейших углеводов можно считать сахар глюкозу, содержащую шесть атомов углерода (С6Н12О6). Глюкоза — конечный продукт фотосинтеза и, следовательно, основа всей пищевой цепи в биосфере. Соединяя молекулы глюкозы, как основные строительные модули, можно получить сложные углеводы. Как и белки, углеводы играют вспомогательную роль в клетках, поскольку входят в клеточные структуры. Например, растительные волокна состоят из целлюлозы, которая представляет собой вереницу сцепленных особым образом молекул глюкозы. Липиды Липиды — это нерастворимые в воде органические молекулы. Вы получите правильное представление о липидах, если вообразите капельки жира, плавающие на поверхности бульона. В живых организмах липиды выполняют две важные функции. Один класс молекул — фосфолипиды — состоят из маленькой головки, содержащей фосфатную группу (атом фосфора, соединенный с четырьмя атомами кислорода), и длинного углеводородного хвоста. Углеводородный хвост этой молекулы гидрофобен, то есть энергетическое состояние молекулы минимально, когда этот хвост находится не в воде. Напротив, фосфатная головка гидрофильна, то есть энергетическое состояние молекулы минимально при контакте головки с водой. Если поместить молекулы фосфолипидов в воду, они будут стремиться достичь минимального энергетического состояния и выстроятся таким образом, что их хвосты окажутся вместе, а головки — врозь. Такая двухслойная структура очень стабильна, поскольку головки будут в контакте с водой, но вода будет вытеснена из области, окружающей хвосты молекул. Для перемещения липидным молекулам необходима энергия — либо чтобы удалить гидрофильные участки из воды, либо чтобы поместить в воду гидрофобные участки. Из таких липидных двухслойных структур состоят клеточные мембраны и мембраны, разделяющие компоненты клетки. Эти пластичные и прочные молекулы отделяют живое от неживого. Кроме того, в липидах запасается энергия. Липиды могут накапливать примерно вдвое больше энергии на единицу массы, чем углеводы. Вот почему, когда вы переедаете и ваш организм хочет запасти энергию на случай непредвиденных обстоятельств в будущем, когда пищи не будет, он станет запасать ее в форме жира. На этом простом факте строится многомиллиардная индустрия диетических продуктов. Нуклеиновые кислоты Молекулы ДНК и РНК (см. Центральная догма молекулярной биологии) переносят информацию о химических процессах, идущих в клетке, и участвуют в передаче содержащейся в ДНК информации в цитоплазму клетки. В ДНК живого организма закодированы белки-ферменты, которые катализируют все химические реакции, происходящие в этом организме. Молекулы-переносчики энергии Жизнедеятельность требует затрат энергии. В частности, нужно, чтобы энергия, произведенная в одном месте, могла быть использована в другом. Эту функцию в клетке осуществляет целая армия специализированных молекул. Пожалуй, самые важные из них — аденозин трифосфат (АТФ) и аденозин дифосфат (АДФ). Обе молекулы устроены так: группа из атомов углерода, водорода и азота (она называется аденин) присоединена к молекуле рибозы (это сахар), и все это вместе крепится к хвосту из фосфатов. Из названий молекул понятно, что в хвосте АДФ содержится два фосфата, а в хвосте АТФ — три. Когда в клетке происходит химический процесс, например фотосинтез, образующаяся энергия идет на присоединение третьего фосфата к хвосту АДФ. Полученная молекула АТФ затем переносится в другие части клетки. Там запасенная энергия может быть использована в других химических процессах: она выделяется при отщеплении последнего фосфата от АТФ, в результате чего АТФ вновь превращается в АДФ. Как мы уже упоминали, существуют и другие молекулы, которые переносят энергию в клетке. Набор таких молекул чем-то напоминает разные варианты оплаты счетов. Вы можете выбрать наличные, банковский перевод, кредитную карту и т. д. — в зависимости от того, какой способ вам удобнее. Так же и клетка для поддержания своей жизнедеятельности может использовать АТФ (эквивалент наличных денег) или любую другую из большого набора более сложных молекул. 3. Развитие древней атмосферы Развитие земной атмосферы является частью химической эволюции и к тому же важным элементом истории климата. Сегодня её разделяют на четыре важные ступени развития. Вначале происходило образование химических элементов в космосе и появление из них земли — приблизительно 4,56 миллиардов лет назад. Предположительно наша планета уже довольно рано имела атмосферу из водорода (H2) и гелия (He), которая, однако, была снова потеряна в космическое пространство. Астрономы исходят также из того, что из-за относительно высоких температур и эффектов солнечного ветра на земле и других близлежащих к солнцу планетах могло остаться только небольшое количество лёгких химических элементов (включая углерод, азот и кислород). Все эти элементы, составляющие сегодня основную часть биосферы, были занесены, по этой теории, ударами комет из более внешних участков солнечной системы лишь через большой промежуток времени, когда протопланеты немного остыли. В течение первых нескольких миллионов лет после возникновения солнечной системы постоянно повторялись столкновения с небесными телами, вызванные ими коллизии уничтожали глобальными стерилизациями образованные в это время живые системы. Поэтому появление жизни смогло начаться только после накопления воды за длительное время хотя бы в самых глубоких впадинах. С медленным остыванием земли, вулканической деятельностью (выделение газов из недр земли) и глобальным распределением материалов упавших комет возникла вторая атмосфера земли. Скорее всего, она состояла из водяного пара (H2O до 80 %), углекислого газа (CO2; до 20 %), сероводорода (до 7 %), аммиака и метана. Высокий процент водяного пара объясняется тем, что поверхность земли была на тот момент ещё слишком горяча для образования морей. Прежде всего из воды, метана и аммиака в условиях молодой земли могли образоваться небольшие органические молекулы (кислоты, спирты, аминокислоты), позднее также органические полимеры (полисахариды, жиры, полипептиды), которые были нестабильны в кислотной атмосфере. После охлаждения атмосферы ниже температуры кипения воды наступил очень длительный период выпадения дождей, которые и образовали океаны. Насыщенность других газов атмосферы относительно водяного пара повысилась. Интенсивное ультрафиолетовое облучение обусловило фотохимический распад воды, метана и аммиака, в результате чего накопились углекислый газ и азот. Лёгкие газы — водород и гелий — уносились в космос, углекислый газ растворялся в больших количествах в океане, увеличивая кислотность воды. Значение pH упало до 4. Инертный и малорастворимый азот N2 накапливался со временем и образовывал около 3,4 миллиардов лет назад основную составляющую атмосферы. Выпадение в осадок прореагировавшего с ионами металлов растворенного углекислого газа (карбонаты) и дальнейшее развитие живых существ, которые ассимилировали углекислый газ, привело к уменьшению CO2-концентрации и повышению значения pH в водоёмах. Кислород O2 играет важнейшую роль в дальнейшем развитии атмосферы. Он образовался с появлением способных к фотосинтезу живых существ, предположительно цианобактерий (сине-зелёных водорослей) или им подобных прокариотов. Ассимиляция ими углекислого газа привела к дальнейшему понижению кислотности, насыщенность атмосферы кислородом оставалась всё-таки довольно низкой. Причина этого — незамедлительное использование растворенного в океане кислорода для окисления двухвалентных ионов железа и других окисляемых соединений. Около двух миллиардов лет назад этот процесс завершился, и кислород стал постепенно накапливаться в атмосфере. Очень реакционноспособный кислород легко окисляет восприимчивые органические биомолекулы и становится таким образом фактором отбора окружающей среды для ранних организмов. Только немногие анаэробные организмы смогли переместиться в свободные от кислорода экологические ниши, другая часть выработала ферменты (например, каталазы), которые делают кислород не опасным. В некоторых микроорганизмах из подобных энзимов развились комплексные мембранные энзимы — конечные оксидазы, которые метаболически использовали присутствующий кислород для накопления энергии необходимой для роста собственной клетки — конечная стадия окисления в аэробной цепи дыхания. В зависимости от организма имеются различные формы конечных оксидаз, например хинол-оксидаза или цитохром C — оксидаза, которые различаются активными центрами, содержащими ионы меди и гемы. Это даёт основание полагать, что они произошли различными параллельными путями развития. Во многих случаях в одном организме встречаются различные типы конечных оксидаз. Эти энзимы являются последними в цепи последовательно задействованных комплексов энзимов, которые энергию окислительно-восстановительных процессов сохраняют переносом протонов или ионов натрия в форме трансмембранного электрического потенциала. Последний другим комплексом энзимов преобразовывается снова в химическую энергию в форме АТФ. Синтез АТФ и прочих компонент цепи дыхания в эволюционном свете значительно старше конечных оксидаз, так как они играли важную роль уже во многих аэробных процессах обмена веществ (аэробное дыхание, многие процессы брожения, метаногенез), а также при аноксигенном и оксигенном фотосинтезе. Миллиард лет назад содержание кислорода в атмосфере перешагнуло планку одного процента и спустя несколько миллионов лет был образован озоновый слой. Сегодняшнее содержание кислорода в 21 % было достигнуто лишь 350 миллионов лет назад и сохраняется с тех пор стабильным. 4. Значение воды для возникновения и сохранения жизни H2O — химическое соединение, присутствующее при обычных условиях во всех трёх агрегатных состояниях. Для жизни, как мы её знаем (или определяем), нужна вода как универсальный растворитель. Вода имеет комплекс качеств, которые делают жизнь возможной. Нет данных, что жизнь может возникать и существовать независимо от воды и принято считать, что только наличие воды в жидкой фазе (в определённой области или на определённой планете), делает вероятным возникновение там жизни. Для синтеза сложных молекул и соблюдения граничных условий автокаталитических реакций между ними (что обеспечивает принципиальную возможность перехода от химической эволюции к эволюции живого вещества), важны следующие характеристики воды: Вода находится в жидком состоянии при температуре, в которой стабильны органические молекулы и их синтез возможен только в водных растворах. Вода необходима как деполяризующий растворитель для химических реакций, так как она делает возможным гомогенное перемешивание, а имея высокую теплоёмкость, принимает выделяющуюся при реакциях теплоту и предоставляет в распоряжение протоны для катализов. Высокая удельная теплоемкость воды, сосредоточенной в океане и особенности характеристики спектрального поглощения водяных паров (при их значимых долях в объёме атмосферы) обеспечивают стабилизацию глобальных колебаний температуры и осмотических процессов (локально могут возникать большие различия), что создаёт предпосылки к планетарно-уравновешенному климату, неблагоприятные изменения которого (для живого вещества), вызванные как энтропийными процессами, так и внешними неблагоприятными факторами, могут быть в определённых пределах скомпенсированы жизнедеятельностью самой биосферы, как целого, изменяющей интенсивность испарения воды, и тем самым, планетарного альбедо и, что может быть ещё более важно — изменяя концентрацию в атмосфере водяного пара, главного по значению парникового газа. Вода и водяной пар поглощают вредное для макромолекул ультрафиолетовое облучение. Однако оно проникает через замёрзшую воду (лед) до определённой глубины. Вода, в которой растворены вещества, например, морская вода, образует при вымораживании области разных концентраций веществ, которые окружены мембранами льда (см. гипотеза морского льда). Ограничение от внешней среды и повышенная концентрация веществ считаются необходимыми для образования биологически активных молекул. Особенность термодинамики воды (при нагревании от 0 до 3,98 °С вода сжимается) предотвращает замерзание водоёмов до дна — холодная вода, как менее плотная, остаётся на поверхности и замерзает, а подо льдом вода имеет положительную температуру, что сохраняло жизнь на Земле в эпохи глобальных оледенений. 5. Эксперимент Миллера — Юри Это известный классический эксперимент, в котором симулировались гипотетические условия раннего периода развития Земли для проверки возможности химической эволюции. Фактически это был экспериментальный тест гипотезы, высказанной ранее Александром Опариным и Джоном Холдейном, о том, что условия, существовавшие на примитивной Земле, способствовали химическим реакциям, которые могли привести к синтезу органических молекул из неорганических. Был проведён в 1953 году Стэнли Миллером и Гарольдом Юри. Аппарат, спроектированный для проведения эксперимента, включал смесь газов, соответствующую тогдашним представлениям о составе атмосферы ранней Земли, и пропускавшиеся через неё электрические разряды. Эксперимент Миллера — Юри считается одним из важнейших опытов в исследовании происхождения жизни на Земле. Первичный анализ показал наличие в конечной смеси 5 аминокислот. Однако более точный повторный анализ, опубликованный в 2008 году, показал, что эксперимент привёл к образованию 22 аминокислот. Идея эксперимента Миллера была простой: в полуподвальной лаборатории он воспроизвел атмосферу древнейшей Земли, какой она была по мнению ученых, и со стороны наблюдал за тем, что происходит. При поддержке Юри он собрал простой аппарат из стеклянной сферической колбы и трубок, в котором испарявшиеся вещества циркулировали по замкнутому контуру, охлаждались и вновь поступали в колбу. Миллер заполнил колбу газами, которые, по мнению Юри и русского биохимика Александра Опарина (1894–1980), присутствовали в атмосфере на заре формирования Земли, — водяным паром, водородом, метаном и аммиаком. Чтобы сымитировать солнечное тепло, Миллер нагревал колбу на бунзеновской горелке, а чтобы получить аналог вспышек молний — вставил в стеклянную трубку два электрода. По его замыслу, материал, испаряясь из колбы, должен был поступать в трубку и подвергаться воздействию электрического искрового разряда. После этого материал должен был охлаждаться и возвращаться в колбу, где весь цикл начинался вновь. После двух недель работы системы жидкость в колбе стала приобретать темный красно-коричневый оттенок. Миллер провел анализ этой жидкости и обнаружил в ней аминокислоты — основные структурные единицы белков. Так у ученых появилась возможность изучать происхождение жизни с точки зрения основных химических процессов. Начиная с 1953 года с помощью усложненных вариантов эксперимента Миллера—Юри, как стали его с тех пор называть, были получены все виды биологических молекул — включая сложные белки, необходимые для клеточного метаболизма, и жировые молекулы, называемые липидами и образующие мембраны клетки. По-видимому, тот же результат мог бы быть получен и при использовании вместо электрических разрядов других источников энергии — например, тепла и ультрафиолетового излучения. Так что почти не остается сомнений в том, что все компоненты, необходимые для сборки клетки, могли быть получены в химических реакциях, происходивших на Земле в древнейшие времена. Ценность эксперимента Миллера—Юри состоит в том, что он показал, что вспышки молний в атмосфере древней Земли за несколько сот миллионов лет могли вызвать образование органических молекул, попадавших вместе с дождем в «первичный бульон» (см. также Теория эволюции). Не установленные до сих пор химические реакции, происходящие в этом «бульоне», могли привести к образованию первых живых клеток. В последние годы возникают серьезные вопросы по поводу того, как развивались эти события, в частности подвергается сомнению присутствие аммиака в атмосфере древнейшей Земли. Кроме того, предложено несколько альтернативных сценариев, которые могли привести к образованию первой клетки, начиная от ферментативной активности биохимической молекулы РНК и кончая простыми химическими процессами в океанских глубинах. Некоторые ученые даже предполагают, что происхождение жизни имеет отношение к новой науке о сложных адаптивных системах и что не исключено, что жизнь — это неожиданное свойство материи, возникающие скачкообразно в определенный момент и отсутствующее у ее составных частей. В наши дни эта область знаний переживает период бурного развития, в ней появляются и проходят проверку различные гипотезы. Из этого водоворота гипотез должна появиться теория о том, как же возникли наши самые далекие предки. Критика Выводы о возможности химической эволюции, сделанные на основании данного эксперимента, подвергаются критике. Как становится понятным, одним из основных аргументов критиков является отсутствие единой хиральности у синтезированных аминокислот. Действительно, полученные аминокислоты представляли собой практически равную смесь стереоизомеров, в то время как для аминокислот биологического происхождения, в том числе входящих в состав белков, весьма характерно преобладание одного из стереоизомеров. По этой причине дальнейший синтез сложных органических веществ, лежащих в основе жизни, непосредственно из полученной смеси затруднён. По мнению критиков, хотя синтез важнейших органических веществ был явно продемонстрирован, далекоидущий вывод о возможности химической эволюции, сделанный непосредственно из этого опыта, не вполне обоснован. Много позже, в 2001 году, Алан Сагательян показал, что самореплицирующиеся пептидные системы в состоянии эффективно усиливать молекулы определённого вращения в рацемической смеси, показав таким образом, что преобладание одного из стереоизомеров могло возникнуть естественным образом. Кроме того, показано, что существует возможность спонтанного возникновения хиральности в обычных химических реакциях, известны также пути синтеза ряда стереоизомеров, в том числе, углеводородов и аминокислот, в присутствии оптически активных катализаторов. Впрочем, непосредственно в данном эксперименте ничего подобного в явном виде не произошло. Проблему хиральности пытаются решить иными способами, в частности, через теорию занесения органики метеоритами. Биохимик Роберт Шапиро указал, что аминокислоты, синтезированные Миллером и Юри, значительно менее сложные молекулы, чем нуклеотиды. Самая простая из тех 20 аминокислот, что входят в состав природных белков, имеет всего два углеродных атома, а 17 аминокислот из того же набора — шесть и более. Аминокислоты и другие молекулы, синтезированные Миллером и Юри, содержали не более трех атомов углерода. А нуклеотиды в процессе подобных экспериментов вообще никогда не образовывались. 6. Гипотеза мира сульфидов железа Это гипотетический этап возникновения жизни на Земле и ранней эволюции, предложенный Гюнтером Вэхтерсхойзером, юристом из Мюнхена, имеющим так же научную степень по химии. Как следует из названия теории, она предполагает, что жизнь могла зародиться на поверхности кристаллов сульфидов железа. Согласно Вэхтерсхойзеру, самая ранняя форма жизни, названная им «первый организм», зародилась в вулканическом гидротермальном потоке при высоком давлении и высокой (100°С) температуре. Эта форма жизни имела сложную химическую структуру и использовала каталитические центры на основе переходных металлов (преимущественно железа и никеля, но так же, возможно, кобальта, марганца, вольфрама, и цинка). Центры катализировали пути автотрофной фиксации углерода, благодаря чему из неорганических газов (таких как монооксид углерода, диоксид углерода, цианистый водород, и сероводород) образовывались небольшие неполимерные органические молекулы. Эти органические соединения задерживались на поверхности минералов как лиганды центров переходных металлов, обеспечивая тем самым автокаталитический «поверхностный метаболизм». Благодаря присоединению лигандов каталитические центры переходных металлов становились автокаталитическими. А благодаря формированию упрощенной формы цикла трикарбоновых кислот, зависимой от серы, атокаталитическим становился процесс фиксации углерода. Усиленные катализаторы расширяли область действия метаболизма, а новые продукты метаболизма ещё сильнее усиливали катализаторы. Основная идея этой гипотезы состоит в том, что раз будучи запущенным, этот примитивный автокаталитический метаболизм начинает производить все более и более сложные органические соединения и все новые пути каталитических реакций. Основная идея гипотезы мира сульфидов железа состоит в том, что зарождение жизни прошло через следующие стадии: 1) водный поток с растворенными в нём вулканическими газами (н-р монооксид углерода, аммиак и сероводород) нагрелся до 100°С и подвергся высокому давлению. 2) Этот поток прошел через породы переходных металлов (н-р сульфид железа или сульфид никеля. 3) Через некоторое время началось формирование каталитических металлопептидов. 7. Образование макромолекул Биомакромолекулы — это белки и нуклеиновые кислоты. Увеличение молекулярных цепей (полимеризация) нуждается в энергии и происходит с выделением воды (конденсация). При расщеплении макромолекул (гидролиз) энергия выделяется. Так как химическое равновесие настолько сильно смещено в сторону мономеров, что реакция протекает термодинамически необратимо в сторону гидролиза полимеров, синтез полимеров невозможен без постоянного поступления энергии. Даже с помощью теоретической поддержки испарением воды, добавлением солей (связывают воду) или распадом продуктов, равновесие смещается лишь незначительно. В итоге возникновение жизни очень вероятно связано с надёжным источником энергии, который использовался бы для полимеризации. В качестве источника энергии в биохимии используется чаще всего АТФ, для образования которого необходимы уже существующие энзимы. В условиях молодой земли возможно снабжение энергией синтеза полимеров гидролитическим расщеплением полифосфатов, что используется некоторыми энзимами вместо ращепления АТФ и сегодня. Но маловероятно, что полифосфаты были в необходимом количестве, так как они могли спонтанно образовываться, при испарении фосфатосодержащих растворах, но также относительно быстро гидролизироваться, растворяясь в воде. Подобные процессы могли происходить на побережье при регулярном приливе и отливе. Но в этом случае все зависимые от воды процессы постоянно прерывались бы, что слишком замедлило бы синтез комплексных соединений. Поэтому обратимся к совсем другой системе, в которой происходит как синтез мономерных составляющих так и зависимое от постоянного источника энергии образование полимеров, — к анаэробным окислительно-восстановительным реакциям с сульфидами металлов. Равновесие синтеза полимеров смещается в сторону образования полимеров повышением концентрации мономеров и обезвоживанием продуктов реакции. Условием для этого является ограничение среды реакции, которая имеет лишь ограниченный обмен веществ с внешней средой. Традиционно считалось, что подобные процессы протекают в маленьких прудах с высоким испарением, что основной идеей опирается ещё на труды Ч. Дарвина. Сегодня рассматриваются вулканические регионы океанов с осевшими от гидротермальных источников сульфидами металлов как вполне подходящее место для развития подобного сценария. Другие варианты решения проблемы имеют сильные ограничения и сложносопоставимы с условиями ранней земли. Преимущественно требуется для одного или нескольких этапов исключение воды, что очень легко осуществить в лаборатории, но не в рассматриваемое время на земле. Одна из подобных систем — это полимеризация карбамидов (R-N=C=N-R) или дициана (N≡C-C≡N) в безводной среде. При этом конденсация исходных составляющих протекает параллельно реакции карбамида, при которой выделяется необходимая энергия: При ультрафиолетовом излучении из синильной кислоты и образуется дициан, однако, в высыхающей трясине летучая молекула быстро испарилась бы. Если сухая смесь аминокислот нагревается до 130 °C несколько часов, то образуются похожие на белок макромолекулы. При наличии полифосфатов достаточно 60 °C. Эти условия могут образоваться, если вода с растворенными аминокислотами вступает в контакт с горячим вулканическим пеплом. 8. Образование пребиотических структур Клетки поддерживают свои функции тем, что они образуют ограниченные среды для реакций, чтобы разделять друг от друга процессы обмена веществ и исключать нежелательные реакции. Одновременно могут создаваться различия концентраций. Коацерватные капли Известно, что с повышением концентрации многие органические соединения, молекулы которых содержат как гидрофильные, так и гидрофобные участки, способны в водных растворах к мицеллообразованию, то есть выделению микрокапелек органической фазы. Мицеллообразование наблюдается также при высаливании, то есть при увеличении концентрации солей в коллоидных растворах биополимеров-полиэлектролитов, при этом выделяются микрокапли диаметром 1—500 мкм, содержащие биополимеры в высокой концентрации. Александр Иванович Опарин (1894—1980) главным образом изучал возможности обмена веществ в коацерватах (от латинского coacervatio — сгусток или куча) — модельных мицеллах. Им было показано, что ограниченные среды с простым обменом веществ могут возникнуть исключительно самоорганизацией, при условии присутствия катализаторов со специфическими свойствами. Так как использованные субстанции входят в состав живущих сегодня организмов, Опаринские коацерваты нужно видеть не как предшественники клеток, а как модель-аналог для возникновения предшественников клеток. Опарин исследовал смеси из белков (гистон и альбумин), белков и углеводов (гистон и гуммиарабик) и белков и полинуклеотидов (гистон или клупеин и ДНК или РНК). Если капельки из гистона и гуммиарабика содержат фермент фосфорилазу, то они могут поглотить из окружающей среды глюкозу-1-фосфат, создать из неё крахмал и сохранить. Освобожденный фосфат диффундирует наружу. Капелька увеличивается с накоплением крахмала, пока не распадается на мелкие капельки, которые тоже могут содержать фосфорилазу, разумеется, меньше чем исходная капелька. Вместе с тем замедляется обмен веществ. Таким образом, становится очевидным, что для сохранения качеств клетки необходима регенерация ферментов после её деления. Если к взвеси добавить разлагающий крахмал фермент амилазу, получаются коацерваты с двухступенчатым обменом веществ: 1) поглощение глюкозы-1-фосфата → синтез крахмала; 2) вывод фосфата → расщепление крахмала и вывод мальтозы. Микросферы В 1970 году Сидней Фокс смог подтвердить, что из подобных белку продуктов, которые возникают при нагревании сухих смесей аминокислоты, а также самосоединением могут возникнуть растущие капельки, так называемые микросферы. Они отграничиваются от окружающей среды мембраной обратного осмоса и поглощают другой протеиноподобный материал из среды. Вследствие чего они растут и разделяются снова на более мелкие капельки. На основании этого Фокс пришёл к выводу, что эти системы имеют ферментные качества, разлагают глюкозу или ведут себя как эстераза или пероксидаза, без добавления ферментов извне. Вывод: Химическая эволюция или пребиотическая эволюция — первый этап эволюции жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу развертывания процессов самоорганизации, свойственных всем относительно сложным системам, которыми являются все углеродсодержащие молекулы.