Scisne?

О неизбежности самозарождения жизни во Вселенной и на Земле

Денис Тарасов

Комментарии: 4
Денис Тарасов о неизбежности самозарождения жизни во Вселенной и на Земле
И древняя Земля вполне подходила для самозарождения жизни.

Современная наука не в состоянии точно ответить на вопрос, как возникла жизнь, однако предложенные на сегодняшний день механизмы свидетельствуют о принципиальной возможности самозарождения, а также, в определённой степени, о его неизбежности.

Сегодня мы можем говорить о том, что жизнь возникает везде, где имеются более или менее подходящие условия. Развитие самоорганизующихся систем фактически является следствием Второго закона термодинамики.

Однако, прежде чем говорить об общих закономерностях, необходимо привести ряд конкретных примеров, в частности модели химизма возникновения жизни на Земле.

Рассмотрев имеющиеся в нашем распоряжении данные о возможных путях молекулярной эволюции, мы, затем, перейдём к доказательству неизбежности возникновения жизни, в любых условиях, отвечающих самым общим критериям.

Наибольшую трудность для объяснения представляют начальные этапы возникновения жизни – образование органических соединений, которые в дальнейшем послужили бы строительными блоками для самовоспроизводящихся биологических макромолекул.

Какие это соединения? Ответ зависит от того, какие макромолекулы были первыми. Среди кандидатов на роль первичных молекул, способных к самовоспроизведению назывались белки, рибонуклеиновые кислоты, а также (в последнее время) пептидо-нуклеидовые кислоты (Peptide nucleic acids).

Белки состоят из аминокислот, образование которых в условиях древней Земли весьма вероятно.

Однако дальнейшие процессы возникновения и развития жизни невозможно объяснить, если предполагать, что первичными биологическим молекулами были белки, поэтому от данной гипотезы пришлось отказаться.

Возникновение жизни можно легко объяснить, приняв гипотезу РНК-мира, которая считает первичной биомолекулой рибонуклеиновую кислоту (РНК).

К сожалению, достаточно трудно понять, как в условиях древней Земли могли образоваться исходные химические компоненты, необходимые для синтеза РНК.

Поэтому, многие исследователи считают, что первичными молекулами могли быть какие-то более простые РНК-подобные молекулы, которые в процессе эволюции были вытеснены РНК.

На роль таких молекул претендуют пептидо-нуклеиновые кислоты (ПНК).

Здесь мы рассмотрим возможные механизмы образования в условиях древней Земли компонентов РНК и ПНК.

В многочисленных экспериментах, начиная от классических работ Миллера (1953 год) и кончая сегодняшним днём, показано, что образование сложных органических молекул происходит при выполнении следующих основных условий:

1. Наличие исходных компонентов – простых неорганических соединений углерода, азота, фосфора и кислорода.

2. Отсутствие в реакционной среде свободного молекулярного кислорода.

3. Наличие источника энергии – ультрафиолетового излучения, нагрева, или электрического разряда.

Основными компонентами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Нуклеотид это молекула, в состав которой входят циклический пятичленный сахар (рибоза или дезоксирибоза), азотистое основание – производное пурина или пиримидина, а также остаток фосфорной кислоты.

Рибонуклеотиды, из которых построена рибонуклеиновая кислота (РНК), имеют в своём составе рибозу, остаток фосфорной кислоты и одно из пуриновых (аденин, гуанин) и пиримидиновых (цитозин, урацил) оснований.

Помимо перечисленных оснований в РНК биологического происхождения обнаружены и другие (минорные) основания.

Нашей первой задачей будет выяснить, могли ли в условиях древней Земли образоваться нуклеотиды. Какие строительные компоненты имелись в то время?

Наиболее распространена теория, согласно которой первичная атмосфера Земли была сформирована главным образом в результате вулканических извержений и содержала в основном метан (СН4), аммиак (NH3), водород (Н2), сероводород (H2S) и пары воды.

Такая "атмосфера" была представлена в опытной установке Миллера. Альтернативный вариант – окисленная атмосфера, состоящая из углекислого газа (CO2), моноокиси углерода (СО), молекулярного азота, водяных паров и, возможно, молекулярного кислорода.

Из всего выше перечисленного только наличие кислорода является абсолютно неприемлемым для синтеза каких-либо сложных органических молекул.

Строение рибонуклеиновой кислоты.
Строение рибонуклеиновой кислоты.

Имеющиеся в настоящее время данные не позволяют убедительно подтвердить или опровергнуть ту или иную гипотезу.

Химический анализ космических объектов и упавших на Землю метеоритов обнаружил соединения, образовавшиеся в опытах Миллера, содержащиеся в тех же пропорциях, что служит хорошим аргументом в пользу первого варианта.

Аденин или гуанин входят в состав РНК, если там нет цитозина или урацила.
Аденин или гуанин входят в состав РНК, если там нет цитозина или урацила.

В общем, скорее всего, первичная атмосфера содержала меньше водорода, чем предполагалось ранее, не содержала метана, и свободного кислорода (что главное!).

Отметим, что недавние открытия, указывающие на наличие кислорода в земной атмосфере около 3 миллиардов лет назад, не имеют отношения к рассматриваемой проблеме, так как 3,5 миллиарда лет назад на Земле уже были живые организмы, способные к фотосинтезу с выделением кислорода.

Наиболее древние микроорганизмы являются облигатными анаэробами – то есть, они не могут жить в присутствии кислорода. Этот факт делает отсутствие кислорода в первичной атмосфере ещё более вероятным.

Итак, предположим, что в атмосфере не было свободного кислорода. Какова возможность образования компонентов РНК – нуклеотидов? Нам нужно: рибоза, пуриновые основания, пиримидиновые основания, и фосфат.

Начнем с рибозы. Еще в середине XIX века Бутлеров обнаружил, что в щелочной среде формальдегид способен конденсироваться с образованием сахароподобных молекул.

Образование формальдегида (Н2СО) наблюдалось ещё в первых опытах Миллера. Увы, выход рибозы в реакции конденсации формальдегида крайне незначителен – одновременно образуется масса других соединений.

Цитозин или урацил – одно из азотистых оснований, присутствующих в РНК.
Цитозин или урацил – одно из азотистых оснований, присутствующих в РНК.

Тем не менее, недавно был обнаружен вариант этой реакции, в которой рибоза является основным продуктом (соотношение 52:14:23:1 – рибоза : арабиноза : ликсоза : ксилоза).

Пуриновые основания с высокой вероятностью присутствовали на древней Земле. Аденин обнаружен при химическом анализе микрометеоритов и, таким образом, должен был заноситься на Землю с космической пылью во времена, когда плотная атмосфера ещё отсутствовала.

Кроме того, образование аденина и гуанина наблюдалось в опытах по абиогенному синтезу.

Пиримидиновые основания не были обнаружены при исследовании метеоритов, и до недавнего времени не было известно ни о каких эффективных механизмах их образования.

В 1995 году Миллер и Робертсон предложили возможный путь образования цитозина из цианацетальдегида и мочевины. В лабораторных условиях эта реакция действительно протекает с довольно высоким выходом, но какова вероятность того, что она могла проходить в естественных условиях?

В открытом океане это практически исключено. Авторами был предложен сценарий "высыхающей лагуны", в которой по мере испарения воды увеличивалась бы концентрация исходных компонентов.

Эта модель неоднократно подвергалась критике, однако, в 2001 году появилась работа Нельсона с соавторами, в которой содержалось экспериментальное подтверждение модели Миллера и Робертсона.

Был исследован синтез цитозина при 100, 4 и -20oC, и обнаружено, что выход продукта при низких температурах даже выше расчётного.

Кроме того, была исследована возможность концентрации раствора при испарении, и показано, что даже сильно разбавленные растворы, с концентрацией 10-4 моль/литр концентрируются в соответствии с предложенной моделью. Дискуссия по этому поводу продолжается…

Тем временем уже предложены и другие механизмы образования азотистых оснований. Саладино с соавторами в 2001 году наблюдал образование аденина и цитозина из формамида в присутствии карбоната кальция и некоторых неорганических окислов.

Все эти вещества с высокой вероятностью имелись в естественных условиях. Вашингтон в работе 2000 года описывает серию реакций, которая приводит, в конце концов, к образованию нуклеотидов. При этом протекание всех рассматриваемых реакций доказано в экспериментах, имитирующих условия древней Земли.

Таким образом, сегодня возможность образования нуклеотидов в первичных добиологических реакциях представляется намного более вероятной, чем даже пять лет назад.

Еще одной вероятной первичной биологической молекулой является пептидонуклеиновая кислота (ПНК). ПНК является полимером N-2-аминоэтилглицина, соединённого с аденин- , гуанин- , цитозин– или урацил-N-уксусной кислотой.

Пептидонуклеиновая кислота.
Пептидонуклеиновая кислота.

Таким образом, ПНК – это своеобразная гибридная молекула РНК и белка. Вместо рибозы используется N-2-аминоэтилглицин (АЭГ).

Рассмотрение ПНК в качестве первичной биологической молекулы снимает проблему первичного синтеза рибозы. Кроме того, это решает и вопрос хиральности.

Если в состав РНК входят только правая D-рибоза, а в белок только левые L-аминокислоты, то АЭГ это оптически не активное соединение, у него нет левых и правых форм.

Механизмы предбиологического синтеза ПНК предложены в работе Нельсона с соавторами в 2000 году. Последовательность реакций, приводящая к синтезу АЭГ приведена на рисунках.

Сначала из HCN образуется этилендиамин и 2,3 диаминопропионовая кислота:

Последовательность реакций, приводящая к синтезу N-2-аминоэтилглицина – первый этап.
Последовательность реакций, приводящая к синтезу N-2-аминоэтилглицина – первый этап.

А затем из них получается АЭГ:

Последовательность реакций, приводящая к синтезу N-2-аминоэтилглицина – второй этап.
Последовательность реакций, приводящая к синтезу N-2-аминоэтилглицина – второй этап.

Протекание этой реакции проверено опытным путём. Также проверены и все остальные этапы образования ПНК.

Рассмотренные данные позволяют нам говорить о том, что образование исходных компонентов в ходе предбиологических реакций является весьма вероятным.

В последующих частях мы рассмотрим, как из этих компонентов образуются самовоспроизводящиеся макромолекулы.

www.membrana.ru

Комментарии: 4