Разумеется, мы не отрицаем большую роль старых гипотез в анализе тех предварительных химических процессов, на основе которых впоследствии возникло живое вещество. Например, для возникновения жизни большое значение может иметь концентрация сложных молекул в коацерватных каплях. Но на коренные вопросы, что такое жизнь и как она возникла, эти гипотезы ответа не дают.
Вопрос об определении понятия «жизнь» стоит очень остро, когда мы обсуждаем возможность жизни на других планетных системах, что является главным предметом нашей книги. На это обстоятельство особенное внимание обращал академик А. Н. Колмогоров — выдающийся математик и крупнейший специалист по кибернетике. Он подчеркивал, что биологические науки до последнего времени занимались исследованием живых существ, населяющих Землю и имеющих общую историю возникновения и развития. Естественно, что понятие «жизнь» отождествлялось при этом с конкретным ее воплощением в конкретных условиях нашей планеты. Но в наш век астронавтики открывается принципиальная возможность обнаружить в Космосе такие формы движения материи, которые обладают практически всеми атрибутами живых, а может быть, даже мыслящих существ. Однако мы ничего не можем заранее сказать о конкретных проявлениях этих форм движения материи. Поэтому сейчас возникает настоятельная потребность дать такое определение понятия «жизнь», которое не было бы связано с гипотезами о конкретных физических процессах, лежащих в ее основе. Следовательно, возникает потребность в чисто функциональном определении понятия «жизнь».
Эта задача далеко не простая, и вполне удовлетворительного функционального определения основного понятия «жизни» пока не существует. Однако первые, и притом, как нам представляется, достаточно успешные, шаги в этом направлении уже сделаны. Мы имеем в виду исследования А. А. Ляпунова, на основных идеях которого мы сейчас остановимся. (См. доклад А. А. Ляпунова «Об управляющих системах живой природы и общем понимании жизненных процессов» — М., 1962.)
При изучении процессов, лежащих в основе жизнедеятельности всех организмов, от простейших до самых сложных, А. А. Ляпунов исходит из представлений кибернетики. Внимательный анализ показывает, что любое проявление жизни можно перевести на язык науки об управляющих процессах. Характерной особенностью управляющих процессов является то, что передача по определенным каналам небольших количеств энергии или вещества влечет за собой действия, заключающиеся в преобразовании значительно больших количеств энергии или вещества. Но кибернетика как раз и занимается изучением процессов управления и строением управляющих систем. Поэтому вполне естественно и даже необходимо при анализе процессов жизнедеятельности исходить из представления кибернетики.
Заметим еще, что такие биологические понятия, как наследственность, раздражимость и т. д., представляют собой не что иное, как конкретизацию таких общих кибернетических понятий, как накопление и хранение информации, управляющая система, обратная связь, канал связи и др.
А. А. Ляпунов считает, что управление, понимаемое в широком, кибернетическом смысле, является самым характерным свойством жизни безотносительно к ее конкретным формам. Тем самым он делает попытку дать функциональное определение понятия «жизнь».
Согласно этой концепции, «живое вещество» определяется следующим образом. Состояние всякого вещества описывается набором целого ряда физико-химических характеристик: массой, химическим составом, энергией, электрическими и магнитными свойствами и др. Вообще говоря, эти характеристики будут с течением времени меняться. Вещества, у которых усредненные за подходящий интервал времени значения характеристик меняются мало по сравнению с другими веществами, обладающими примерно такими же значениями характеристик, Ляпунов называет «относительно устойчивыми». Причиной устойчивости могут быть либо особенно благоприятные внешние условия (например, постоянная температура внешней среды), либо внутренние реакции вещества на внешние воздействия, направленные на сохранение его состояния. Реакции такого типа Ляпунов называет «сохраняющими». Именно последний тип устойчивости и лежит в основе жизнедеятельности всех организмов. В самом деле, для жизни характерна огромная «приспособляемость», «адаптация» к внешним условиям и их изменениям. В ряде случаев живые организмы активно преобразуют окружающую их среду, создавая подходящие условия для своей жизнедеятельности. Так, например, отдельные виды микроорганизмов могут «локально» повышать температуру окружающей их среды. Вся эта «адаптация» жизни достигается живой материей путем огромного количества сохраняющих реакций.
На языке кибернетики сохраняющие реакции можно описать так: вещество воспринимает информацию о внешних воздействиях в виде некоторых кодированных сигналов, перерабатывает ее и по определенным каналам связи посылает также в виде «сигналов» новую информацию. Последняя вызывает такую внутреннюю перестройку самого вещества, которая способствует сохранению его характеристик.
Сигналы должны носить «дискретный» характер, т. е. каждый из них может иметь конечное число возможных значений, причем число сигналов конечно. «Материальным воплощением» такого сигнала может быть, например, некоторый физический процесс. При переработке информации происходит изменение «материального воплощения» сигналов.
Устройство, в котором происходит переработка информации, может быть названо «управляющей системой». Эта система имеет дискретную природу и состоит из некоторого, вообще говоря, очень большого количества «входных» и «выходных» элементов, связанных «каналами связи», по которым могут передаваться сигналы. Материальная система, служащая для хранения информации, называется «запоминающим устройством» или «памятью». Такая система может, например, состоять из отдельных элементов, каждый из которых будет находиться в одном из нескольких устойчивых состояний, причем состояния элементов меняются под действием поступающих сигналов. Когда некоторое количество таких элементов находится в- каких-то определенных состояниях, можно говорить, что «информация записана в памяти». Дело обстоит так, как будто бы информация записана в виде текста конечной длины при помощи алфавита с конечным числом знаков.
При выработке «ответов», обеспечивающих сохраняющие реакции тела на внешние воздействия, управляющая система воспринимает информацию об этих воздействиях, «расчленяет» ее на более мелкие части и «сопоставляет» с информацией, которая в ней уже «записана». В результате и в зависимости от такого сопоставления формируется «ответная информация». Отсюда следует, что управляющая система будет тем более «гибкой», чем больше информации в ней записано, т. е. чем больше объем ее «памяти».
Важным свойством сохраняющих реакций является их быстрота. Последняя должна быть хорошо согласована со скоростью внешних воздействий на тело, которые, вообще говоря, могут меняться в довольно широких пределах. Это требует достаточно большого объема памяти в управляющей системе.
Ряд соображений, на которых мы здесь останавливаться не будем, приводит к требованию, чтобы размеры материальных носителей информации были очень маленькими. С другой стороны, необходимо, чтобы хранение информации в памяти управляющей системы было надежным (иначе не будет обеспечена устойчивость тела). Это означает требование высокой стабильности состояний элементов, из которых складывается память. Отсюда Ляпунов делает, на наш взгляд, совершенно правильный вывод, что устойчивыми материальными носителями информации могут быть отдельные молекулы, состоящие из достаточно большого количества атомов. Такие молекулы представляют собой квантованные системы. Для изменения состояния подобной молекулы требуется, чтобы она поглотила достаточно большую порцию энергии (например, больше 0,1 эВ). Поэтому, например, беспорядочные тепловые движения, энергия которых значительно меньше, не могут изменить состояния такой молекулы.
Ляпунов характеризует жизнь как «высокоустойчивое состояние вещества, использующее для выработки сохраняющих реакций информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул».
Чтобы сохраняющие реакции были возможны, необходимо, очевидно, чтобы организм обладал некоторым запасом энергии, причем этот запас должен устойчиво сохраняться. С другой стороны, благодаря действию законов термодинамики во всякой замкнутой системе энергетические уровни (определяемые, например, температурой) должны выравниваться. Следовательно, организм должен противодействовать термодинамическим процессам, что требует непрерывной затраты энергии. Таким образом, для устойчивого поддержания своего состояния всякий организм должен получать энергию извне.
Важной термодинамической характеристикой всякого тела является его энтропия. Если бы живое вещество представляло собой замкнутую (т. е. термодинамически изолированную) систему, в нем непрерывно увеличивалось бы содержание энтропии. Это повлекло бы за собой такое изменение его физических и химических характеристик, которое в конце концов прекратило бы всякую жизнедеятельность. Следовательно, живой организм должен систематически удалять накапливающуюся энтропию. Поэтому живое вещество должно непрерывно обмениваться с окружающей средой энергией и энтропией, что достигается при помощи обмена веществ. Сам обмен веществ регулируется управляющими системами специального назначения, использующими для этого запасы информации.
При таком понимании обмена веществ как способа поддержания жизнедеятельности организма становится довольно ясной несостоятельность старых представлений, фактически отождествляющих жизнь с обменом веществ. Такое отождествление, на наш взгляд, решительно ничего не дает для понимания сущности жизни.
Характернейшей особенностью живого вещества является то, что оно состоит из отдельных структурных единиц — организмов. Каждый такой организм как в информационном, так и в энергетическом смысле представляет собой в значительной степени обособленную единицу и вместе с тем имеет свою собственную структуру. Ляпунов связывает это с «дискретной структурированностью» управления. Под этим он понимает «иерархическую» систему подчинения управляющих систем. Функционирование систем более «высокого» уровня изменяет состояние или «настраивает» системы более «низкого» уровня.
Расчленение живой материи на клетки, органы, организмы, популяции, виды и т. д. соответствует иерархии управляющих систем. Каждая из этих структурных единиц живой материи управляется своей «автономной» системой, «энергично воздействующей на все, что подчинено, и в свою очередь подчиняющейся медленно действующей управляющей системе высшей иерархической единицы».
Следует различать системы управления в отдельных организмах и в совокупности организмов (популяции, виды). В первом случае сложная управляющая система состоит из частей, в свою очередь являющихся управляющими системами «низшего яруса». Во втором случае мы имеем очень большое количество более или менее независимых, статистически равноправных систем, взаимодействующих при случайных встречах и коллективных действиях. Такой способ управления, называемый Ляпуновым «статистическим», не является быстродействующим, в отличие от первого, «структурного» способа управления отдельными организмами. Как следствие развитых представлений получается, что «надорганизменные» образования (например, виды) значительно более устойчивы, чем отдельные организмы (которые более или менее быстро погибают). Но высокая устойчивость «надорганизменных» образований возможна лишь при условии появления новых организмов, приходящих на смену старым, т. е. при условии размножения.
Чтобы каждый возникший таким образом организм был устойчив, он должен иметь запас информации, для обеспечения сохраняющих реакций. Совершенно невероятно, чтобы этот запас информации возник в организме самопроизвольно. Новый организм должен получать необходимый для его жизнедеятельности запас информации, а также первоначальную управляющую систему, так сказать, в «готовом виде». Откуда? Только от других подобных организмов, являющихся его «родителями». Отсюда следует важнейший вывод: размножение живых организмов сопровождается «самовоспроизведением» информации, передачей от «родителей» к «потомству».
В этом пункте кибернетический подход к проблеме жизни, развиваемый Ляпуновым, непосредственно смыкается с достижениями молекулярной генетики, выявившими определяющую роль ДНК в передаче наследственных признаков. Огромное многообразие комбинаций четырех оснований молекулы ДНК и представляет собой тот запас информации, который передается от «родителей» к «потомкам».
Из кибернетики (и не только кибернетики) хорошо известно, что всякая передача информации происходит на фоне помех, частично ее искажающих. Не составляет исключения и передача наследственной информации. В этом случае искажения в передаче информации носят название «мутаций». Под влиянием таких «искажений при передаче» действие управляющей системы может измениться. Это повлечет за собой изменение сохраняющих реакций, что в свою очередь приведет к изменению характера взаимодействия организма с окружающей средой. Такие изменения могут радикально изменить как в ту, так и в другую сторону вероятность сохранения данного индивидуума в борьбе за существование. Последнее обстоятельство является движущей силой естественного отбора. Таким образом, с точки зрения кибернетики можно самым общим образом и с единой точки зрения понять основные биологические категории наследственности, наследственной изменчивости и естественного отбора. В перспективе вырисовываются контуры стройной математической теории дарвиновской эволюции. Идеи Ляпунова, по нашему мнению, следует рассматривать как первый, многообещающий набросок этой теории.
Имеются все основания полагать, что в будущем синтез развитых кибернетических и био-физико-химических представлений приведет к полному пониманию сущности жизни. Пока же мы от этого еще далеки, как это хорошо понимал и сам Ляпунов. Тем не менее для анализа проблемы происхождения жизни на Земле и вероятного многообразия проявлений жизни (в том числе и разумной) во Вселенной уже сейчас идеи Ляпунова, а также примыкающие к ним идеи Колмогорова (к обсуждению которых мы вернемся в конце этой книги) имеют большое значение.
13. О возникновении и развитии жизни на Земле
На основании того, что было сказано в предыдущей главе, мы можем с достаточной для наших целей строгостью и точностью определить «живое вещество» как такой сложный молекулярный агрегат, в котором имеется «управляющая система», включающая в себя механизм передачи наследственной информации, обеспечивающей сохраняющие реакции следующим поколениям. Тем самым благодаря неизбежным «помехам» при передаче такой информации наш молекулярный комплекс («организм») способен к мутациям, а следовательно, к эволюции.
Возникновению живого вещества на Земле (и, как можно судить по аналогии, на других планетах) предшествовала довольно длительная и сложная эволюция химического состава атмосферы; в конечном итоге приведшая к образованию органических молекул. Эти молекулы впоследствии послужили как бы «кирпичами» для образования живого вещества.
Коль скоро, согласно всем существующим космогоническим гипотезам, планеты образуются из первичной газопылевой субстанции, химический состав которой аналогичен химическому составу Солнца и звезд, первоначальная их атмосфера состояла в основном из простейших соединений водорода — наиболее обильного элемента в космосе. Больше всего было молекул Н2, Н2О, СО2, NH3 и СН4. Кроме того, первичная атмосфера должна была быть богата инертными газами, прежде всего гелием и неоном. Тот простой факт, что в настоящее время обилие благородных газов на Земле по сравнению с Солнцем ничтожно мало, означает, что они в свое время диссипировали в межпланетное пространство. (В земной атмосфере имеется довольно значительное количество (около 1%) аргона. Однако атмосферный аргон образовался позже в результате радиоактивного распада калия и никакого отношения к первоначальной атмосфере не имеет.)
Для понимания эволюции планетных атмосфер особенное значение имеет анализ содержания благородных газов и их изотопов в атмосферах планет земной группы. Это следует из химической инертности этих газов в сочетании с тем, что тяготение планеты должно их удержать в атмосфере в течение всего времени эволюции атмосферы (за исключением легкого гелия). Выполненный советскими учеными во время полета «Венеры-11» и «Венеры-12» изотопный анализ атмосферы нашей космической соседки дает для этого богатый материал. В табл.4 приведено относительное содержание разных изотопов благородных газов в атмосферах планет земной группы.
Таблица 4
Планета
36A
(см3/г)
40A
—–
36A
40A
(см3/г)
36A
—–
38A
20Ne
(см3/г)
84Kr
(см3/г)
132Xe
(см3/г)
36A
—–
84Kr
Венера
2,2
· 10-6
1,2
2,6
· 10-6
5,0
5,3
· 10-7
2,6
· 10-8
—
120
Земля
2,1
· 10-8
296
6,2
· 10-6
5.0
1,1
· 10-8
4,3
· 10-10
1,6
· 10-4
49
Марс
1,0
· 10-10
3000
3,0,
· 10-7
—
8,0
· 10-11
5,0
· 10-12
7,5
· 10-13
32
Обращает на себя внимание, что абсолютное содержание изотопа аргона 40А в атмосферах Земли и Венеры довольно близко. Так и должно быть, так как этот изотоп непрерывно образуется из изотопа калия, довольно обильного в коре обеих планет. Также понятно, почему в атмосфере Марса количество 40А на порядок меньше, чем в атмосферах Земли и Венеры — ведь масса Марса меньше. Совершенно неожиданно, однако, что «нерадиогенный» изотоп 36А в атмосфере Венеры так же обилен, как и радиогенный изотоп 40А. Между тем в атмосферах Земли и Марса обилие изотопа 36А в сотни раз меньше, чем 40А. Столь разительное различие должно иметь глубокий космогонический смысл, т. е. оно должно отражать условия образования планет солнечной системы и их атмосфер. М. Н. Изаков из наблюдаемого изотопного состава атмосфер «внутренних» планет делает весьма радикальный вывод, что атмосфера Венеры была «захвачена» из протопланетного облака, между тем как на Земле и особенно на Марсе основная часть атмосферы имеет вторичное происхождение и обусловлена «дегазацией» пород, образующих кору этих планет. Этот важный вывод нуждается, однако, в подтверждении.
Необходимо сразу же подчеркнуть, что современная атмосфера нашей Земли совершенно уникальна. Сейчас уже благодаря выдающимся успехам космонавтики, мы надежно знаем состав атмосфер всех планет земной группы. Сейчас мы только подчеркнем, что основным газом в современных атмосферах Марса и Венеры является углекислота (свыше 95%). Между тем свободного кислорода в чрезвычайно разреженной атмосфере Марса всего лишь 0,2%, а на Венере и того меньше.
В земной атмосфере углекислота составляет совершенно ничтожную долю — 0,032 %.(К сожалению, этот процент растет благодаря неконтролируемому промышленному развитию.) В то же время вулканическая деятельность нашей планеты (так же как Венеры и Марса) щедро поставляет в атмосферу СО2. Куда же исчез углекислый газ? Почему в атмосферах наших «соседей» по Солнечной системе он постепенно накопился, а у нас «исчез»? Углекислый газ удаляется из атмосферы Земли двумя процессами. Первый (более мощный) — это химические реакции с горными породами, в которых участвует жидкая вода. Второй — жизнедеятельность покрывающих всю нашу планету растений, которые, используя солнечную энергию с помощью хлорофилла, из нескольких молекул СО2 и Н2О синтезируют глюкозу. Освободившиеся молекулы кислорода при этом непрерывно поступают в атмосферу. Таким образом, в течение долгой истории Земли благодаря растениям земная атмосфера была практически «очищена» от CO2 и насыщена молекулами О2.
Кислород в земной атмосфере находится в состоянии динамического равновесия. Если бы не жизнедеятельность растений (они поставляют в атмосферу ежегодно 1011 тонн кислорода), исключительно активные молекулы этого элемента вступили бы в различные химические реакции и исчезли бы из нашей атмосферы за какие-нибудь 10000 лет! (Человечество варварски относится к сохранению этого чуда — насыщенной кислородом земной атмосферы. Сплошная вырубка лесов (особенно в Бразильской сельве), а также хаотическое промышленное развитие уже сейчас нарушили кислородный баланс нашей планеты. Можно, конечно, утешаться, что на несколько тысяч лет кислорода еще хватит. Однако существ, исповедывающих такую «философию» («после нас — хоть потоп»), вряд ли следует причислять к виду «Homo Sapiens».))
С точки зрения планетолога современная атмосфера Земли представляет собой «астрономический нонсенс» или, проще говоря, чудо. Это надо же — 21 % атмосферы состоит из немыслимо химически активного газа. И все это — результат развития жизни на нашей планете! Этот пример со всей наглядностью показывает как развитие жизни на планете приводит к космическим последствиям.
Сколько же времени на Земле существовала первичная атмосфера? Имеются довольно надежные геологические и геохимические данные, указывающие на то, что уже 3,5 млрд. лет назад земная атмосфера была довольно богата кислородом. Жизнь должна была возникнуть на Земле задолго до того, как атмосфера стала богата кислородом, так как последний является продуктом жизнедеятельности растений.
Эта оценка следует из того, что самые древние из известных на Земле организмов — сине-зеленые водоросли имеют возраст вероятно 3,5 — 3,8 млрд. лет. Так как эти организмы довольно сложны, ясно, что от момента зарождения жизни на Земле до их возникновения прошло немало времени. Другими словами, уже на ранних фазах эволюции Земли на ней возникала жизнь.
Схематически путь эволюции органического вещества на Земле можно представить в виде следующей таблицы:
Таблица 5
I
II
III
IV
V
Образование Земли
Возникновение живых систем.
Клетка
Эволюция одноклеточных.
Возникновение клеточной дифференциации Эволюция многоклеточных
Человек
# Развитие жизни на Земле можно приурочить к следующим эпохам:
1) жизнь появилась на очень раннем этапе истории нашей планеты (первые сотни миллионов лет);
2) биологическая эволюция от примитивных бактерий до развитой цивилизации продолжалась беспрецедентно долго (более 4 млрд. лет);
3) в процессе эволюции жизни атмосфера планеты из бескислородной стала кислородной.
(По современным данным возраст Вселенной около 15 млрд. лет. Земли — 4,5; фотосинтез и кислородная атмосфера возникли 3,5—3,8 млрд. лет назад, тогда же появились эукариотные организмы (т. е. состоящие из клеток с ядром), первые многоклеточные (без скелета, желеподобные) — 1 млрд. лет назад, первые организмы со скелетом — 600 млн. лет назад, выход жизни из моря — 400, первые млекопитающие — 65, обезьяны — 35, австралопитек — 3,5 млн. лет назад, кроманьонский человек — 40 тысяч лет назад.) На рис. 53 показано, как шло усложнение организмов на Земле и некоторые предположения о будущем развитии земной цивилизации. #
Рассмотрим теперь более подробно начальные этапы этой эволюции. По-видимому, наибольшие загадки ставит перед нами переход от первой фазы эволюции ко второй.
В настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал, иллюстрирующий, каким образом такие простые вещества, как вода, метан, аммиак, окись углерода, аммонийные и фосфатные соединения и др., превращаются в высокоорганизованные структуры, являющиеся основными строительными блоками клетки — единицы живого. Эти опыты, начатые впервые американскими учеными Кельвином, Миллером и Юри, положили начало новому научному направлению, получившему впоследствии название «пребиологической химии».
Так, например, опытами Миллера доказано, что при прохождении электрических разрядов через смесь метана (CH4), молекулярного водорода (Н2), аммиака (NH3) и паров воды (эта смесь довольно хорошо моделирует первичную атмосферу Земли) возникали глицин, аланин и другие аминокислоты, а также ряд органических соединений. Точно так же экспериментально доказано, что в такой смеси образование органических соединений (в частности, аминокислот) может происходить под воздействием ультрафиолетовой радиации. Можно полагать, что в условиях неокисленной земной атмосферы, когда ультрафиолетовое излучение Солнца беспрепятственно могло достигать земной поверхности (В настоящее время близкая ультрафиолетовая часть солнечного спектра поглощается озоном O3, а более далекая — молекулами кислорода О2 и азота N2), важная роль в образовании первых органических соединений принадлежала этому источнику энергии. В то же время серьезное значение могли иметь и другие источники энергии. Следует подчеркнуть, что уже первые попытки экспериментального изучения проблемы возникновения жизни на молекулярном уровне продемонстрировали возможность многочисленных «вариантов», которые могли иметь место в течение первого миллиарда лет истории Земли.
Таким образом, можно считать доказанным, что под воздействием различных форм энергии на примитивной Земле возникали достаточно сложно организованные органические молекулы.
В синтезе органики наиболее существенную роль должны были играть электрические разряды, ударные волны, ультрафиолетовое излучение Солнца, вулканическое тепло, радиоактивный распад 40К.
Из табл. 6 видно, что основной вклад в процессы абиогенного синтеза вносит ультрафиолетовое излучение Солнца. Однако вопрос об относительной эффективности различных видов энергии не так прост, как это кажется на первый взгляд. В экспериментах по абиогенному синтезу были использованы все источники энергии, перечисленные в табл. 6. При этом выяснилось, что определяющим моментом является не общее количество энергии, а «к.п.д.» той или иной модели образования органических веществ.
Таблица 6
Источник Средняя энергия на всю поверхность Земли (в единицах 1020 кал/год)
Распад 40К (в настоящее время) 0,3
Распад 40К (2,6
· 109 лет назад) 1,2
Ультрафиолетовое излучение Солнца (λ < 1500 Ǻ) 0,08
Ультрафиолетовое излучение Солнца (λ < 2000 Ǻ) 4,5
Вулканизм (лава 1000°С) 0,04
Удары метеоритов 0,05
Молнии 0,05
Полезно рассмотреть следующие этапы в эволюции органического вещества на примитивной Земле:
1. Эволюция малых молекул.
2. Образование полимеров.
3. Возникновение каталитических функций.
4. Самосборка молекул.
5. Возникновение мембран и доклеточная организация.
6. Возникновение механизма наследственности.
7. Возникновение клетки.
Необходимо отметить, что в настоящее время не представляется возможным искусственно воспроизвести в лабораторных условиях возникновение механизма матричного копирования, реализуемого в живой клетке нуклеиновыми кислотами. Между тем, по-видимому, в этом состоит суть проблемы возникновения жизни на Земле.
Наиболее изученным этапом в пребиологической химии является эволюция малых молекул. Было экспериментально изучено воздействие всех вышеперечисленных видов энергии на смеси различных газов: водород, метан, аммиак, окись углерода, двуокись углерода, азот, вода, кислород, сероводород. При этом было установлено, что если смесь не была окислительной, то всегда образовывались аминокислоты и другие биологически активные соединения.
Определяющими промежуточными продуктами в синтезе аминокислот, оснований нуклеиновых кислот, сахаров и порфиринов являются формальдегид и цианистый водород. Образование этих простых продуктов происходит и в газовой, и в водной фазе. Образование же более сложных молекул (аминокислот) происходит главным образом в водной среде.
Среди возможных механизмов образования аминокислот можно указать на синтез Штрекера, как конечный этап превращения аминонитрилов и циангидринов
NH3 + КСНО + HCN <=> NH2CH(K)CN + Н2О (аминонитрил),
KCH(NH2)CN + 2H2O → KCH(NH2)COOH + NH3, (циангидрин).
Что касается синтеза оснований нуклеиновых кислот, то здесь также, как выяснилось, центральную роль играет цианистый водород. Так, при синтезе аденина «суммарную» реакцию образования этого соединения можно записать следующим образом:
5HCN → аденин.
При образовании сахаров в условиях, моделирующих примитивную Землю, происходит щелочная конденсация формальдегида. Протекание этой реакции катализируется гидроокисями щелочно-земельных металлов.
В экспериментах, проведенных Гейбелом и Поннамперумой, водные растворы формальдегида в различных концентрациях нагревались в присутствии каолинита, который используется в качестве природного катализатора. В числе продуктов реакции были отождествлены триозы, тетрозы, пентозы, гексозы. Была отождествлена также рибоза.
Чрезвычайно важной группой соединений, присутствующих в большинстве живых организмов, являются порфирины. Порфириновая структура лежит в основе хлорофилла. Целый ряд важнейших ферментов, таких как каталаза, пероксилаза и др., также имеют порфириновую структуру. В экспериментах по абиогенному синтезу порфирин был идентифицирован как один из продуктов реакции в смеси метан — аммиак — вода — водород под действием электрического разряда.
Наиболее существенным достижением в области пребиологической химии можно считать абиогенный синтез нуклеотидов и полинуклеотидов, осуществленный впервые Шраммом из углеводов и гетероциклических оснований с помощью метафосфорных эфиров (МФЭ). В процессе синтеза образовывались продукты различной молекулярной массы и структуры, причем нуклеотиды в полинуклеотидной цепи располагались случайно, не образуя какой-либо определенной последовательности.
Значительный интерес представляют также эксперименты Фокса по термической полимеризации аминокислот.
Таким образом, многочисленные эксперименты по абиогенному синтезу продемонстрировали возможность образования основных классов биологических активных соединений небиологическим путем в условиях, моделирующих природные условия, существовавшие на примитивной Земле.
Однако образование самых сложных молекул не решает вопроса об отборе и сохранении определенных типов молекулярных соединений. На определенной стадии усложнения структуры молекул возникает такое принципиально новое свойство их, как возвратный катализ. Образовавшиеся довольно сложные молекулы должны разрушаться (диссоциировать) при поглощении более длинноволнового излучения, чем то, которое стимулировало их образование. Так как поток солнечного излучения в области более длинных волн значительно превосходит поток ультрафиолетового излучения, стимулирующего синтез первичных органических соединений, последние будут разрушаться, и какого-либо накопления их происходить не должно. Заметим, что эта трудность является общей для всех механизмов образования первичных органических соединений, так как неокисленная атмосфера планеты должна быть прозрачной для ультрафиолетовых лучей Солнца. Сейчас намечается несколько путей преодоления этой трудности. Например, можно предположить, что после сформирования гидросферы образовавшиеся в ее поверхностных слоях органические соединения путем конвекции переносились на достаточную глубину, куда уже «разрушительное» излучение не доходило.
Зная поток ультрафиолетового излучения Солнца, стимулирующего образование органических веществ, и считая, что вновь образовавшиеся вещества не разрушаются, а постепенно накапливаются, можно оценить количество образующегося таким способом органического вещества на Земле. Такие вычисления произвел Саган, который в предположении, что этот процесс длился 1 млрд. лет, нашел, что над каждым квадратным сантиметром земной поверхности могло образоваться несколько килограммов органических соединений. Эта величина представляется достаточно большой. Например, если бы все эти образовавшиеся в раннюю эпоху развития нашей планеты органические вещества растворить в мировом океане, концентрация такого раствора была бы пр… Продолжение »