Книга: Эволюция биосферы

От образования тяжелых атомов к возникновению молекул органического вещества

Основополагающие работы А. И. Опарина и его многочисленных последователей позволили нарисовать вероятную картину зарождения жизни на Земле. Первоначально казалось, что этот процесс начинается с синтеза простейших органических соединений в первичной атмосфере Земли и водах океана под влиянием различных источников энергии. Работы последних лет, однако, показали, что такие соединения, как вода, аммиак, синильная кислота, формальдегид, метилцианид, метилацетилен и некоторые другие вещества, широко распространены в межзвездном пространстве. Формальдегид, в частности, обнаружен примерно в 60% из 22 исследованных областей, его облака с концентрацией примерно тысяча молекул в 1 см³ заполняют обширные области пространства. Предшественники аминокислот найдены в метеоритах и в лунном грунте (С. Фокс, К. Дозе, 1975). Таким образом, «Земля уже при самом своем образовании получила эти вещества, так сказать, „в наследство“ от Космоса», пишет А. И. Опарин[22]. Связь жизни с Космосом оказалась еще более тесной, чем это предполагалось раньше.

Поступившие из Космоса углеродсодержащие соединения, вместе с веществами первичной атмосферы, т. е. метаном, аммиаком, водородом и парами воды подвергались воздействию различных источников энергии (коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца, грозовые разряды, высокая температура в районах повышенного вулканизма). В результате подобных воздействий простейшие органические соединения многообразно изменялись и усложнялись.

Возникали молекулы сахаров, аминокислот, азотистых оснований и других углеродсодержащих соединений, из которых построены белки, нуклеиновые кислоты, жиры и вещества — переносчики энергии, такие, например, как аденозинтрифосфат (АТФ) (рис. 1).

Принципиальная возможность образования сложных соединений из относительно простых была доказана многими исследователями. Еще в 1861 г. известный русский ученый, один из основателей органической химии, А. М. Бутлеров, обнаружил, что в растворе формалина в известковой воде при стоянии в теплом месте образуется сахаристое вещество. Шесть молекул формальдегида (CH₂O), объединяясь, дают более сложно устроенные молекулы сахара.

Рис. 1. Образование простейших органических соединений из газов первичной атмосферы под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца

Другой русский ученый, А. Н. Бах, показал, что в водном растворе формалина и цианистого калия возникают еще более сложные вещества. Эти вещества вполне могли служить питательной средой для микроорганизмов.

Американский исследователь С. Л. Миллер показал в 1953 г., что в результате пропускания искрового разряда через смесь метана, аммиака, водорода и воды возникают аминокислоты: глицин, аланин, саркозин, ?-аланин, ?-аминомасляная кислота, N-метилаланин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота. Выход глицина составил 2,1% по отношению к исходному количеству углерода. Кроме аминокислот, в ходе реакции образовались и другие соединения, в частности такие органические кислоты, как муравьиная, уксусная, пропионовая, гликолевая, молочная.

Вслед за исследованиями Миллера другие авторы получили такие же результаты, использовав иные источники энергии: нагревание, бомбардировку ?-частицами, облучение ультрафиолетовыми лучами. Выявилась очень интересная закономерность: различные источники свободной энергии приводили к образованию сходных веществ. Специфичность синтезов определялась не особенностью энергетического источника, а спецификой реагирующего материала.

В этих опытах были соблюдены те условия, которые в более отдаленное время привели к образованию химических элементов в недрах звезд:

1. Имелась масса относительно простых компонентов — газы примитивной атмосферы.

2. Взаимодействие компонентов приводило к образованию более сложных соединений.

3. Имелся источник свободной энергии, необходимой для осуществления синтезов.

4. Вновь образующиеся вещества поступали в воду и тем самым предохранялись от распада на исходные компоненты.

5. Взаимодействие вновь образующихся веществ друг с другом открывало возможность дальнейшей эволюции.

Как уже говорилось, самые различные источники энергии приводят к сходным результатам. Однако это вовсе не значит, что они равноценны. Из всех исследованных форм энергии преимущество следует отдать ультрафиолетовому излучению Солнца (спектральная область от 2000—2500 ?). В пользу такого вывода можно привести два довода. Во-первых, в экспериментальных условиях под влиянием ультрафиолетового облучения указанными длинами волн удается синтезировать практически все простейшие соединения, на основе взаимодействия которых могла происходить дальнейшая эволюция органических соединений. Во-вторых, это наиболее постоянный и вместе с тем достаточно мощный источник свободной энергии.

С. Л. Миллер и Г. С. Юри[23] приводят следующие данные о формах свободной энергии на нашей планете (в кал/см² в год):

В настоящее время слой озона поглощает ультрафиолетовое излучение короче 2900 ?, поэтому поверхности Земли достигает лишь длинноволновый ультрафиолетовый свет. В предбиологическое время озонового экрана не было, так как содержание кислорода было ничтожным, и на поверхность планеты проникали ультрафиолетовые лучи области 2400—2900 ?. Американский исследователь К. Саган (1966) подсчитал, что образовавшееся за счет энергии этих лучей органическое вещество способно создать в водах океана раствор 1% крепости. Тот же исследователь пришел к выводу, что за счет энергии химических связей образующегося в результате ультрафиолетового облучения аденозинтрифосфата может существовать популяция бактерий кишечной палочки численностью 20 тыс. экземпляров в столбе воды сечением 1 см².

Иначе говоря, ультрафиолетовое излучение Солнца — постоянный источник свободной энергии — способно на первых этапах формирования жизни на Земле обеспечить ход мощных синтетических процессов, неорганический фотосинтез.

Важнейшим условием синтеза сложных органических соединений было ничтожное содержание в атмосфере свободного кислорода (по расчетам Г. Юри, около 0,001 от содержания его в наше время). Во-первых, подобные соединения могли образоваться лишь в отсутствие кислорода и, во-вторых, их относительная стабильность обеспечивалась лишь в бескислородной среде. Содержание кислорода в атмосфере достигло 1% от современного около 1 млрд. лет назад (Б. С. Соколов, 1976).

Начало эволюции химических соединений в направлении жизни датируется с момента образования земной коры, т. е. около 4,5 млрд. лет тому назад. Следовательно, этап биохимической эволюции, приведший в конце концов к формированию простейших организмов, превышает 2 млрд. лет!