Абиотический синтез полимеров

 

Следующим за образованием мономеров шагом эволю­ции на пути к возникновению жизни являлось их объ­единение в полимеры, в частности в соединения, ана­логичные белкам и нуклеиновым кислотам, играющим исключительно важную роль в организации живых су­ществ.

Принципиальная возможность такой далеко идущей абиогенной полимеризации органических веществ под­тверждается рядом опытов, где в качестве мономеров использовались в первую очередь аминокислоты и род­ственные им соединения.

Здесь прежде всего нужно упомянуть об исследова­ниях Акабюри, который еще в 1955 г. указывал на воз­можность в условиях примитивной Земли абиогенного синтеза протобелков (т. е. аминокислотных полимеров со случайным расположением аминокислотных остатков в полипептидной цепи). Вскоре он доказал эту возмож­ность экспериментально, получая из формальдегида, ам­миака и HCN аминоацетонитрил, поликонденсат кото­рого адсорбировался на каолине с образованием поли­глицина. Затем в полиглицин можно вводить боковые Цепи путем реакции с альдегидами или с ненасыщенны­ми углеводородами. Таким путем Акабюри удалось получить полиглицин и его аналоги с молекулярным весом приблизительно равным

15 000.

Фокс и его сотрудники, имитируя вулканические условия, подвергали смесь 18 аминокислот нагреванию при 170° С на куске лавы в течение 6 час. Для того чтобы расплавить смесь до ее обугливания, бралось из­быточное количество дикарбоновых аминокислот. В других случаях нагревание осуществлялось в присутствии полифосфатов, что позволяло снизить температуру на­гревания до 100° С.

При таком температурном воздействии образуется янтарного цвета полимер с молекулярным весом в не­сколько тысяч (от 5 000 до 10 000), содержащий все взя­тые в опыт типичные для белка аминокислоты (поте­рявшие, однако, свою оптическую активность). Этот по­лимер был назван Фоксом протеиноидом за его сходство по ряду признаков с белками.

 При дальнейших исследованиях были выявлены два очень интересных свойства протеиноидов: во-первых, то, что они обладают известной внутримолекулярной упорядоченностью, повторяющейся последовательностью аминокислотных остатков, и, во-вторых, име­ют хотя и слабую, но вполне экспериментально обнару­живаемую ферментативную активность (катализ гидро­лиза, декарбоксилирования, аминирования и дезамннирования).

Из многочисленных работ по синтезу полипептидов в водной среде следует назвать следующие: поликонден­сацию глицина при его нагревании в водном растворе аммония, при γ-облучении; ацетилглицин при термаль­ной обработке растворов цианистого аммония, при на­гревании смеси HCN, NH₃, при полимеризации аминоацетонитрила, цианамида и дицианамида.

Очень важным вопросом при синтезе полипептидов и белковоподобных соединений является та последова­тельность, с которой аминокислотные остатки связыва­ются между собой в полипептидные цепи. При совре­менном биологическом синтезе белков эта характерная для каждого индивидуального белка последователь­ность (первичная структура) определяется нуклеиновым кодом, но, как указывалось выше, уже при термальном синтезе Фокса, в отсутствие нуклеиновых кислот создался некоторый постоянный порядок соседствования аминокислот.

Штейнман присоединял первую в ряду аминокисло­ту к гранулам высокомолекулярного полимера (хлорметилированного полистирола) и таким образом получал смолу с присоединенной к ней одной аминокислотой. За­тем он исследовал относительную эффективность при­соединения к ней ряда других аминокислот с незащи­щенной аминогруппой.

Экспериментально определяя выходы различных дипептидов, Штейнман сопоставлял эти результаты с ча­стотой аминокислотных пар, определенных по «Атласу белковых структур» в современных белках, и обнару­жил значительное совпадение. Кальвин в своей книге «Химическая эволюция» дает модель системы воспроиз­ведения полипептида без матрицы, на основании конт­роля со стороны растущего конца. Интересно сопоста­вить эти высказывания Кальвина с замечательным син­тезом полипептида (грамицидина С), осуществленным Липманном.

В более сложных и довольно трудновоспроизводимых в природе условиях были синтезированы и поли­меры нуклеотидов, образующие цепочки, аналогичные молекулам нуклеиновых кислот современных орга­низмов.

Замечательные работы Корнберга и другие показали возможность синтеза нуклеиновых кислот in vitro. Одна­ко эти биосинтезы могут проходить только в присутст­вии соответствующего специфического фермента, и по­этому они не могут служить моделью для абиогенных процессов на примитивной Земле.

Некоторая вероятность такого синтеза была впервые намечена Шраммом в его работах с полифосфорным эфиром. В дальнейшем было показано, что цитидинфосфат может конденсироваться в олигонуклеотиды с по­мощью полифосфорной кислоты. В модельных опытах, более приближающихся к условиям первичной Земли, была показана способность карбодиимида стимулиро­вать образование ди- и тринуклеотидов из смеси нуклеозидов и нуклеотидов в разведенных водных растворах (Оргель и сотр.).

Особую роль в процессах первичной полимеризации играют, по-видимому, фосфорные соединения. При температурах около 300° С и выше фосфорная кислота полностью конденсируется с образованием полифосфатов. Поэтому на поверхности примитивной Земли, с ее широко идущим локальным разогревом, полифосфаты и их органические соединения должны были образовываться в довольно широком масштабе.

В настоящее время неорганические полифосфаты об­наружены в значительных количествах у низших орга­низмов: у бактерий, водорослей, грибов и некоторых простейших. Это линейные полимеры ортофосфорной кислоты с молекулярным весом 30 000—100 000. Из ряда объектов выделены также циклические тримета- и тетраметафосфаты.

Как было показано Н. С. Кулаевым и другими, не­органические полифосфаты играют существенную роль в энергетическом обмене низших организмов в противо­положность высокоорганизованным живым существам, для которых они не являются характерными.

Все это позволяет думать, что на заре возникнове­ния жизни на Земле неорганические полифосфаты впол­не могли участвовать в образовании простейших меха­низмов сопряжения энергодающих и энергопотребляю­щих реакций, т. е. играть ту роль в предбиологическом и раннем биологическом обмене, которая сейчас осу­ществляется аденозинтрифосфорной кислотой.

Поннамперума, Саган и Маринер использовали этилметафосфат для модельных опытов по синтезу нуклеотидных компонентов. При этом необходимым источни­ком энергии им служил ультрафиолетовый свет с дли­ной волны 2400—2900 А, который был вполне доступен примитивной земной поверхности. Синтезы велись в вод­ных растворах аденина, аденозина, адениловой кислоты, рибозы и этилметафосфата. Смеси освещались ультрафиолетовым светом с длиной волны 2537 А при 40°С. При этом было установлено превращение аденина в аденозин, аденозина в аденозинмонофосфат (АМФ), АМФ в аденозиндифосфат (АДФ) и наконец АДФ в аденозинтрифосфат (АТФ). Таким образом, была доказана возможность абиотического синтеза в условиях доактуалистической земной поверхности аденозинтрифосфорной кислоты – этой основной «энергетической валюты» современных высших организмов.

Итак, широко развернувшиеся в настоящее время мо­дельные опыты по абиотическому синтезу органических веществ в условиях, имитирующих примордиальные зем­ные условия, позволяют нам с известной долей вероят­ности представить себе последовательный ход химиче­ской эволюции от простейших углеродистых соединений к высокополимерным веществам, из которых образова­лись те «организованные элементы» или примитивные организмы, остатки которых мы обнаруживаем в отло­жениях земной коры.

На этом этапе развития материи и произошел на нашей планете переход от химической эволюции к био­логической, когда из гомогенного раствора органических веществ обособились индивидуальные целостные систе­мы — пробионты, а затем и первичные живые существа.

Мы можем составить представление об этом перехо­де путем сопоставления современных данных сравни­тельной биохимии с лабораторными модельными опыта­ми.

Заключение.

 

Зарождение жизни - точка отсчета для развития всего живого мира на Земле. Именно в этот момент начали функционировать фундаментальные законы существования живых организмов, которые с ходом поступательного развития жизни становились только более многоуровневыми и дифференцированными. Не поняв существа этих базисных законов, мы лишаем себя возможности осмыслить целый ряд важнейших аспектов в эволюционной биологии, цитологии, микробиологии, экологии, учении о биосфере и других науках, включая медицину и валеологию. Можно сказать, что понимание причины и механизма возникновения первичных живых форм является тем ключом, который облегчит проникновение в тайны существования растений, животных и человека, и поможет найти оптимальные подходы к их гармоничному, или органичному, сосуществованию. Именно поэтому «ориджинология» - наука о возникновении жизни, должна занять достойное место в ряду других наук.

Кроме познавательного аспекта, ориджинология имеет важнейшее практическое значение. В настоящее время на планете быстрыми темпами развиваются глобальные изменения, связанные, прежде всего с ухудшением состояния экосистем и здоровья населения планеты. Многие ученые сходятся во мнении, что главным резервом, на который человечество может опираться в своем дальнейшем существовании, является системный ресурс биосферы. Другим резервом, является системный ресурс самого человека, его огромные потенциальные возможности, которые могут развертываться в трудных ситуациях. В решении обоих этих проблем могут быть использованы знания, накопленные учеными в ходе исследований, посвященных возникновению жизни на Земле.

Сравнивая первые теории, выдвинутые несколько десятилетий назад Опариным, Холдейном и Берналом - первопроходцами в этой области исследований, - с положениями, достигнутыми к настоящему времени, мы видим, как из набора слабо обоснованных фактами гипотез, выросла современная теория, как неизмеримо увеличились наши знания. Мы знаем теперь слабые места исходных гипотетических построений. На многих примерах мы поняли, какие из этих построений надо отбросить, какие заслуживают сохранения. В результате отпали многие неясности, мы смогли точнее представить себе, как возникла жизнь.

Даже сейчас, не ожидая новых открытий, которые, несомненно, появятся в будущем, мы с высокой степенью вероятности можем утверждать, что жизнь развилась естественным путем из некоей преджизни, состоявшей из «органических» соединений, созданных в результате неорганических процессов.. эта теория хорошо согласуется с большим числом проверенных научных фактов и наблюдений, полученных специалистами в самых разных естественных науках. В этом ее преимущество перед более ранними гипотезами, в которых было немало противоречий и несуразиц, тем более если включать в их число постулаты о внеземном, а то и сверхъестественном происхождении жизни. Сейчас эти постулаты признаются не только недостоверными, но и просто излишними; наука их отбрасывает. Жизнь на Земле могла возникнуть естественным путем, и, судя по известным фактам, именно так она и возникла.

 

Список литературы

1. Камшилов М. М. Эволюция биосферы. М.: «Наука», 1974. 57-69, 87, 90-91, 94-96, 117-120, 240с.

2. Колясников Ю. А. К тайнам мироздания. Магадан: СВНЦ ДВО РАН, 1997. 225 с.

3. Компаниченко В. Н. Возникновение жизни в глубинах гидротермальных систем. Хабаровск, 1996, 24-38, 98-100с.

4. Калвин В. Химическая эволюция. М.: «Наука», 1971 – 10-14, 25-33, 45-49, 58-60 с.;

5. Опарин А.И. Материя – Жизнь – Интеллект. М.: «Наука», 1977, 5-6, 96-117 с.

6. Найдыш В. М. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. – М.: Гардарики, 2000. – 115-124с.

7. Мотылёва Л. С., Скоробогатов В.А., Судариков А.М. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов – СПб.: Издательство Союз, 2000. – 228-237с