Походження життя

Розглянемо основні події, які могли сприяти виникненню життя на нашій планеті, в аспекті гіпотези абіогенезу Опаріна-Холдейна.

Сучасний погляд на утворення Сонячної системи та місце Землі серед планет. Сучасна астрономія стверджує, що Земля та інші планети Сонячної системи утворилися з газово-пилової речовини близько 5 млрд років тому. Така газово-пилова матерія зустрічається в міжзоряному просторі й у наш час. Щоб на планеті могло виникнути життя, вона повинна мати певні розміри та одержувати енергію від якої-небудь зірки.

Розміри планети. Маса планети не повинна бути занадто великою, тому що енергія атомного розпаду природних радіоактивних речовин може спричинити перегрівання планети або, що ще більш важливо, радіоактивне забруднення середовища, що несумісно із життям. У той же час у занадто маленьких планет є інший недолік. Вони не можуть утримувати біля себе атмосферу, тому що сила тяжіння в них невелика (наприклад, Місяць).

Джерело енергії. Для виникнення життя і його подальшого існування необхідна енергія. Постійно й рівномірно одержувати необхідну кількість енергії дозволяє рух планети навколо якої-небудь зірки по коловій чи близькій до колової орбіті. Крім того, необхідна постійна інтенсивність випромінювання світила. Це дуже важливо, тому що інакше потік променистої енергії, який надходить на планету, не буде рівномірним. Нерівномірність потоку енергії призведе до різких коливань температури, а це перешкоджатиме виникненню й розвитку життя, тому що існування живих організмів можливе в певному температурному діапазоні (адже все живе на 70-80 % складається з води). Усім цим вимогам відповідала планета Земля.

Отже, близько 5 млрд років тому на Землі виникли космічні, планетарні й хімічні умови для більш високого рівня розвитку матерії — її еволюції в напрямку виникнення життя.

Основні етапи хімічної еволюції, яка передувала абіогенезу. Ці етапи включають утворення хімічних елементів і найпростіших неорганічних сполук.

Утворення хімічних елементів. Утворення хімічних елементів у процесі розвитку зоряних систем, у тому числі і таких, як наша Сонячна система, — закономірне явище в еволюції матерії.

Завдяки спектральному аналізу доведено, що водень є найбільш поширеним елементом у Всесвіті. Унаслідок реакцій ядерного синтезу з нього виникає гелій, з якого, у свою чергу, утворюється вуглець. У результаті приєднання до ядра вуглецю інших ядер гелію виникають ізотопи кисню, неону, магнію й інших елементів. Таким чином, виникнення атомів хімічних елементів, з яких складається основна маса зірок, планет і їх атмосфер, є лише початковим етапом неорганічної еволюції. Однак для подальшого розвитку в напрямку до виникнення життя необхідні були певні космічні й планетарні умови.

Утворення найпростіших неорганічних речовин. Водень, вуглець, кисень, азот і фосфор (біогенні елементи) досить поширені в космосі і можуть вступати в реакції, утворюючи при цьому найпростіші неорганічні сполуки, — це наступний етап неорганічної еволюції. Сприятливим чинником є надходження енергії від зірок у вигляді електромагнітного випромінювання й тепла.

Початковий етап існування Землі відзначався інтенсивним термоядерним процесом, високою температурою (понад 1000 °С) та активною хімічною діяльністю. У міру охолодження планети важкі елементи переміщалися до її центра, а більш легкі сполуки (H2, CO2, CH4та ін.) залишалися на поверхні. Метали й інші елементи, здатні окислюватися, з'єднувалися з киснем, і в атмосфері планети вільного кисню не було. Уся атмосфера ранньої Землі складалася з вільного водню і його сполук, тому мала відновний характер. Саме ця атмосфера — не окисна, а відновна — і сприяла виникненню життя. Вона складалася з водяної пари (Н2O), метану (СН,), діоксиду вуглецю (С02), оксиду вуглецю (СО), аміаку (NH3), азоту (N2), сірководню (H2S) та ін.

Останні спостереження радіоастрономії міжзоряного простору показали, що ті самі молекули, які виникають одночасно з народженням зірок, присутні в первинній атмосфері будь-якої планети. Багатьом радіоастрономам удалося ідентифікувати в міжзоряному просторі аміак і водяну пару.

Відповідні експерименти, проведені в той же час, підтвердили, що за наявності метану, води й аміаку напевно можуть утворитися такі сполуки, як ціаністий водень (HCN) і формальдегід (НСОН). Саме ці молекули і було виявлено в міжзоряному просторі. Сам факт існування таких сполук свідчить про те, що вони могли виникнути з первинних газових сумішей у результаті реакцій, пов'язаних з формуванням нових зірок. Це підготувало умови для третього етапу еволюції, який безпосередньо й започаткував процес абіогенезу.

Абіогенез. Перший етап — утворення простих органічних сполук. Для синтезу перших "цеглинок" життя необхідна була "сировина", тобто "будівельний матеріал" і енергія.

Сировиною могли бути N2 Н2, CO, СO2, Н20, NH3, СН4, H2S, HCN, НСОН та ін.

Джерелами енергії були: теплова енергія — тепло земної кори, яка охолоджувалася; а також енергія вулканічних вивержень і метеоритів, що потрапляли в атмосферу Землі; іонізуюча радіація — космічні промені й енергія радіоактивного розпаду важких елементів; сонячне світло — у першу чергу могутнє ультрафіолетове випромінювання, яке за відсутності озонового екрана безперешкодно проникало на Землю; енергія електричних розрядів від ударів блискавок; ударні хвилі (унаслідок падіння метеоритів).

Про цей етап, тобто про утворення мономерів — "цеглинок" біологічних полімерів — з газів, що містилися в первинній атмосфері, відомо найбільше, тому що ці реакції можна відтворити й повністю змодел ювати в лабораторних умовах. Досить успішні експерименти в цій галузі було проведено вже в 1913 році (Ж. Леб). Але найбільшу популярність здобули експерименти американських біохіміків С. Міллера і Юрі, які в 1953 р. переконливо довели можливість таких перетворень. Пропускаючи протягом декількох днів через суміш газів Н2, СН4 і NH3 і водяної пари електричний розряд при напрузі 60 тис Вольт (що за кількістю енергії можна порівняти з тривалістю періоду близько 50 млн. років на примітивній Землі) вони одержали у водяній фазі суміш, що складалася з різноманітних органічних речовин, у тому числі із 6 амінокислот (серед них — аспарагін; гліцин, глутамін), 11 органічних кислот — від мурашиної й оцтової до бурштинової, сечовину і метилсечовину.

Надалі виявилося, що абіогенним шляхом за умови відсутності кисню з отруйної суміші газів (N2 Н2, CO, СO2, NH3, СН4, H2S, HCN, НСОН) і водяної пари (Н,0) за участі розчинів солей важких металів, суміші глин та мінералів як каталізаторів, а як джерела енергії — електричних розрядів, ультрафіолетового випромінювання, іонізуючої радіації і дуже високої температури, можна синтезувати дуже багато простих органічних сполук, які входять до складу біологічних полімерів: білків, полісахаридів, ліпідів та нуклеїнових кислот.

Так, американський біохімік С. Фокс синтезував майже всі життєво важливі амінокислоти.

Етапи синтезу амінокислот, які утворюються під дією електричного розряду або ультрафіолетового випромінювання, якщо їх пропускати через суміш газів Н2, СН4 і NH,i водяну пару, досліджували у свій час Міллер і Юрі. Вивчаючи появу й зникнення окремих продуктів синтезу, що тривав протягом багатьох тижнів, вони переконалися, що концентрація аміаку неухильно знижувалася, а азот аміаку входив до складу насамперед щаністого водню (HCN) і ціаногену (C2N2). Це і були поряд з альдегідами перші синтезовані сполуки. Амінокислоти синтезувалися пізніше з ціаністого водню й альдегідів. Такий хід синтезу дозволяє припустити, що амінокислоти утворювалися з альдегідів шляхом, який добре відомий хімікам-органікам під назвою реакції Штрекера.

Крім амінокислот, при нагріванні газових сумішей в закритих посудинах до високих температур (600-900 °С) за участі руд різних металів як каталізаторів утворювалися жирні кислоти й деякі цукри. Серед синтезованих штучним шляхом цукрів є шести-вуглецеві (гексози) і п'ятивуглецеві (пентози). Рибозу й дезоксирибозу, зокрема, було отримано в результаті впливу на суміш газів ультрафіолету і гамма-випромінювання.

Ще Бутлеров у XIX столітті довів, що при нагріванні в міцному лужному розчині формальдегід (НСОН) перетворюється на суміш цукрів.

У XX столітті інші автори (Поннамперум і Бейбел) запропонували модель виникнення цукрів під дією гідротермальних джерел. Пропускання розведеного розчину формальдегіду над поверхнею нагрітої глини або навіть звичайне кип'ятіння формальдегіду спричинювали реакції конденсації та утворення цукрів.

У наш час хіміки-органіки досить легко одержують цукри із суміші метану (СН.), аміаку (NH3) і Н20 завдяки дії іонізуючої радіації. При цьому пентози, зокрема, утворюються в результаті конденсації проміжного продукту — формальдегіду (НСОН). Цей процес складається з ряду етапів, але сумарна реакція проста: із 5-ти молекул формальдегіду утворюється одна молекула рибози.

Як відомо, гексози (глюкоза, зокрема) входять як мономери до складу полісахаридів, а пентози (рибоза і дезоксирибоза) — до складу нуклеотидів, які є мономерами нуклеїнових кислот. Для утворення нуклеотида, крім пентози, потрібні ще фосфорна кислота й одна з азотистих основ, які належать до двох класів — пуринів і піримідинів.

Неодноразово робилися спроби — і досить успішні — продемонструвати можливість абіогенного синтезу азотистих основ, які входять до складу нуклеїнових кислот, шляхом ряду реакцій конденсації із ціаністого водню (HCN), який, у свою чергу, вдається одержати при нагріванні до високих температур сумішей з метану (СН4), аміаку (NH3) і води.

Ціаністий водень (HCN),