Libmonster ID: UA-1875

Академик В. Н. ПАРМОН, директор Института катализа им. Г. К. Борескова Сибирского отделения РАН

Обильный на научные достижения XX в. все же оставил нам нерешенной одну из самых главных загадок человеческого бытия - зарождение жизни на Земле. На этот счет существует множество гипотез. Неожиданный взгляд на проблему предлагают сибирские ученые.

Мы давно свыклись с представлением о том, что планеты Солнечной системы возникли из первичного газопылевого облака, образовавшегося вследствие каких-то звездных катаклизмов около 5 млрд. лет назад. Но только недавно было отмечено, что это облако одновременно являлось и огромным каталитическим реактором. В нем присутствовали железо, никель и кремний - основа допланетной пыли, а также важнейшие компоненты межпланетного газа - водород, окись углерода и т.д. В таком химическом семействе не могли не происходить провоцируемые космическими пылинками реакции синтеза органических соединений. Как выяснилось при численном моделировании астрофизических процессов, проведенном нашими коллегами, без подобных взаимодействий образование планет невозможно. Для слипания твердых частиц "чистой" космической пыли в более крупные агрегаты требовался "клей" - поверхностный липкий слой из синтезируемых органических молекул. Он как раз и способствовал конгломерации соударяющихся пылинок твердого вещества. Из этих растущих сгустков формировались протопланеты, а из них, в свою очередь, Земля и другие объекты Солнечной системы.

Кстати, многие принципиальные характеристики гипотетического глобального космического реактора для химиков не новы. Во-первых, по их классификации, он функционирует на тех же принципах, что и его аналоги с "псевдоожиженным" слоем катализатора. Во-вторых, давление газообразных реагентов в зоне формирующихся планет составляло, как предполагается, заметные доли атмосферного, т.е. оно вполне типично для уже известных специалистам процессов. Похожи и многие другие параметры - состав реакционной среды, температура и т.п. В результате из водорода и окиси углерода на железо- и никельсодержащих пылинках были обязаны синтезироваться прежде всего углеводороды и кислородсодержащая органика типа простых спиртов и альдегидов. Недавно мы экспериментально показали, что вещество реальных метеоритов действительно этому способствует. Следовательно, выдвигая любые гипотезы о геологической и биологической эволюции планет, надо помнить: они образуются в местах каталитического синтеза органических соединений, а первичные из них, возможно, стали основой жизни, появившись уже на самом раннем этапе возникновения Солнечной системы. И часть органики могла за-

стр. 43


Схема действия космического каталитического реактора в момент образования Земли.

хватываться формирующимся веществом, впоследствии ставшим одним из компонентов ныне ископаемого сырья. Верно ли данное предположение, покажут дальнейшие исследования.

Каким же образом на только что "родившейся" Земле были запущены таинственные физико-химические процессы, в ходе которых появилась жизнь? Для ответа на вопросы о происходивших событиях в тот очень краткий по геологическим масштабам период времени надо, по возможности, четко сформулировать задачу. То есть договориться, что мы понимаем под феноменом "жизнь" и что могло быть ее первым "добиологическим" проявлением.

Впрочем, несколько необходимых атрибутов жизни хорошо известны. Прежде всего - это обязательно процесс, т.е. функционирование за счет обмена веществом и энергией с окружающей средой. Далее следует размножение и воспроизведение себе подобных - так называемая саморепликация. Наконец, способность живых объектов к прогрессивной эволюции, связанной с наличием биологической памяти.

Все эти процессы - химические. Однако отдельно взятые, они жизнью не являются. Так, рост кристаллов есть не что иное, как повторение себе подобных соединений и структур. А ведь они могут быть очень сложными. Возьмем, к примеру, ажурную сеточку алюмосиликатных молекулярных сит - цеолитов, которые по изяществу соперничают со скелетиками морских существ - фораминифер (представители отряда простейших).

Объект исследований нашего института - химические процессы, основанные на обмене веществом - реагентами и продуктами реакций - с поверхностью катализатора. Но это тоже далеко не жизнь. Она начинается с появления биологической памяти, позволяющей накапливать ценную наследственную информацию, обеспечивая тем самым основу для естественного отбора - в ходе его организмы могут усложняться, адаптироваться к окружающей среде и эволюционировать. Реализуется такая память с помощью молекул РНК и ДНК. Конечно, чрезвычайно важно понять: а возможны ли их предшественники, более просто устроенные, тем не менее выполняющие указанную функцию?

Десятки созданных в связи с обсуждаемой проблемой теорий делятся на две мировоззренчески разные категории. Одна - зарождение жизни непосредственно на Земле, другая - привнесение ее из космоса. Почему последняя имеет право на существование? Да ведь пока никакое из ранее выдвинутых объяснений земного происхождения жизни не вскрывает причин появления первых молекул РНК и ДНК. Наиболее известная и хорошо аргументированная теория Опарина-Холдейна (1922 г.) обосновывает образование достаточно сложных химических соединений и подводит к выводу: в природных водоемах жизни предшествовал так называемый пребиотический бульон из реакционно-способной органики. Из нее, в свою очередь, сначала синтезировались

стр. 44


Зарождение жизни в потоках энергии и химических веществ по Опарину-Холдейну.

биополимеры, затем фрагменты организмов и т.п.

А вот объяснить, как здесь появились молекулы нуклеотидов, послужившие далее основой для молекул РНК и ДНК, данная теория не способна. Ведь случайным образом они создаться не могли: для этого не хватило бы и 5 млрд. лет существования нашей планеты. Однако и утверждение, что, прилипнув к космической пыли, занесены кометами или метеоритами, тоже не приближает к истине, поскольку не содержит объяснения механизма их возникновения.

Как могут рассуждать в данной ситуации химики? Наиболее близки к биологическим системам так называемые автокаталитические системы: в них химические реакции ускоряются собственными конечными продуктами или их предшественниками. Как и в сообществе живых организмов, тут происходит "размножение", т.е. саморегошкация молекул, чью простейшую реакцию можно описать уравнением R + X → 2Х. Согласно ему, молекула автокатализатора X после реакции с молекулой субстрата-"пищи" R удваивает свое количество. Если же "пищи" достаточно, оно растет лавинообразно.

В то же время поведение этих реакций в условиях открытой системы, где есть обмен веществом, а доступ к "пище" ограничен, приводит к парадоксальному выводу. Оказывается, существуют два стационарных состояния такой системы. В первом, неустойчивом, количество автокатализатора всегда равно нулю, ибо для появления второй его молекулы необходима "затравка" в виде хотя бы одной предшествующей. Если ее не было, то и новые не образуются. Во втором - количество автокатализатора линейно увеличивается с ростом концентрации "пищи". Однако при этом она должна превышать некий минимальный критический уровень, в противном случае автокатализатор "вымрет".

Такое свойство автокатализатора важно для обсуждаемой проблемы. Действительно, стоит в системе существовать не одному, а сразу нескольким их типам, синтезируемым из одной и той же "пищи", как при уменьшении ее концентрации начнут исчезать сначала автокатализаторы, для которых критические значения количества "пищи" были максимальны. Если после уменьшения количества "пищи" спустя какое-то время оно вновь увеличится, исчезнувшие типы автокатализаторов, к сожалению, не восстановятся никогда, потому что даже "затравок" для их появления, хотя бы в виде одной молекулы, уже нет.

Описанное очень похоже на естественный отбор в настоящих популяциях и эквивалентно примитивной биологической памяти: к "продолжению рода" способны только автокатализаторы, отобранные по параметру критической концентрации "пищи". Поэтому все, что может происходить с системой в последующем - а если есть их мутации, то какие-то изменения действительно реальны - начнется лишь с того набора автокатализаторов, на котором остановилась эволюция в предыдущий период.

Но вот вопрос: а известна ли хотя бы одна автокаталитическая реак-

стр. 45


Схема "естественного" отбора автокатализаторов Xi при уменьшении и последующем увеличении концентрации "пищи" R. Входе цикла "выживает" только автокатализатор Х3 , у которого критическая концентрация "пищи" RKp3 оказалась меньше минимального уровня "пищи" при уменьшении ее концентрации (помечено светлой точкой).

Структура моносахаров С6 , которые появляются в реакции Бутлерова.

ция, в которой могут происходить мутации? Да, это так называемая реакция Бутлерова (открыта почти 150 лет тому назад выдающимся российским химиком-органиком, действительным членом Петербургской АН), представляющая собой синтез Сахаров из молекул очень простого соединения - формальдегида (СН2 О). Важно отметить, что протекать она может даже при комнатной температуре и в водных растворах при наличии в них ионов кальция или магния, т.е. компонентов, которые существуют и поныне в природных водоемах Земли. До сих пор специалисты считают реакцию Бутлерова неуправляемой, ибо направить ее на синтез Сахаров какой-либо заранее заданной структуры не удается - всякий раз получается их набор самой различной структуры. А это уже не что иное, как прототип мутаций. Скажем, если проанализировать несколько Сахаров одного и того же химического состава, то выяснится: при полной их идентичности по атомному составу они обладают разными свойствами. Значит, такими же должны быть и критически низкие концентрации формальдегида, при которых можно ожидать вымирания популяций конкретных типов сахаров-автокатализаторов.

Почему важно, что в указанной реакции синтезируются сахара? Полные химические названия РНК и ДНК - соответственно рибонуклеиновая и дезоксирибонуклеиновая кислоты. Корень в обоих "рибо", от слова "рибоза" - сахар с пятью атомами углерода, т.е. основа любых нуклеотидов.

Отличие нуклеотидов РНК и ДНК от молекул Сахаров в том, что у первых к сахарному основанию дополнительно присоединены фосфатные группы и не очень сложная азотсодержащая органика. Взаимное отличие нуклеотидов РНК и ДНК еще меньше - немного разнятся соединения азота, да в сахарном остатке ДНК чуть меньше атомов водорода. Существенно, что при наличии готовой молекулы сахара соединения фосфора и азота способны присоединиться к ней в ходе простых самопроизвольных реакций. Заметим: и в другом принципиально важном химическом компоненте живых организмов - переносчике энергии АТФ (аденозинтрифосфат) - тоже гла-

стр. 46


Моносахарид рибоза - основа структуры нуклеотидов РНК и ДНК, а также аденозинтрифосфата. Показаны структуры сходных нуклеотидов уридила (РНК) и тимина (ДНК).

Схема эксперимента по исследованию реакции Бутлерова в стационарных условиях.

венствует моносахарид рибоза. То есть сахара - основа всего живого. Более того, молекулы именно на их основе, а не аминокислот (белков), функционально обеспечивают возможность биологической памяти и, таким образом, отличие живого от неживого.

Реакцию Бутлерова интенсивно исследовали в 70-е годы XX в. - пытались создать источник искусственной пищи для длительных полетов на Марс. Однако безуспешно - синтезируемая смесь всегда содержала не только полезные, но и ядовитые сахара. А причина неудачи в том, что не были решены проблемы, относящиеся к компетенции прежде всего химиков-каталитиков.

В чем суть? Поскольку управлять ходом реакции пока не удается, надо выяснить, какие именно типы Сахаров выполняют в ней роль наиболее активных автокатализаторов. Ответ позволит понять, действительно ли в этом химическом процессе возможен естественный отбор. Неясна пока и роль ионов кальция или магния. Для решения этих задач в Институте катализа СО РАН несколько лет назад возобновили исследования реакции Бутлерова. При этом используются весьма простые "проточные" устройства, позволяющие тем не менее моделировать многие элементы систем, "открытых" для обмена веществом. В стеклянный реактор с хорошо перемешиваемым содержимым подают сразу несколько исходных компонентов. Раствор с получаемыми продуктами непрерывно вытекает из реактора. Самое важное и сложное для нас - химический анализ того, что же именно образуется в ходе превращений формальдегида.

Уже в первых экспериментах мы обнаружили явления, на которые раньше не обращали внимания. Так, далеко не все типы Сахаров активны в роли автокатализаторов: способны к ней лишь сахара, в чьих молекулах один из атомов кислорода находится в строго определенном месте. Причем получаемый в результате реакции состав - это показал анализ на самых чувствительных хроматографах - оказался абсолютно одинаковым, при прочих равных условиях не зависящим от природы вводимой в небольших количествах "затравки". Удается наблюдать не менее десяти различных синтезируемых Сахаров, но только три из них - глюкоза, сор-

стр. 47


боза и эритроза - широко известны. А что собой представляют остальные - предстоит выяснить. По мнению биохимиков, для образования нуклеотидов, особенно первичных, не обязательно требовалась именно рибоза. Старт могли дать и другие виды Сахаров. Наши эксперименты показали: простейшие их молекулы можно получить при облучении водных растворов формальдегида УФ светом, т.е. без реакции Бутлерова.

А теперь о том, что служит исходной "пищей" для Сахаров, - формальдегиде. В первичной атмосфере Протоземли он несомненно существовал и, вероятно, в довольно больших количествах, ибо образоваться мог при мощных разрядах молний или, скажем, на раскаленных каталитически активных лавах.

Какие выводы можно сделать уже сегодня? Во-первых, прогрессивный естественный отбор на Земле мог начаться и без наличия РНК и ДНК, с более простых соединений. Во-вторых, в отличие от предположений, что для старта жизни требовался пребиотический "жирный" бульон, т.е. насыщенный органикой (а это как раз и сомнительно), из нашего анализа следует: запуск естественного отбора произошел в "тощем" бульоне, где и возникла конкуренция молекул автокатализаторов за "пищу". Важно также, что в нем первичный синтез молекул сахаров по целому ряду термодинамических факторов намного предпочтительнее аналогичного синтеза белков из аминокислот, который обычно считают первичным элементом зарождения жизни. Почему? При синтезе Сахаров из молекул формальдегида не происходит "выщелкивания" молекул воды в водный же раствор, как при синтезе белков из простых аминокислот. Молекулы Сахаров в противовес белковым стабильны даже в очень разбавленных водных растворах.

Очень существен вопрос о частоте полезных и закрепленных "мутаций" получаемых сахаров-автокатализаторов. Действительно, в популяциях живых организмов они крайне редки. Еще реже вероятность их фиксации. Стало быть, естественный отбор в природе - процесс очень медленный. В условиях наших экспериментов и полезные, и вредные мутации происходят в интервале нескольких минут. Каково реальное время протекания этих процессов в конкретных условиях, покажут исследования. Но в любом случае указанный масштаб говорит о том, что первые прототипы живых объектов могли появиться буквально за считанные миллионы, а может быть, даже сотни тысяч лет - миллиарды лет для этого не нужны, о чем свидетельствует и геология.

Гипотеза о роли автокаталитического синтеза Сахаров подсказывает и решение проблемы хиральности в живом мире, т.е. существования "правых" и "левых" изомеров молекул, различающихся как перчатки для правой и левой руки. Действительно, ответить на вопрос, почему в современных организмах представлена только "правая перчатка", очень не просто. Если же исходить из представлений о появлении жизни в результате отбора в автокаталитических системах, логичен вывод: по-видимому, наличие лишь "правой перчатки" - случайный фактор. Заметим, кстати, что молекулы практически всех Сахаров обладают хиральностью. Выходит, первая же молекула сахара-автокатализатора, имевшая существенные "эволюционные" преимущества над другими, очень быстро "съела" остальные. Затем природе ничего не оставалось, кроме как использовать ее с конкретной случайной "правой" хиральностью для построения всех последующих более сложных молекул, а затем и живых организмов.

Наконец, опираясь на уже высказанные в статье предположения, можно дать достаточно широкое физико-химическое толкование понятию "жизнь". Это очень важно для того, чтобы мы в поисках примитивных ее форм, в том числе и в космосе, не обошли вниманием пока трудно угадываемые явления. В соответствии с вышеизложенным, жизнь - это фазообособленная форма существования функционирующих автокатализаторов, способных к химическим мутациям и претерпевших достаточно длительную эволюцию за счет естественного отбора. Очевидно, такое толкование намного шире, чем понятие жизни на основе молекул только ДНК и РНК.

Пока мы не затрагивали вопрос о возможности существования фазообособленных форм функционирующих автокатализаторов. Можно надеяться, что последующие исследования особенностей реакции Бутлерова дадут ответ и на него. Однако распространенность каталитических систем, обладающих свойствами фазовой обособленности, очевидна уже сейчас. Например, в ходе реакций синтеза распространенных полимеров типа полипропилена или полиэтилена материал растет сразу фазообособленным - в виде микрогранулы или глобулы. При этом внутри них функционирует катализатор, наращивая вокруг себя синтезируемый материал.

Из представленного анализа следует еще один заранее неочевидный, но очень важный мировоззренческий вывод: если на поверхности планеты возможна реакция Бутлерова, то появление жизни на основе именно РНК и ДНК предопределено. То есть другие формы, о которых пишут фантасты (силиконовая, фторная и т.п.), - нереальны. РНК и ДНК обязаны возникнуть на любой планете, геологическая история которой сходна с земной.

Нельзя исключить, что и реакция Бутлерова - не единственная автокаталитическая, положившая начало естественному отбору. Но подобные ей пока не известны. Их надо искать, опираясь на глубокие фундаментальные исследования реакций, в которых синтезируются органические молекулы. По-видимому, именно здесь можно найти самые первые химические процессы, предшествовавшие зарождению жизни.

В заключение автор хотел бы поблагодарить большой коллектив сотрудников не только нашего института, но и специалистов Института биофизики, а также других физических и математических институтов СО РАН, чьи работы способствовали появлению этой статьи. Особенно хотелось бы отметить Новосибирский государственный университет, поскольку многие химические эксперименты сейчас делаются руками увлеченных студентов-дипломников.


© elibrary.com.ua

Permanent link to this publication:

https://elibrary.com.ua/m/articles/view/Точка-зрения-АВТОКАТАЛИЗ-СТАРТ-ДЛЯ-ПОЯВЛЕНИЯ-ЖИЗНИ

Similar publications: LRussia LWorld Y G


Publisher:

Григорий ГалушкоContacts and other materials (articles, photo, files etc)

Author's official page at Libmonster: https://elibrary.com.ua/Galushko

Find other author's materials at: Libmonster (all the World)GoogleYandex

Permanent link for scientific papers (for citations):

Точка зрения. АВТОКАТАЛИЗ - СТАРТ ДЛЯ ПОЯВЛЕНИЯ ЖИЗНИ? // Kiev: Library of Ukraine (ELIBRARY.COM.UA). Updated: 18.06.2014. URL: https://elibrary.com.ua/m/articles/view/Точка-зрения-АВТОКАТАЛИЗ-СТАРТ-ДЛЯ-ПОЯВЛЕНИЯ-ЖИЗНИ (date of access: 04.12.2021).


Comments:



Reviews of professional authors
Order by: 
Per page: 
 
  • There are no comments yet
Related topics
Rating
0 votes
Related Articles
Несмотря на все провалы за 2,5 года практически неограниченной власти, ближайшее окружение Зеленского старательно убеждает президента в его гениальности и он похоже верит. Аплодисменты заглушали крики «ганьба» так качественно, что Зеленский вжился в роль успешного политика и даже аплодировал себе сам.
Catalog: Разное 
19 hours ago · From Naina Kravetz
UNDER ADVERSE CONDITIONS
Catalog: Экономика 
Yesterday · From Україна Онлайн
THE "EUROPEAN CHOICE" OF UKRAINE WITHOUT THE "UKRAINIAN CHOICE" OF THE EU
Yesterday · From Україна Онлайн
THE NEW CYCLE OF ALLIANCE ENLARGEMENT: UKRAINE AND NATO
Yesterday · From Україна Онлайн
Люди делового миа
Yesterday · From Україна Онлайн
ДА БУДЕТ ГАЗ!
Catalog: Разное 
Yesterday · From Україна Онлайн
А вообще весь этот кейс с комиками во власти заставил понять, что киношный сценарий разительно отличается от реальной большой политики, где побеждает трезвый, незамутненный запрещенными веществами ум, холодный расчет и опыт – как обязательные составляющие личности, дерзающей определять путь миллионов человек.
Catalog: Разное 
4 days ago · From Naina Kravetz
Когда менять резину на зимнюю в 2021 году?
4 days ago · From Україна Онлайн
Запрещает ли PayPal азартные игры?
Catalog: Экономика 
5 days ago · From Україна Онлайн
IN THE INTERESTS OF ENERGY STABILITY
10 days ago · From Україна Онлайн

Actual publications:

Latest ARTICLES:

ELIBRARY.COM.UA is an Ukrainian library, repository of author's heritage and archive

Register & start to create your original collection of articles, books, research, biographies, photographs, files. It's convenient and free. Click here to register as an author. Share with the world your works!
Точка зрения. АВТОКАТАЛИЗ - СТАРТ ДЛЯ ПОЯВЛЕНИЯ ЖИЗНИ?
 

Contacts
Watch out for new publications: News only: Chat for Authors:

About · News · For Advertisers · Donate to Libmonster

Ukraine Library ® All rights reserved.
2009-2021, ELIBRARY.COM.UA is a part of Libmonster, international library network (open map)
Keeping the heritage of Ukraine


LIBMONSTER NETWORK ONE WORLD - ONE LIBRARY

US-Great Britain Sweden Serbia
Russia Belarus Ukraine Kazakhstan Moldova Tajikistan Estonia Russia-2 Belarus-2

Create and store your author's collection at Libmonster: articles, books, studies. Libmonster will spread your heritage all over the world (through a network of branches, partner libraries, search engines, social networks). You will be able to share a link to your profile with colleagues, students, readers and other interested parties, in order to acquaint them with your copyright heritage. After registration at your disposal - more than 100 tools for creating your own author's collection. It is free: it was, it is and always will be.

Download app for smartphones