Химическая эволюция. В древней атмосфере свободный кислород отсутствовал

В древней атмосфере свободный кислород отсутствовал. Она состояла из паров воды и газов CO₂, CH₄, NH₃, H₂S, из которых возможен синтез простых органических соединений. Основываясь на этом, А. И. Опарин и Дж. Холдейн предположили, что в океанах происходило их накопление. Потом из этих соединений под действием ультрафиолетового излучения (УФИ) Солнца и других факторов образовывались биополимеры, затем фрагменты клеток и так далее. Направление процесса определялось химическими свойствами материи и естественным отбором, которые реализовывались на фоне действия многочисленных случайных факторов.

По геологическим масштабам, жизнь на Земле возникла почти сразу после появления планеты. На это потребовалось не более 0,5–0,7 из 4,6 млрд лет существования Земли. Отсюда следует, что возникновение жизни явление далеко не случайное.

Возникает вопрос: «Возможен ли в неживой природе отбор органических соединений, необходимых для построения клетки, близкий естественному отбору в живой природе?» Ответ на него можно найти [19], рассматривая автокаталитические реакции, в которых после реакции катализатора X и «пищи» R получаются две молекулы X.

R + X → 2X.

Реакция приводит к лавинообразному росту автокатализатора в системе, если R > R_крит, где R_крит – критическое количество пищи, при котором реакция возможна.

Допустим, что молекулы автокатализатора X постепенно распадаются под действием тех или иных причин. Так случается с макромолекулами клетки. Что произойдет, при изменении концентрации пищи, если в системе присутствуют не один, а несколько автокатализаторов (X1, X2,.., Xn), отличающиеся уровнями R_крит? В этом случае синтез молекул с высоким уровнем R_крит, рано или поздно прекратится и в дальнейшем они исчезнут. Если количество пищи снова увеличится, то исчезнувшие типы молекул синтезироваться уже не смогут, т.е. будет наблюдаться отбор молекул, аналогичный естественному отбору в биологических популяциях.

Автокаталитические реакции с элементами отбора известны. Одна из них – «формозная» реакция Бутлерова, в которой сахара синтезируется из формальдегида при наличии кальция или магния

nCH₂O → (CH₂O)_n.

Напомним, что в основе нуклеотидов, формирующих РНК, лежит моносахарид рибоза – сахар с пятью атомами углерода. От сахаров нуклеотиды отличаются наличием фосфатных и азотсодержащих соединений. Причем к молекуле сахара эти соединения присоединяются без серьезных проблем. Надо отметить, что и другая клетка – переносчик энергии (АТФ) – содержит моносахарид рибозы. Таким образом, на основе сахаров образуются молекулы, которые ответственны за биологическую память и обмен энергией внутри клетки.

Необходимые для реакции Бутлерова простейшие сахара можно получить, облучив раствор формальдегида ультрафиолетом. Древняя атмосфера содержала водород, оксиды углерода, метан, водяной пар, аммиак, поэтому для образования формальдегида достаточно было катализатора – горячей, содержащей железо поверхности. Таким образом, добиологическая эволюция могла начинаться с простых соединений на основе сахаров.

Предположения проверили в Институте катализа АН РФ. В стеклянный реактор подавали исходные компоненты (формальдегид и различные сахара – затравку). Раствор с продуктами реакции непрерывно вытекал из реактора. Вначале прояснилось роль ионов кальция и магния. Оказалось, что участники реакции образуют промежуточные соединения — сначала получается комплекс ионов кальция или магния с одной молекулой сахара, а потом к нему присоединяется молекула формальдегида. Затем обнаружилось, что, если использовать соль кальция с фосфат-анионами (природный апатит), то в реакции формальдегида с простейшими сахарами получается. рибоза! Таким образом возможность синтеза рибозы в первичной атмосфере Земли подтвердилась.

Теперь рассмотрим мутацию сахаров (воспользуемся этим биологическим термином) в автокаталической системе. Полезные мутации в организмах крайне редки. В реакции Бутлерова мутации происходят за короткие промежутки времени (минуты), а не миллиарды лет. Это, с большой долей вероятности, означает, что РНК могут образовываться на любой планете, геологическая история которой сходна с Земной.