Происхождение жизни в горячей минеральной воде с дейтерием

futuraptor
07-03-2016
Происхождение жизни в горячей минеральной воде с дейтерием
178

Совместные болгарско-российские исследования под руководством проф. И. Игнатова из Болгарского научно-исследовательского центра медицинской биофизики в Софии и к.х.н. ]]>О.В. Мосина]]> из России показали, что первые органические формы жизни возникли в горячей минеральной воде с повышенным содержанием дейтерия, поскольку в условиях первичной бескислородной атмосферы, лишенной озонового слоя, под воздействием геотермальной энергии, коротковолнового излучения Солнца и мощных искровых разрядов, в первичной гидросфере Земли могли образовываться и накапливаться некоторые количества дейтерия. Эти данные также служат подтверждением возможного пути перехода от синтеза малых органических молекул за счет температуры и энергии ультрафиолетового излучения Солнца к более сложным органическим молекулам протеинов и нуклеиновых кислот.

Условия на Земле в эпоху бескислородной атмосферы для первых органических систем были довольно жёсткими. Хотя первые организмы в бескислородной атмосфере не подвергалась окислению, ничто не защищало их от губительного воздействия жесткого ультрафиолетового излучения. За счет высокоэнергетического ультрафиолетового излучения Солнца могли синтезироваться малые органические молекулы и свободные радикалы. Для синтеза из малых молекул других, более сложных органических соединений могли использоваться геотермальные источники энергии.

Полученные результаты продемонстрировали возможный путь перехода от синтеза малых органических молекул за счет энергии ультрафиолетового излучения Солнца к более сложным органическим молекулам, образующимся при менее жестких термических воздействиях. Это очень важно для формирования представлений о ранней эволюции первых органических форм жизни. Важную роль в этом процессе играли молекулы жизненно-важных соединений – протеинов и нуклеиновых кислот. Как известно, молекулы протеинов построены из одной или нескольких полипептидных цепей, состоящие из большого числа различных аминокислот. Их последующая конденсация в полипептидные цепи может произойти в определённых условиях, после их образования. Важным фактором в реакции конденсации двух молекул аминокислот является выделение молекулы воды. Поскольку реакция поликонденсации аминокислот сопровождается дегидратацией, при удалении воды из системы скорость реакции увеличивается.

Этот факт свидетельствует о том, что раннее развитие жизни происходило вблизи действующих вулканов, поскольку в ранние периоды геологической истории вулканическая деятельность происходила более активно, чем в последующие геологические времена. Дегидратация сопровождает не только полимеризацию аминокислот, но и объединение других блоков в более крупные органические молекулы, а также полимеризацию нуклеотидов в нуклеиновой кислоты. Такое объединение всегда связано с реакцией конденсации, при которой от одного блока "отщепляется" протон Н+, а от другого - гидроксильная группа ОН- с образованием молекулы воды (Н2О).

Первым возможность существования реакций конденсации-дегидратации в условиях первичной гидросферы доказал Кальвин в 1965 году. Из всех соединений только синильная кислота (HCN) и ее произодные - цианамид (HNCN2) и дицианамид HN(C = N)2 обладают дегидратирующей способностью и способностью катализировать процесс связывания молекулы воды первичной гидросферы. На присутствие синильной кислоты в первичной гидросфере указывают и ранние эксперименты С. Миллера. Реакции поликонденсации аминокислот в присутствии синильной кислоты и ее производных зависят от кислотности водных растворов, в которых они протекают. В кислых водных средах (рН = 4-6) эти реакции не идут, тогда как щелочные условия (рН = 8-9) способствуют их протеканию. До сих пор не существует однозначного мнения, имел ли первичный океан щелочной состав, но именно таким значением рН по мнению авторов обладала озерная вода, соприкасавшаяся с базальтом, и эти реакции могли происходить при контакте воды с базальтовыми породами.

Тонкие плёнки органических полимеров, образующихся при искровых разрядах в смеси паров воды (Н2О), аммиака (NH3), сероводорода (H2S), серы и золы дрожжей

В модельных условиях первичной гидросферы безводную смесь аминокислот подвергали воздействию температур от +60 0С до +170 0С с образованием коротких протеинов. При этом наилучшие результаты по поликонденсации получались со смесями аминокислот, содержащими аспарагиновую и глутаминовую кислоты. Эти аминокислоты относятся к числу незаменимых аминокислот, встречающихся во всех современных организмах. В процессе синтеза из них образовывались соединения сходные с природными белками, впоследствии названные термическими протеиноидами. Они состояли из крупных молекул с молекулярной массой до 300000, состоящих из тех же аминокислот, что и природные белки. По количественному составу они содержат 18 из 22 аминокислот, обычно встречающихся у современных организмов, что соответствует общему определению белка.

С природным белком протеиноиды сходны и по ряду других важных свойств, например по связыванию полинуклеотидов, по пригодности в пищу бактериям и крысам, по способности вызывать реакции, сходные с теми, которые катализируются ферментами в живых организмах. Так, эти искусственно синтезированные органические соединения способны каталитически разлагать глюкозу и оказывать действие аналогичное действию меланоцитстимулирующего гормона.

Другим важным свойством протеиноидных соединений является их гетерогенность. Это означает, что последовательность аминокислот в их пептидных цепях не случайна, а, напротив, закономерна. За последние годы много было сделано для изучения структуры и свойств термических протеиноидов. Если промыть горячую смесь протеиноидов водой или водными растворами солей, в водной среде образуются элементарные мембраноподобные микросферы. Размер микросфер очень мал, их диаметр составляет около 2 мкм. По морфологическим особенностям микросферы напоминают мембрану клетки.

Как показали болгарско-российские исследования, протеноидные микросферы довольно стабильны. При помещении их в водные растворы другой концентрации, чем концентрация исходного раствора, в котором они образовались, они начинают реагировать на внешние условия. В концентрированных водных растворах они сморщиваются, в разбавленных набухают, т. е. их реакция на изменение осмотического давления сходна с реакцией живых клеток. Это объясняется наличием у них полупроницаемой наружной оболочки, сходной с мембраной клетки, которая может быть также и двойной.

Образование протеноидных микросфер из смеси термических протеиноидов важно, поскольку дает материал для суждения о том, как мог произойти следующий этап эволюции жизни. Это этап от разрозненных органических молекул к группам организованных молекул - коацерватам, собранным в отдельные структуры и отделенными от окружающего мира примитивной мембраной – аналогом клеточной мембраны, что было впервые продемонстрировано выдающимся советским и российским ученым, академиком А. И. Опариным.

С учетом вышеназванных факторов происхождение жизни выглядит следующим образом. Начальным этапом эволюции, по-видимому, было образование в первичной гидросфере и насышенной водяными парами и смесями газов — CO, Н2, N2, NH3 и CH4 атмосфере при высоких температурах аминокислот и азотистых соединений — аналогов нуклеиновых кислот. Как было показано авторами раннее, такой синтез возможен в условиях восстановительной атмосферы при наличии в водной среде H3PO3 и воздействии электрических разрядов, ультрафиолетового излучения и высоких температур.

Следующим этапом является поликонденсация аминокислот в термические протеиноиды при температурах 65-170 0С в присутствии H3PO4 и фосфатов при наличии в водной среде достаточных количеств аспарагиновой и глутаминовой кислот. Затем в смеси термических протеиноидов при воздействии на них водой или кислыми водными растворами (дождем) могли образоваться протеиноидные микросферы — предшественники прото-клеток, обладающие каталитической активностью. Способность термических протеиноидов к выполнению некоторых биохимических функций, сходных с функциями ферментов живых организмов, выражается в том, что они способны в присутствии катионов Zn2+ расщеплять АТФ, т. е. обладают слабой ферментативной активностью. Впоследствие у микросфер могла появиться способность к синтезу РНК, которые могли случайным образом кодировать короткие белки.

Предполагаемые механизмы образования пуринов – аденина, гуанина и ксантина из водной смеси аммиака и цианистого водорода. Промежуточные продукты синтеза – 4-аминоимидазол-5-карбоксамидин и 4-аминоимидазол-5-карбоксамин детектировались в растворе.

Большой фактический материал дает и изучение строматолитов — древнейших известковых (доломитовых) ископаемых докембрийского периода, которые строили свой скелет из известняка и диоксида кремния SiO2. Эти древнейшие известковые (доломитовые) ископаемые докембрийского периода – строматолиты, которые строили свой скелет из известняка и диоксида кремния SiO2. Строматолиты формировались на дне неглубоких водоемов в архее в самую древнюю геологическую эпоху Земли — 2,5−3,5 млрд лет назад.

Изучение этих образований очень важно и интересно, так как строматолиты хранят в себе сведения о зарождающейся жизни на Земле и органическом составе первых живых организмов – многочисленных колоний цианобактерий, диатомовых водорослей и нефтеперерерабатывающих бактерий, возникающих в толщах известняков и доломитов в жерлах погасших вулканов и термических источников. Эти планктонные формы обитают в верхних слоях морской воды вместе с другими организмами, обладающими известковыми (фораминиферы) и хитиновыми панцирями. Размер организмов с кремниевым скелетом достигает несколько десятков микрометров. После смерти эти организмы опускались на морское дно, причём вещество их скелета химически взаимодействовало с морской водой. Карбонат кальция фораминифер и хитин других планктонных микроорганизмов растворялись в воде лучше, чем кремнезём диатомовых водорослей и радиолярий, формируя осадки кремнезёма. Кремнистые сланцы с отложениями этих кремнийсодержащих микроорганизмов формировались в эпоху фанерозоя в глубоких океанских впадинах, на глубинах около 2-3 км.

Временный расцвет организмом с кренезёмным скелетом мог привести к такому скоплению кремния в водах океана. Затем двуокись кремния могла кристаллизоваться вокруг рассеянных в известняке центров кристаллизации, постепенно замещая молекулы карбоната кальция. Позднее, организмы, обладающие известковыми панцирями - фораминиферы стали абсорбировать кальций из известняковых пород.

Новые болгарско-российские достижения в области исследования воды и её структуры дают возможность лучше анализировать условия, при которых зародилась жизнь. Трудно допустить, что жизнь могла возникнуть в «хаотической» воде. Живые организмы и вода являются сложными, самоорганизующимися системами со свойственной им структурой. Самыми благоприятными для зарождения жизни на Земле являются минеральные воды, которые взаимодействуют с карбонатом кальция, а затем морские воды. При этом самоорганизация первичных органических соединений в водной среде поддерживалась термальной энергией магмы, вулканической деятельностью и солнечной активностью. Так, циркулирующие в недрах по трещинам, пустотам, каналам и пещерам карстовые воды содержат карбонат кальция, активно взаимодействуют с живой материей и содержат информацию о жизни в более позднем геологическом периоде.

Новые данные совместных научных болгарско-российских исследований свидетельствуют о том, что первичная вода на начальных этапах эволюции могла обладать повышенной температурой и иметь щелочную реакцию за счет взаимодействия с известковыми породами, содержащими карбонат кальция, и могла содержать больше дейтерия. Если это так, что это является существенным фактом термоустойчивости и стабильности дейтерированных макромолекул в поддержании жизни в условиях повышенных температур, поскольку связи образованные с участием дейтерия прочнее связей, образованных с участием водорода. Поскольку характер земной атмосферы впоследствии изменился с восстановительного на окислительный, условия на Земле изменились, что могло способствовать очистке гидросферы от дейтерия. 

Проф. И. Игнатов (Болгария)

К.х.н. О.В. Мосин (Россия)

Просмотреть полную версию статьи 

futuraptor.com - интернет-журнал, публикующий новости науки и технологий,  об их влиянии на различные сферы жизни человека.

Человек построил вокруг себя собственный мир - мир в котором даже его творцу теперь непросто ориентироваться. Проявления технологий различно - это и IT, и робототехника, био- и генная инженерия, огромное культурологическое влияние - в музыке, кино, книгах, телевидение. Поток информации просто ошеломляет - достаточно лишь подписаться на десяток околонаучных твиттеров и новостная лента будет обновляться быстрее, чем вы ее сможете прочесть. Столько всего нового и так мало времени. Наша скромная миссия - предоставить на нашем сайте возможность прочесть самое интересное, а иногда и полезное, что может появиться в сети. Вместо множества источников - выберите один, наш сайт(у нас есть твиттер @futuraptorr, а также страницы в социальных сетях) и обеспечьте себя интересным чтением в минуты досуга. 

Современные достижения науки и техники, новые технологии, электроника, компьютеры, роботы, гаджеты, мобильные устройства, интересные разработки известных корпораций, средства коммуникаций, футуристические концепты, космические исследования, интересное и полезное в сети, изобретения - все это и многое другое в новостях и обзорах на этом сайте. А также о вещах смежных(скорее субъективно, нежели объективно). 

Мы всегда готовы поведать о чем-то новом, о том что на самом краю. И если у вас есть идея для нас, просто оставьте комментарий к статье. Мы всегда читаем комментарии. Или напишите нам на story@futuraptor.com

Остались вопросы? Отправьте форму на странице обратной связи

Новые статьи

Квадрокоптер Walkera Voyager 4 позволяет делать снимки с километра

Данная модель является одной из первых в потребительском сегменте, которая может быть укомплектована камерой с оптическим 16X зумом.

Walkera F210 3D – гоночный квадрокоптер для состязаний и не только

Сравнительно недорогой FPV-беспилотник с хорошей управляемостью и прочной конструкцией.