2020-06-12
79
1_| а основании ряда современных научных дан- 1 * ных возраст Земли как планеты определяется примерно в пять или пять с половиной миллиардов лет. Время же существования на ней жизни исчисляется периодом в полтора или два. миллиарда лет. Следовательно, в течение наибольшего периода своего существования наша планета была безжизненной. В этот промежуток времени, который отделял образование Земли от момента появления на ней жизни, на нашей планете совершались многочисленные и разнообразные химические превращения, в частности и превращения углеводородов. Первичные углеводороды появились на земной поверхности с самого начала ее образования. Но они являлись только исходными соединениями, начальным звеном длинной цепи тех превращений, которые совершались на еще безжизненной Земле и которые привели к возникновению в ее атмосфере и в водах первичного океана большого числа разнообразных, иной раз весьма сложных веществ, подобных тем, которые сейчас входят в состав тел животных и растений. Эти превращения и составили собою второй этап развития материи на пути к возникновению жизни.
Как указывалось в предыдущей главе, Земля сформировалась при сравнительно низких температурах, примерно таких, какие существуют и в настоящее время на нашей планете. Поэтому уже с самых ранних периодов своего существования Земля обладала твердой поверхностью, водной оболочкой (гидросферой) и газовой оболочкой (атмосферой).
Температура твердой оболочки Земли сильно зависела от происходившего в ней радиоактивного распада ряда элементов. В результате этого недра Земли разогревались, причем их температура в отдельных пунктах достигала 1000° С и более. При господствовавших здесь высоких давлениях происходило перемещение вещества — более тяжелые, богатые железом глыбы опускались, более легкие (силикатные) всплывали. В этих условиях осуществлялось формирование земной коры (литосферы), которая образовывалась путем выдавливания на поверхность планеты более легких расплавленных горных пород. Этот процесс протекал во все последующие геологические периоды существования Земли и не может считаться завершенным и по настоящее время.
С формированием литосферы тесно связано и образование гидросферы и первичной атмосферы Земли. В начальные периоды существования Земли на ее поверхности находился (как мы уже говорили) значительно меньший запас воды, чем в настоящее время. Постепенно этот запас увеличивался за счет разложения оводненных пород литосферы и освобождения связанной в ней воды.
Существенно отличался и химический состав вод первичных морей и океанов. Они были беднее растворимыми солями, чем современные водоемы. Лишь постепенно они обогащались неорганическими веществами, вымываемыми из горных пород в процессе круговорота воды в природе. Это имело существенное значение как подготовительный для возникновения жизни процесс.
Температура гидросферы, а также и атмосферы в основном определялась величиной солнечного излучения и была примерно близка к современной. Принципиально отличался от современного химический состав атмосферы. Современная атмосфера носит окислительный характер, она очень богата свободным, способным поддерживать дыхание и горение кислородом, но подавляющее количество этого газа образовалось и продолжает образовываться в процессе фотосинтеза, в результате жизнедеятельности зеленых растений. До возникновения жизни кислород мог находиться на Земле только в связанном состоянии — в виде воды, окисей (ржавчины) и т. д.
Но даже сейчас, когда запасы свободного кислорода в атмосфере непрерывно пополняются зелеными растениями, горные породы земной коры далеко не вполне насыщены кислородом. Это можно сказать только о самой поверхностной пленке земной коры, более же глубоко лежащие породы способны поглощать еще дополнительные количества кислорода. Это легко можно видеть на следующем примере. Извергнутые на земную поверхность более глубинные породы, как, например, лавы или базальты, обычно обладают черной, зеленой или серой окраской, что указывает на присутствие в них недоокисленного (закисного) железа. Напротив, возникшие на поверхности
Земли осадочные породы — глины, пески и т. п. — имеют красный или желтый цвет — в них железо полностью окислилось, они насыщены кислородом. Таким образом, при превращении глубинных изверженных пород в осадочные, которое постоянно происходит в природе непосредственно у нас на виду, совершается постепенное поглощение кислорода атмосферы горными породами земной коры. Только процесс фотосинтеза зелеными растениями обусловливает пополнение запаса этого необходимого для дыхания газа. Но если бы сейчас на Земле внезапно погибла вся растительность, то и свободный кислород атмосферы исчез бы через несколько тысячелетий, т. е. за очень короткий (в геологическом масштабе) срок, так как его поглотили бы ненасыщенные кислородом горные породы. Следовательно, до возникновения жизни свободный кислород отсутствовал в земной атмосфере и она носила не окислительный, а обратный, как химики говорят, восстановительный характер, т. е. содержала в себе водород и его соединения (аммиак, сероводород и т. д.).
Главная масса углеводородов, образовавшихся на Земле после того, когда она уже стала сложившейся планетой, возникла в процессе формирования литосферы, когда здесь при сравнительно высоких температуре и давлении происходило перемешивание железных и силикатных глыб, вследствие чего карбиды приходили во взаимодействие с оводненными породами и давали начало образованию метана, этана, ацетилена и других газообразных углеводородов. Часть этих углеводородов подвергалась тем или иным химическим изменениям уже в самой литосфере. Здесь происходило их окисление за счет кислорода воды, их взаимодействие с азотом и серой и их полимеризация (объединение нескольких углеводородных молекул между собой). Этим превращениям весьма способствовали происходившие в литосфере процессы радиоактивного распада тяжелых элементов земной коры.
Однако только некоторая, небольшая часть углеводородов и их производных задерживалась в литосфере и затем вымывалась отсюда водами гидросферы. Все летучие углеводороды более или менее быстро выделялись из земной коры в атмосферу, как это можно наблюдать и сейчас в отношении природных горючих газов. В атмосфере первичные углеводороды встретились с новыми условиями.
Это были прежде всего коротковолновые ультрафиолетовые лучи, которые пронизывали тогдашнюю земную атмосферу сверху донизу. Солнечный свет очень богат ультрафиолетовыми лучами, но их наиболее активная (в химическом отношении) часть не достигает сейчас земной поверхности. Мы защищены от этих лучей слоем газа озона, который находится в современной атмосфере на высоте 30 километров от земной поверхности. Озон почти полностью поглощает коротковолновые ультрафиолетовые лучи, служит для этого света как бы экраном. Но озон — это разновидность кислорода, он может образоваться только в окислительной атмосфере, и в первоначальной газовой оболочке Земли его не могло быть. Поэтому вся тогдашняя атмосфера Земли находилась под воздействием коротковолнового ультрафиолетового света.
Образование углеводородов при обработке карбидов (соединения углерода с металлами) водой. Содержащийся в химических частицах (молекулах) воды кислород присоединяется к металлу, давая гидрат окиси металла (ржавчину), а водород воды присоединяется к углероду
Схема образования соединений, содержащих в своих молекулах шомы углерода, водорода и кислорода
Схема присоединения азота
Образовавшиеся в атмосфере Земли углеводороды соединялись С частицами воды и находившегося здесь аммиака. При этом возникали более сложные вещества
Под влиянием этого света попавшие в атмосферу углеводороды и их ближайшие производные в самом широком масштабе взаимодействовали с веществами самой атмосферы — с парами воды, аммиаком, сероводородом и т. д. При этом в атмосфере возникли многочисленные, разнообразные органические вещества — спирты, альдегиды, кислоты, амины, сернистые соединения и т. д. Этому же способствовал и другой действующий в атмосфере фактор — электрические разряды. Всем, конечно, хорошо известны искровые разряды в атмосфере — молнии. Но наряду с такого рода явлениями в атмосфере в очень широком масштабе происходят тихие разряды, которые очень способствуют осуществлению ряда химических превращений.
Возникшие в результате указанных воздействий разнообразные органические вещества могли оставаться в атмосфере только в том случае, если они находились здесь в виде летучих газов. Но в процессе химических превращений молекулы органических веществ делались все более сложно построенными, все более крупными, включающими в себя все большее число разнообразных атомов. При этом терялась способность органических веществ оставаться в газообразном состоянии. Вместе с дождем и другими осадками они перешли в первоначальную земную гидросферу — растворились в водах тогдашних морей и океанов. В этой новой для них среде они продолжали химически взаимодействовать как между собой, так и с другими веществами, растворенными в воде.
Благодаря этому здесь действительно должны были возникать всевозможные представители разнообразных органических соединений — сахара, жироподобные и белковоподобные вещества и т. д.
А. М. Бутлеров
К сожалению, мы не можем сейчас вести непосредственные наблюдения над такими процессами в природной обстановке. Этому мешают не только современные окислительные условия атмосферы, но и повсеместное распространение на земной поверхности живых существ. В их присутствии очень трудно отделить абиогенные, возможные еще на безжизненной Земле, процессы, от биогенных, осуществляющихся только в настоящее время. Организмы в этом отношении путают нам все карты: они выделяют во внешнюю, неорганическую, среду громадное количество специфических веществ и, наоборот, быстро поглощают, поедают другие органические вещества. Таким образом, они сильно изменяют весь ход химических превращений в окружающей их природе.
Однако мы довольно полно можем судить о тех превращениях органических веществ, которые происходили в водах первичных морей и океанов еще задолго до возникновения жизни, воспроизводя в наших лабораториях условия, существовавшие когда-то на поверхности Земли.
Общие законы химических превращений позволяют нам быть уверенными, что эти превращения в аналогичных условиях совершались и совершаются одинаково. Как сейчас, так и в прошлом этот путь исследования широко используется во многих лабораториях мира, и полученный в результате этого фактический материал уже позволяет нарисовать довольно отчетливую картину химических превращений, совершавшихся когда- то на еще безжизненной Земле.
Наиболее легко можно себе представить абиогенное образование в первичной земной гидросфере сахаров и других подобных веществ, служащих в современных организмах как источниками энергии, так и строительным материалом. Еще в 1861 году наш знаменитый соотечественник А. М. Бутлеров показал, что если растворить формалин (это простейшее кислородное производное углеводородов, молекула которого состоит из одного атома углерода, одного атома кислорода и двух атомов водорода) в известковой воде и оставить этот раствор стоять в теплом месте, то он через некоторое время приобретает сладкий вкус. Впоследствии было показано, что при этих очень простых и обычных условиях шесть молекул формалина соединяются между собой в одну более крупную, более сложно построенную молекулу сахара, содержащую в себе 6 атомов углерода, 6 атомов кислорода и 12 атомов водорода.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ СЛОЖНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Вначале молекулы этих соединений состояли из небольшого числа атомов углерода, водорода, кислорода и азота. Но в водах первичного океана эти молекулы постепенно соединялись между собой, образуя все более крупные и сложно построенные частицы разнообразных веществ
При длительном стоянии водного раствора формалина шесть его частичек соединяются между собой образуя одну более крупную частицу сахара Таким путем в волах первичного океана возникли все те разнообразные вещества, из которых сейчас построены тела животных и растений (органические вещества)
Схемы строения молекул различных органических веществ а) спиртъ б) витамин С, в) жиропобобное вещество (холестерин>, г) нуклеиновая кислота
Путем объединения уже нескольких молекул сахара возникают и еще более сложные соединения этого класса — разнообразные углеводы, играющие очень важную роль в жизни организмов.
Аналогичным образом в лабораторных условиях удалось доказать полную возможность абиогенного синтеза на поверхности еще безжизненной Земли и других разнообразных и весьма сложных органических соединений, включающих в себя не только углерод, кислород и водород, но также азот, серу, а иной раз фосфор, железо, магний, медь и другие металлы. Правда, этот синтез совершался в водах первичного океана очень сложными и извилистыми путями, несравненно менее организованно, менее прямолинейно, чем это происходит сейчас в живых организмах. Поэтому каждый шаг вперед на пути абиогенного образования все более и более сложных соединений требовал очень больших промежутков времени, совершался очень медленно. Но все же не подлежит сомнению, что, осуществляясь в течение сотен миллионов или даже миллиардов лет, он обязательно должен был привести к возникновению в водах первичных морей и океанов очень многочисленных и разнообразных, иной раз весьма сложных органических веществ, подобных тем, которые мы сейчас можем выделить из тел современных животных и растений.
Рассматривая возникновение различных сложных органических соединений в водной оболочке Земли, мы должны обратить особое внимание на образование в этих условиях белковых веществ. Белкам принадлежит исключительная, решающая роль в построении «живого вещества». Протоплазма — тот материальный субстрат, из которого состоит тело животных, растений и микробов, всегда содержит в себе значительное количество белков. Еще Энгельс указывал, что «повсюду, где мы встречаем жизнь, мы находим, что она связана с каким-либо белковым телом, и повсюду, где мы встречаем какое-либо белковое тело, которое не находится в процессе разложения, мы без исключения встречаем и явления жизни» 1 (Ф. Энгельс. Анти-Дюринг. Госполитиздат, 1957, стр. 77.)
Это положение Энгельса нашло свое полное подтверждение в работах современных ученых. Было доказано, что белки являются не просто пассивным строительным материалом протоплазмы, как это думали раньше, но что они принимают непосредственное активное участие в обмене веществ и в ряде других жизненных явлений. Таким образом, возникновение белков является чрезвычайно важным звеном в том эволюционном процессе развития материи, который привел к возникновению живых существ.
В конце прошлого и в начале настоящего века, когда химия белков была еще очень мало разработана, некоторые ученые предполагали присутствие в белках какого-то особого таинственного начала, каких-то специфических атомных группировок, которые являются носителями жизни. С этой точки зрения первичное возникновение белков представлялось весьма загадочным и даже маловероятным. Но если подойти к этому вопросу, исходя из современных химических взглядов о белковой молекуле, дело представится в совершенно ином свете.
Кратко суммируя все те достижения, которые получены в настоящее время химией белков, мы прежде всего должны подчеркнуть, что сейчас нам достаточно хорошо известны отдельные составные части, те «кирпичи», из которых по- строена молекула любого белка. Такими «кирпичами» являются хорошо известные химикам вещества — аминокислоты.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ БЕЛКОВ
Молекулы органических веществ, соединяясь между собой, образовали частицы наиболее сложных и наиболее важных для жизни веществ — белков, В этих частицах многие десятки тысяч атомов строго определенным образом соединены в длинные цепочки с многочисленными боковыми ответвлениями
В молекулах белка эти цепочки сочетаются в сложные, определенным образом построенные клубки
Небольшой участок цепочки, лежащей в основе белковой молекулы
В белковой молекуле аминокислоты связаны между собой особыми химическими связями в длинную цепочку. Число аминокислотных молекул, входящих в эту цепочку, у различных белков может выражаться цифрой от нескольких сотен до нескольких тысяч. Поэтому указанная цепочка является довольно длинной. В большинстве случаев она закручивается в сложный, но закономерным образом построенный клубок, который, собственно, и представляет собой белковую молекулу.
Чрезвычайно существенно то, что в состав каждого белкового вещества входят очень разнообразные аминокислоты. Молекула белка построена из различных сортов «кирпичей». Сейчас мы знаем около двадцати различных аминокислот, входящих в состав природных белков. Некоторые белки содержат в своей молекуле все известное нам разнообразие аминокислот, другие менее богаты в этом отношении. При этом химические и физические свойства любого известного нам белка коренным образом зависят от его аминокислотного состава.
Однако нужно иметь в виду, что аминокислотные частицы связаны в белковой цепочке не как- нибудь, не случайно, а в строго определенной, характерной именно для данного белка последовательности. Поэтому физические и химические свойства этого белка — его способность к определенным химическим взаимодействиям, его растворимость в воде и т. д. — зависят не только от числа и разнообразия входящих в состав его молекулы аминокислот, но и от того, в какой последовательности эти аминокислоты нанизаны друг за другом в белковой цепочке.
Такого рода построение создает возможность для бесконечного разнообразия белков. Хорошо всем известный белок куриного яйца является лишь единичным и при этом сравнительно простым представителем белков. Гораздо сложнее построены белки нашей крови, мышц, мозга. В каждом живом существе, в каждом его органе присутствуют многие сотни и тысячи разнообразных белков, и каждому виду животных или растений свойственны свои, характерные только для них белки. Так, например, в крови человека они будут несколько иные, чем в крови лошади, быка или кролика.
В этом громадном разнообразии белков и кроется исключительная трудность искусственного их получения в лабораторных условиях. Сейчас мы легко можем из углеводородов и аммиака получить любую аминокислоту. Точно так же для нас не составляет большого труда связать между собою эти аминокислоты в длинные цепочки, подобные тем, которые лежат в основе белковых молекул, и получить действительно белковоподобное вещество. Но для того чтобы искусственно воспроизвести какой-либо из известных нам натуральных белков, например белок нашей крови или белок семян гороха, этого мало. Для этого нужно соединить между собой в цепочку многие сотни и тысячи разнообразных аминокислот в совершенно определенной последовательности, именно в той, в которой они находятся в данном белке.
Если взять цепь, состоящую всего из пятидесяти звеньев, причем эти звенья будут двадцати различных сортов, то, соединяя звенья в различном порядке, можно получить большое разнообразие цепочек. В свое время было подсчитано, что число таких цепочек, из которых каждая отличалась бы от другой по расположению своих звеньев, выражается единицей с сорока восемью нулями, т. е. числом, которое будет нами получено, если мы миллиард помножим на миллиард и еще раз на миллиард, и так до пяти раз, а после этого еще помножим на тысячу. Если бы мы взяли такое число белковых молекул и сложили из них жгут толщиной в палец, то такой жгут можно было бы протянуть поперек всей нашей звездной системы от одного конца Млечного Пути до другого.
Однако аминокислотная цепь белковой молекулы средней величины состоит не из пятидесяти, а из нескольких сотен звеньев. Поэтому количество возможных здесь комбинаций возрастает еще во многие квадрильоны раз.
Для того чтобы искусственно создать какой- нибудь натуральный белок, нужно из всех этих бесчисленных комбинаций выбрать одну и получить именно такое расположение аминокислот в белковой цепи, которое действительно есть у этого белка. Конечно, случайно нанизывая аминокислоты друг за другом в белковую цепь, мы никогда этого не достигнем. Это было бы совершенно подобно тому, как если бы мы, встряхивая типографский шрифт, состоящий из двадцати восьми различных букв, рассчитывали бы, что он сам собой когда-нибудь случайно сложится в то или иное известное нам стихотворение.
Только зная расположение букв и слов в данном стихотворении, мы сможем его воспроизвести. Только зная точное расположение аминокислот в цепочке данного белка, мы можем рассчитывать искусственно воссоздать его в нашей лаборатории. К сожалению, в настоящее время удалось установить указанный порядок аминокислот лишь для некоторых наиболее просто устроенных белковых веществ. Поэтому-то сложные естественные белки еще не получены нами в искусственных условиях. Но здесь дело только во времени, а в принципе никто уже не сомневается в возможности такого построения белков.
Однако нас интересует не только принципиальная возможность синтеза белков или белковоподобных веществ — для наших целей нам нужно конкретно себе представить, каким путем могло эго осуществиться в тех природных условиях, которые когда-то существовали на безжизненной Земле. Понятно, что для того, чтобы представить себе, как возникла белковоподобная молекула, необходимо прежде всего установить, как появились первые аминокислоты — отдельные звенья той цепи, которая лежит в основе белковой молекулы.
В этом отношении значительный интерес представляют опыты, недавно осуществленные американским ученым С. Миллером. Исходя из тех представлений о первичной земной атмосфере, которые были изложены нами выше, Миллер взял газовую смесь, состоящую из углеводорода метана, аммиака, водорода и паров воды, и в специально сконструированном для этого приборе пропускал через эту смесь электрические разряды. После этого в сконденсировавшейся в приборе воде можно было обнаружить наличие нескольких аминокислот, возникших здесь примерно при тех же условиях, которые существовали на поверхности первичной Земли.
Т. Павловская и А. Пасынский использовали для абиогенного синтеза аминокислот другой, еще более мощный источник энергии — коротковолновый ультрафиолетовый свет, который когда-то пронизывал всю земную атмосферу. Освещая искусственно полученными коротковолновыми лучами водный раствор формалина и хлористого аммония, они, как и Миллер, синтезировали аминокислоты, показав тем полную возможность образования этих составных частей белковой молекулы в условиях первичной земной гидросферы.
Однако, если мы просто возьмем водный раствор аминокислот и оставим этот раствор стоять в обычных лабораторных условиях, аминокислоты не будут соединяться между собой в белковую молекулу, в противоположность тому, как это излагалось нами выше — при образовании сахара из формалина.
Вопрос о том, как в естественных условиях в водах первородного океана из образовавшихся здесь аминокислот синтезируются белки или белковоподобные вещества, длительно не поддавался непосредственному научному разрешению. Недавно это удалось достигнуть японскому ученому проф. Ш. Акабори, который в своей лаборатории при условиях, близких к первичным природным условиям, получил из аминокислот (или, точнее, из их ближайших предшественников) белковоподобные вещества.
Таким образом, современная химия белков убеждает нас в том, что в отдаленную эпоху существования Земли в водной оболочке нашей планеты могли и должны были образоваться белковоподобные вещества. Конечно, эти «первичные белки» не могли быть совершенно сходны с какими-либо из существующих сейчас белков, но они были подобны известным нам белкам. В их частицах разнообразные аминокислоты соединялись между собой теми же связями, что и в современных белках. Отличие состояло только в том, что расположение аминокислот в этих цепочках было иное, менее упорядоченное.
Но уже и эти «первичные белки», подобно современным, обладали гигантскими молекулами и громадными химическими возможностями. Именно эти возможности и обусловили собой то, что белки заняли исключительное место в дальнейшем развитии органической материи.
Итак, в процессе развития нашей планеты в водах ее первородного океана должны были образоваться многочисленные белковоподобные соединения и другие сложные органические вещества, сходные с теми, из которых сейчас построены современные живые существа. Но, конечно, это был еще только строительный материал. Если можно так выразиться, это был еще только кирпич и цемент, из которого можно построить здание, но это еще не было самое здание. Органические вещества находились в водах океана просто в растворе, их частицы, молекулы, были беспорядочно рассеяны в этих водах. Здесь еще отсутствовало то строение, та организация, которые свойственны всякому живому существу.
Как же могла возникнуть эта организация?
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
