ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ - АБИОГЕНЕЗ

Эксперименты Оро. Протеиноидные соединения. Термическая теория происхождения жизни

Эксперименты Уилсона и Поннамперумы

Уже в 1960 году Уилсон [43], добавив в исходный раствор серу, смог получить гораздо более крупные молекулы полимеров, содержащие по 20 и более атомов углерода. В колбе были обнаружены тонкие пленки размером около 1 см. Очевидно, синтезировались поверхностно-активные вещества, скопившиеся на поверхности раздела газ - жидкость в виде тонких пленок. Этот результат хорошо согласуется с предположением, что пленки молекул, синтезировавшихся на границе между разными фазами, играли важную роль на ранних стадиях возникновения жизни.

Считают, что сера катализировала образование этих пленок. Это тоже важно в связи с нашей проблемой, так как на примитивной Земле сера, видимо, была широко распространена в форме зерен сульфидов (например, в пиритовых песках; см. гл. XIII, разд. 8).

Поннамперума и сотр. [31] проводили эксперименты, подобные экспериментам Миллера, но с использованием в качестве источника энергии ультрафиолетового света. Хотя по теоретическим соображениям синтезы, идущие под действием ультрафиолета, не должны принципиально отличаться от тех, которые вызываются электрическим разрядом, важно было получить экспериментальное подтверждение этого положения. Ведь в условиях первичной атмосферы гораздо больше энергии поступало с ультрафиолетовым излучением.

Поннамперума не только смог синтезировать аминокислоты и пурины, т. е. строительные блоки белков и нуклеиновых кислот соответственно (фото 3), но и, используя особые условия, смог синтезировать из этих блоков полимеры. Оказалось, например, что в присутствии цианистого водорода аминокислоты полимеризуются, образуя пептидные цепи. При добавлении фосфорной кислоты получались различные нуклеотиды [31, 33-36, 39].

Мы еще вернемся к влиянию цианистого водорода на полимеризацию строительных блоков в более крупные "органические" молекулы при обсуждении экспериментов М. Кальвина и его сотрудников (разд. 7 этой главы).

Эксперименты Оро с нагреваемой водной средой

Важного успеха добились Оро и сотр. [28, 29], показавшие, что более крупные "органические" молекулы можно синтезировать и без помощи ультрафиолета, просто нагревая среду.

Мы знаем, что в условиях восстановительной атмосферы малые "органические" молекулы могли синтезироваться за счет энергии ультрафиолетового излучения Солнца. Возникает вопрос, как произошел переход от этой преджизни к ранней жизни. Позднее мы подробно обсудим этот вопрос, а сейчас нужно подчеркнуть, что условия в эпоху примитивной атмосферы были для ранней жизни не менее опасными, чем они оказались бы для современной. Хотя раняя жизнь в бескислородной атмосфере не подвергалась окислению, ничто не защищало ее от губительного воздействия жесткого ультрафиолетового излучения.

Поэтому надо учитывать, что при переходе от преджизни к жизни и во время дальнейшего развития ранней жизни, возможно, использовались уже другие источники энергии. Свободные радикалы и малые "органические" молекулы создавались за счет высокоэнергетического ультрафиолетового излучения Солнца, а для синтеза из малых молекул других, более сложных соединений годились и менее мощные источники энергии.

В опытах Оро и его сотрудников водные смеси простых "органических" молекул оставлялись на несколько дней при температуре от комнатной до 150°С. Таким образом, в отношении температуры эти эксперименты, как правило, не выходили за пределы условий, к которым может приспособиться современная жизнь

Некоторые результаты анализов полученных соединений показаны на 26-33. В растворах формальдегида с гидроксиламином, формальдегида с гидразином и в растворах, содержащих цианистый водород, в конце опыта были обнаружены аминокислоты. В других экспериментах эти продукты полимеризовались в пептидные цепи - большой шаг к неорганическому синтезу белка. В системе с раствором цианистого водорода в водном аммиаке даже появлялись более сложные соединения - пурины и пиримидины (азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот).

Как уже сказано, эти эксперименты указали возможный путь перехода от синтеза малых "органических" молекул за счет энергии ультрафиолетового солнечного излучения к более сложным "органическим" молекулам, образующимся при менее жестких воздействиях. Подробный отчет об этих важных результатах читатель найдет у Оро [28, 29].

Эксперименты Фокса по использованию высоких температур для синтеза в безводных средах

Совершенно другим путем в попытках синтезировать неорганическим путем громадные молекулы белков пошли Фокс и сотр. [8, 9, 15]. Как мы знаем, молекулы белков построены из одной или нескольких полипептидных цепей, а те в свою очередь состоят из большого и даже очень большого числа разных аминокислот.

После того как образовались аминокислоты, может произойти следующий шаг - их объединение в полипептидные цепи ( 16 и 35). Эту реакцию можно описать следующим уравнением (R и R' - различные радикалы):

Фокс считает, что выделение молекулы воды, сопровождающее реакцию соединения двух молекул аминокислот, - факт большой важности. Поскольку реакция полимеризации, вернее поликонденсации, сопровождается дегидратацией, очевидно, степень и скорость превращения будут выше при удалении воды из системы. Это соображение привело Фокса к выводу, что раннее развитие жизни должно было происходить вблизи действующих вулканов, - а всем известно, что в ранние периоды геологической истории вулканическая деятельность шла более активно, чем в последующие времена.

Фокс провел эксперименты, в которых безводную смесь аминокислот подвергали воздействию температур до 170°С. Оказалось, что великолепные результаты получаются со смесями, содержащими аспарагиновую и глутаминовую кислоты. Почему это так, до сих пор непонятно*. Кстати, интересно, что именно эти две аминокислоты можно причислить к числу важнейших аминокислот, встречающихся в современных организмах.

В опытах Фокса образовывались соединения, во всех существенных отношениях сходные с природными белками. Так, они состоят из крупных молекул с молекулярной массой до 300000, сложенных из тех же блоков, что и природный белок. Они содержат 18 из 23 аминокислот, обычно встречающихся у современных организмов. Таким образом, они отвечают общему определению белка. С природным белком они сходны и по ряду других важных свойств, например по связыванию полинуклеотидов [41], по пригодности в пищу бактериям и крысам, по способности вызывать реакции, сходные с теми, которые катализируются ферментами в организмах. Так, эти искусственно синтезированные "органические" соединения способны каталитически разлагать глюкозу. Активность их, правда, мала, но, как указывается в сообщении об этом [14], "...первым белкам достаточно было проявлять хотя бы слабую активность". Кроме того, эти вещества могут оказывать действие, аналогичное действию меланоцитстимулирующего гормона [16].

С тех пор многое было сделано для изучения активности этих соединений, и Фокс [11-13] смог сообщить о многих других ее проявлениях ( 34). Терминология с тех пор также усовершенствовалась, и вместо "ферментативной активности" в применении к этим веществам теперь употребляют термин "каталитическая" или даже "ускоряющая" активность. Это делают для того, чтобы провести различие между активностью искусственно синтезированных белковоподобных соединений (так называемых протеиноидов) и активностью соединений, свойственных современным организмам. Конечно, функция ферментов, по сути дела, и есть катализ, т. е. ускорение реакций, но все же довольно слабая активность протеиноидов может показаться несравнимой с сильным и высокоспецифичным действием современных ферментов. Можно назвать активность протеиноидов, скажем, "предферментной". Главное - не в ее отличиях от действия современных ферментов, а в том, что она уже существовала в период перехода от преджизни к ранней жизни, когда высокоактивных и специфичных ферментов еще не было.

Другое важное свойство протеиноидных соединений, о котором мы еще поговорим в разд. 6 следующей главы, - их "ограниченная гетерогенность". Это значит, что последовательность аминокислот в их пептидных цепях не совершенно случайна, а, напротив, более или менее закономерна.

Фокс пишет, что пока невозможно провести строгое сравнение этих искусственных соединений с природными белками, так как молекулы белков настолько сложны, что структура большинства из них еще не определена с достаточной точностью. Стремясь подчеркнуть сходство этих искусственных белковоподобных соединений с природными белками, Фокс называет первые протеиноидами. Поскольку они были синтезированы под действием тепла, в дальнейшем их стали называть "термическими протеиноидами".

Полное, хотя и лаконичное описание экспериментов по синтезу этих термических протеиноидов можно найти в статье Фокса [8]*.

Следующий шаг - поликонденсация полученных в опыте 18 аминокислот при температуре 170 или 65°С (в последнем случае в присутствии некоторых фосфатов). Эта поликонденсация происходит, если в смеси имеется Достаточно аспарагиновой и глутаминовой кислот.

В смеси протеиноидов при воздействии на нее водой или кислыми водными растворами (дождем) образуются микросферы (фото 4-7).

 Способность протеиноидов к выполнению некоторых функций, сходных с функциями молекул живых организмов, выражается в том, что они могут в присутствии гидрата окиси цинка расщеплять нуклеотид АТФ, т. е. обладают слабой ферментативной активностью.)

Следует подробнее рассказать об одном весьма эффектном результате этих экспериментов, а именно об образовании микросфер из термических протеиноидов. Процесс несложен. Промывая горячую смесь искусственных полимеров водой или водными растворами солей, получают многочисленные микросферы. Они очень малы, их диаметр - около 2 мкм. Их морфологические особенности показаны на фото 4-7.

Микросферы довольно стабильны. Если их помещают в растворы иной концентрации, чем концентрация раствора, в котором они образовались, то можно наблюдать их реакцию. В слишком концентрированных растворах они сморщиваются, в разбавленных набухают, т. е. их реакция на изменение осмотического давления сходна с реакцией живых клеток. Видимо, это объясняется наличием у них полупроницаемой наружной оболочки, сходной с мембраной. Судя по электронным микрофотографиям, эта оболочка может быть даже двойной (фото 7).

Образование микросфер из термических протеиноидов важно потому, что оно дает нам материал для суждения о том, как мог произойти следующий шаг в развитии жизни. Это шаг от разрозненных "органических" молекул к группам таких молекул, собранным в отдельные структуры и отделенным от окружающего мира своеобразной мембраной. Мы еще вернемся к этому вопросу в следующей главе, в разделе о коацервации и образовании мембран.

Но мне как геологу трудно принять один аспект "термической теории", а именно роль высоких температур. Фокс подчеркивает, что такие температуры создавались во время извержения вулканов и в кратере, и на поверхности потоков горячей лавы. Как же тогда совместить идею о появлении малых молекул в "первичном бульоне" с дальнейшим развитием жизни в вулканах и около них при извержениях? Далее мы увидим (особенно в гл. XVI), что преджизнь и ранняя жизнь должны были очень долго сосуществовать, и мне кажется, что такие редкие и случайные события, как извержения вулканов, не могли способствовать появлению жизни из "органических" соединений.

Правда, в природе всегда образуются более разнообразные соединения, чем в упрощенных модельных экспериментах. Так, не исключено, что в природе сходные реакции могли бы идти и при более низких температурах с помощью какого-либо катализатора. Такая возможность уже показана и в опытах Фокса: при добавлении фосфатов к смеси аминокислот их конденсация происходила уже при 65°С ().

Эксперименты Кальвина. Конденсация низкомолекулярных единиц в более крупные в водных растворах, содержащих HCN

Рассматривая исходный пункт "термической теории" происхождения жизни, предложенной Фоксом, Кальвин [3] отметил, что такая же дегидратация сопровождает не только полимеризацию аминокислот, но и объединение других строительных блоков в более крупные "органические" молекулы. Такое объединение всегда связано с реакцией конденсации, при которой чаще всего от одного блока "отщепляется" атом водорода, а от другого - гидроксильная группа

Не принимая положения Фокса о том, что эта конденсация должна была идти в сухой - безводной - среде, Кальвин попытался показать, каким образом дегидратация могла бы происходить в водной среде, в "первичном бульоне". И ответ был найден: оказалось, что HCN способен связывать молекулы воды "первичного бульона". Присутствие в "первичном бульоне" HCN предполагается не только теоретически; его возможность доказана уже первыми экспериментами Миллера ().

Далее, оказалось, что два других, несколько более сложных соединения - цианамид и дицианамид HN (С≡N)2 - обладают такой дегидратирующей способностью в еще большей степени. Реакции с ними более сложны, их механизм еще не выяснен до конца [22]. Во всяком случае, было показано, что в присутствии HCN и цианамидов конденсация отдельных блоков, сопровождаемая дегидратацией, может идти при нормальных температурах в сильно разбавленных водных растворах [24].

Интересные выводы сделал Эйбелсон [1], указавший, что реакции с HCN сильно зависят от кислотности водных растворов, в которых они протекают. Эти реакции не идут в кислых средах, тогда как щелочные условия (рН 8-9) им благоприятствуют. Вряд ли первичный океан имел такой состав (см. гл. XIV, разд. 7 и 8), но вполне вероятно, что именно таким рН обладала озерная вода, соприкасавшаяся с базальтом, и интересующие нас реакции вполне могли здесь происходить.