Абиогенный синтез органических соединений из неорганических веществ

Содержание этапа

Геологические условия. На первоначальной стадии существовании Земли вода преобладала над сушей (Первичный океан). Атмосфера не содержала свободного кислорода, точнее, содержала незначительные его количества. Источником молекулярного кислорода могли быть реакции фотолиза водяных паров и диоксида углерода под действием ультрафиолетового излучения, интенсивность которого в первый миллиард лет истории Земли приблизительно в 100 000 раз превышала таковую в настоящее время. Основными компонентами атмосферы того периода являлись углекислый газ, сероводород, сернистый газ, азот, пары соляной и фтористой кислот, пары воды и др. Атмосферное давление превосходило 10 атм (в этих условиях вода даже при температуре 150° находится в жидком состоянии).

Источники энергии. Для осуществления реакций превращения неорганических веществ в органические и взаимодействия последних требовалась достаточно большая энергия, такая как энергия солнечного излучения (прежде всего коротковолнового ультрафиолетового), тепловая и лучистая энергия, излучаемая земными недрами, энергия, освобождающаяся при электрических разрядах в атмосфере, энергия холодной плазмы.

Участники. В названных реакциях участвовали различные неорганические вещества, в большом количестве образующиеся в результате бурно протекающих геологических (вулканическая активность) и геохимических процессов: водород, азот, оксид и диоксид углерода, вода, сероводород, диоксид серы, метан, аммиак, ацетат аммония, карбиды металлов, цианид водорода, фосфорная кислота и многие другие.

Продукты. Образовавшиеся в результате обсуждаемых реакций продукты можно подразделить на ранние и поздние:

• • ранние: насыщенные углеводороды (парафины), карбоновые кислоты, альдегиды (в том числе формальдегид), кетоны, аминокислоты, моносахариды, спирты, эпоксиды, полифосфаты, азотистые основания, нуклеозиды, нуклеотиды и др. (источниками простых органических веществ также могли быть действующие вулканы и оседавшая космическая пыль);
• • поздние: полипептиды, полинуклеотиды, триглицериды, фосфолипиды, полисахариды, пигменты, стероиды и др.

Среди перечисленных реагентов необходимо особо выделить цианид водорода и формальдегид. Дело в том, что в результате реакций конденсации из первого образуется аденин, из второго — ри- боза — главные компоненты АТФ (фосфатная группа, как известно, легко соединяется с органическими лигандами). О ключевой роли аденина и АТФ в предбиологической эволюции будет сказано ниже. Примечательно, что молекулы цианида водорода и формальдегида возникают в среде, содержащей С, II, N и О, при возбуждении ее любым физическим фактором (нагреванием, светом, радиацией).

Следует специально подчеркнуть, что накопление потенциальной энергии и стремление к полимеризации являются внутренними свойствами органических веществ, в молекулу которых в качестве гетероатомов входят кислород, азот и сера. Именно на базе этих соединений (при участии фосфорной кислоты) осуществлялся синтез полимеров с высоким семантическим коэффициентом (способных нести информацию), в первую очередь РНК, — материальной основы наследственности и изменчивости живых организмов. В ходе химической и начальной биологической эволюции список потенциальных мономеров закономерно сужался: «отбирались» вещества, обладающие комплексом химических, физико-химических и структурных свойств, необходимых для построения достаточно устойчивых и функционально активных биополимеров

(число разновидностей мономеров биологически значимых полимеров — белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов — в современном органическом мире не превышает нескольких десятков). Важным аспектом этого процесса явился «отбор» определенных стереоизомеров аминокислот и моносахаридов — структурных компонентов таких биологически значимых макромолекул, как белки и полисахариды. Известно, что белки всех современных организмов состоят из L-аминокислот, а полисахариды — из D-моносахаридов. Это обстоятельство имеет принципиальное значение, поскольку установлено, что способностью к точной репликации обладают полимеры, построенные только из асимметричных мономеров одного тина (напомним, что в структуру сахаро-фосфатного остова нуклеиновых кислот входит D-пентоза — D-рибоза или D-дезоксирибо- за). Происхождение этой асимметричности связывают с влиянием магнитного поля Земли, воздействием поляризованного излучения, а также с тем обстоятельством, что синтез данных органических веществ мог происходить на поверхности асимметрических минералов (в частности, кальцит характеризуется избирательностью разных граней в отношении L- и D-стереоизомеров аминокислот).

Механизмы концентрирования органических веществ. Протекание реакций синтеза из неорганических веществ сначала простых соединений углерода, а затем сложных органических веществ невозможно представить себе в свободном объеме воды (толще океана). Дело в том, что вода способствует деградации сложных органических соединений. Даже если допустить, что процессы такого рода синтезов могли осуществляться, то концентрация образовавшихся продуктов в очагах образования прогрессивно уменьшалась бы до ничтожно малых величин вследствие рассеивания их в водной фазе. Очевидно, что в таких условиях ни о какой «эволюции» органических молекул в направлении формирования первичных предбио- логических, а затем биологических систем речи идти не может.

Полагают, что в качестве таких механизмов, обеспечивших концентрирование реагентов и создание условий для их взаимодействия с преобладанием процессов синтеза и накопления сложных органических веществ, могли выступать:

• адсорбция на поверхности (и в межслоевых пространствах) минералов (таких как глины, апатит, кальцит, пирит и др.), активно организующая пространство химических реакций; при этом следует учитывать, что некоторые минералы являются катализаторами химических реакций (например, пирит, содержащий железо и серу); кроме того, адсорбция молекул на поверхности твердых субстратов приводит к смещению красного предела активного излучения в длинноволновую область, что повышает долю солнечного излучения, которая может использоваться в реакциях синтеза органических веществ из неорганических;

• • концентрирование органических молекул на границе раздела фаз «вода — воздух», чему, как указывалось выше, способствует большое поверхностное натяжение воды;
• • повышение концентрации органических веществ в малых водоемах вследствие испарения воды;
• • протекание реакций полимеризации в присутствии так называемых конденсирующих агентов — веществ (цианат, АТФ и др.), эффективно связывающих составные компоненты воды, удаляемые из молекул, подвергшихся конденсации.

Весьма вероятно, что эти механизмы «работали» совместно.

Примечание. Предполагают, что в качестве одной из вероятных областей, в которой эффективно могли протекать реакции синтеза органических веществ из неорганических субстратов, могли быть подводные горячие вулканические источники — гидротермы. Как известно, последние на фоне высокой температуры создают значительную локальную концентрацию реагентов и обеспечивают удаление конечных продуктов путем выноса конвективными потоками на низкотемпературную периферию, а также адсорбции на скальных породах. Заслуживают внимания результаты недавно проведенных исследований по моделированию соответствующих условий в эксперименте. Установлено, что в данной среде (при температуре 80— 120°С) эффективно протекают реакции синтеза разнообразных органических соединений (аминокислот, гидрооксикислот и др.) из простых неорганических веществ, таких как оксид углерода и цианид водорода. В качестве катализатора использовали твердые частицы гидротермальных вод, содержащие железо и никель.