- •Методология исследования химической эволюции (теория)
- •Абиогенез
- •Обзор темы
- •Предварительные рассуждения Биомолекулы
- •Развитие древней атмосферы
- •Значение воды для возникновения и сохранения жизни
- •Эксперименты Эксперимент Миллера — Юри
- •Дальнейшие реакции
- •Участие минералов и горных пород
- •Теория Вехтерхойзера
- •Образование макромолекул
- •Образование пребиотических структур (предшественников клеток)
- •Коацерваты
- •Микросферы
- •Мир рнк
- •Биомолекулы из космоса
- •«Черные курильщики»
- •Биохимическая Эволюция
Дальнейшие реакции
Из появляющихся при эксперименте Миллера-Юри промежуточных продуктов альдегидовисинильной кислотыHCN можно получить при симулируемых условиях земли 4,5 млрд лет назад дальнейшие биомолекулы. Таким образом Хуану Оро удалось в1961 годуосуществить синтезаденина:
Эдукты |
|
|
Продукты |
2 Формальдегид |
HCN |
H2O |
Серин |
5 Формальдегид |
|
|
Рибоза |
|
5 HCN |
|
Аденин |
Из рибозы, аденина и трифосфата возникает аденозинтрифосфат (АТФ), который используется в организмах в качестве универсального энергоносителя и строительного элемента (как монофосфат) рибонуклеиновых кислот (РНК).
Участие минералов и горных пород
Кристаллические поверхности могут служить матрицей для растущих макромолекул. При этом различные кристаллические поверхности могут связывать определённые энантиомеры молекул. L-и D аминокислоты присоединяются к разным местам кристалла кальцита.
Аарон Качальсский (Вайцманн-институт, Израиль) показал, что в водном растворе, содержащем монтмориллонит(один из минераловглин), возможен синтез белков с длиной цепи в больше чем 50 аминокислот с почти 100%-ным выходом.
Ионы металлов могут выступать в роли катализаторов, доноров электронов или же включаться в биомолекулы.
Минералы глин в водных растворах часто несут поверхностный электрический заряд и могут таким образом притягивать и удерживать противоположно заряженные органические молекулы.
В микрополостях горных пород молекулы органических соединений защищены от ультрафиолетового облучения.
Теория Вехтерхойзера
Основная статья: Теория железо-серного мира
Особенно интенсивная форма содействия минералов и горных пород пребиотическому синтезу органических молекул должна протекать на поверхности минералов сульфида железа. Теория Миллера-Юри имеет существенные ограничения, особенно учитывая ошибочное объяснение полимеризации мономерных составляющих биомолекулы.
Анаэробные бактерии, обмен веществ которых происходит с участием железа и серы, существуют и сегодня.
Сросток кристаллов сульфида железа FeS2
Альтернативный сценарий был с начала 1980-х годов разработан Гюнтером Вехтерхойзером. По этой теории жизнь на Земле возникла на поверхности железно-серных минералов, то есть сульфидов, которые и сегодня образуются посредством геологических процессов, а на молодой Земле должны были встречаться гораздо чаще. Эта теория в противовес гипотезе мира РНК, предполагает, что обмен веществ предшествовал появлениюэнзимовигенов. В качестве подходящего места предлагаютсячёрные курильщикина дне океанов где высокое давление, высокая температура, нет кислорода и обильно представлены различные соединения, которые могли послужить строительным материалом «кирпичиков жизни» или катализатором в цепочке химических реакциях. Большое преимущество этой гипотезы перед предшественниками в том, что впервые образование комплексных биомолекул связано с постоянным надёжным источником энергии. Энергия выделяется при восстановлении частично окисленных железно-серных минералов, например пирита (FeS2), водородом (уравнение реакции: FeS2+ H2FeS + H2S), и этой энергии достаточно для эндотермического синтеза мономерных структурных элементов биомолекул и их полимеризации:
Fe2++ FeS2+ H22 FeS + 2 H+ΔG°' = −44.2 кДж/моль
Другие металлы, так же как и железо, тоже образуют нерастворимые сульфиды. В дополнение к этому пирит и другие железно-серные минералы имеют положительно заряженную поверхность, на которой могут располагаться, концентрироваться и реагировать между собой преимущественно отрицательно заряженные биомолекулы (органические кислоты, фосфорные эфиры, тиолы). Необходимые для этого вещества (сероводород, моноксид углерода и соли двухвалентного железа) попадают из раствора на поверхность этого «железо-серного мира». Вехтерхойзер привлекает для своей теории и сегодня существующие основополагающие механизмы обмена веществ и выводит из них замкнутый в себе сценарий синтеза комплексных органических молекул (органические кислоты, аминокислоты, сахар, азотистые основания, жиры) из простых неорганических соединений, находящихся в вулканических газах (NH3, H2, CO, CO2, CH4, H2S).
В противоположность эксперименту Миллер-Юри не привлекаются источники энергии извне, в форме молнии или ультрафиолетового излучения; кроме того, первые ступени синтеза при высоких температурах и давлениях протекают гораздо быстрее (например, катализируемые энзимами химические реакции). При температуре подводных вулканов до 350 °C возникновение жизни является вполне представимым. Только позднее при возникновении чувствительных к высоким температурам катализаторам (витамины, белки) эволюция должна была происходить при более низкой температуре.
Сценарий Вехтерхойзера хорошо подходит к условиям глубоководных гидротермальных источников, так как имеющийся там перепад температуры позволяет подобное распределение реакций. Древнейшие из сегодня живущих микроорганизмов — самые жароустойчивые, предельный известный температурный максимум для их роста составляет +122 °C. Кроме того железо-серные активные центры и сегодня задействованы в биохимических процессах, что может указывать на первичное участие Fe-S-минералов в развитии жизни.