Произход на живота абиогенеза и панспермия
4. Произход на живота: абиогенеза и панспермия. Хиперцикъл. Геохимичен подход към проблема.
След като завършихме раздела за еволюцията на самата Земя, сега започваме да изучаваме еволюцията на живота на нея. Веднага ще направя резервация: няма да навлизам в джунглата на определенията за това какво е „живот“ или да обсъждам чисто химическите аспекти на това явление - това би ни отнело твърде далеч от темата на специалния курс [07]. Нашият подход към проблема с живота на Земята ще бъде чисто функционален и в неговите рамки трябва да приемем едно аксиоматично твърдение: еволюцията на биосферата и съставляващите я екосистеми върви като цяло към появата на все по-съвършени, т.е. стабилна и икономична, циркулация на материя и енергия. Подобряването на циклите има за цел да сведе до минимум необратимите загуби на биологични системи: екосистемата се стреми да предотврати извличането на микроелементи и погребването на неокислен въглерод, да прехвърли водата от повърхностния отток в подземния и т.н. Следователно от обща планетарна гледна точка животът трябва да се разглежда като начин за стабилизиране на геохимичните цикли, съществуващи на планетата.
Що се отнася до произхода на живота на Земята, този проблем от времето на Е. Хекел (1866) обикновено се свежда до чисто химичен проблем: как да се синтезират сложни органични макромолекули (предимно протеини и нуклеинови киселини) от прости ( метан, амоняк, сероводород и др.), които съставлявали първичната атмосфера на Земята. Трябва честно да се признае, че дори този, общо взето технически проблем, е далеч от решението. През двадесетте години А.И. Oparin и J. Haldane експериментално показаха, че в разтвори на органични съединения с високо молекулно тегло могат да се появят зони с повишена концентрация - коацерватни капки, които в известен смисъл се държат като живи обекти: те спонтанно растат, разделят и обменят материя с заобикаляща течност през уплътнения интерфейс. След това през 1953 г. С. Милър възпроизвежда в колба газообразния състав на първичната атмосфера на Земята (въз основа на състава на съвременните вулканични газове) и с помощта на електрически разряди, симулиращи гръмотевични бури, синтезира в нея редица органични съединения, включително аминокиселини. След известно време S. Fox успя да комбинира последните в къси неправилни вериги - безматричен синтез на полипептиди; Впоследствие подобни полипептидни вериги в действителност са открити, наред с други прости органични вещества, в метеоритно вещество. Това всъщност изчерпва реалните успехи, постигнати в рамките на концепцията за абиогенеза - с изключение на факта, че поне едно основно ограничение на възможността за синтезиране на „живи“ (т.е. биологично активни) макромолекули от по-прости органични „тухли“.
Факт е, че много органични съединения са смес от два така наречени оптични изомера - вещества, които имат абсолютно еднакви химични свойства, но се различават по така наречената оптична активност. Те по различен начин отклоняват лъч поляризирана светлина, преминаващ през техните кристали или разтвори, и в съответствие с посоката на това отклонение се наричат десен или левогират; само чисти изомери притежават това свойство, докато техните смеси са оптически неактивни. Това явление е свързано с наличието в молекулата на такива вещества на така наречения асиметричен въглероден атом, към четирите валентности на които могат да бъдат прикрепени четири различни съответни радикала в различен ред (Фигура 13). И така, тези химически идентични вещества, както Л. Пастьор установява през 1848 г., изобщо не са такива за живи същества: плесенната гъба penicillium, развиваща се в среда на гроздова киселина, „изяжда“ само нейния правомерно изомерен изомер и в среда на млечна киселина - левовъртяща се (между другото, един от методите за разделяне на оптичните изомери се основава на това), човек може лесно да вкуси изомерите на млечната киселина.
ФИГУРА 13. (пропусната) "Лява" и "дясна" аланинови молекули.
Сега е известно, че всички протеини на нашата планета са изградени само от лево-въртящи се аминокиселини, а нуклеиновите киселини - от дясно-въртящи се захари; това свойство, наречено хирална чистота, се счита за една от основните характеристики на живите същества. И тъй като при всеки абиогенен синтез (например в апарата на Милър) образуваните аминокиселини ще се състоят от приблизително еднакви (според теорията на вероятностите) пропорции на десния и левогиратния изомери, то в бъдеще, когато се синтезират протеини от този „суровина“, ще се изправим пред задачата: как химически да се отдели смес от вещества, които са химически идентични по дефиниция? (Не напразно само естествените захари имат оптична активност - и нито една от синтетичните, а гореспоменатите полипептиди от метеоритното вещество се състоят от равни пропорции на дясната и левогиратната аминокиселини.)