Розділ «5.3 Розвиток життя на землі»

Надалі виявилося, що абіогенним шляхом за умови відсутності кисню з отруйної суміші газів (N2 Н2, CO, СO2, NH3, СН4, H2S, HCN, НСОН) і водяної пари (Н,0) за участі розчинів солей важких металів, суміші глин та мінералів як каталізаторів, а як джерела енергії — електричних розрядів, ультрафіолетового випромінювання, іонізуючої радіації і дуже високої температури, можна синтезувати дуже багато простих органічних сполук, які входять до складу біологічних полімерів: білків, полісахаридів, ліпідів та нуклеїнових кислот.

Так, американський біохімік С. Фокс синтезував майже всі життєво важливі амінокислоти.

Етапи синтезу амінокислот, які утворюються під дією електричного розряду або ультрафіолетового випромінювання, якщо їх пропускати через суміш газів Н2, СН4 і NH,i водяну пару, досліджували у свій час Міллер і Юрі. Вивчаючи появу й зникнення окремих продуктів синтезу, що тривав протягом багатьох тижнів, вони переконалися, що концентрація аміаку неухильно знижувалася, а азот аміаку входив до складу насамперед щаністого водню (HCN) і ціаногену (C2N2). Це і були поряд з альдегідами перші синтезовані сполуки. Амінокислоти синтезувалися пізніше з ціаністого водню й альдегідів. Такий хід синтезу дозволяє припустити, що амінокислоти утворювалися з альдегідів шляхом, який добре відомий хімікам-органікам під назвою реакції Штрекера.

Крім амінокислот, при нагріванні газових сумішей в закритих посудинах до високих температур (600-900 °С) за участі руд різних металів як каталізаторів утворювалися жирні кислоти й деякі цукри. Серед синтезованих штучним шляхом цукрів є шести-вуглецеві (гексози) і п'ятивуглецеві (пентози). Рибозу й дезоксирибозу, зокрема, було отримано в результаті впливу на суміш газів ультрафіолету і гамма-випромінювання.

Ще Бутлеров у XIX столітті довів, що при нагріванні в міцному лужному розчині формальдегід (НСОН) перетворюється на суміш цукрів.

У XX столітті інші автори (Поннамперум і Бейбел) запропонували модель виникнення цукрів під дією гідротермальних джерел. Пропускання розведеного розчину формальдегіду над поверхнею нагрітої глини або навіть звичайне кип'ятіння формальдегіду спричинювали реакції конденсації та утворення цукрів.

У наш час хіміки-органіки досить легко одержують цукри із суміші метану (СН.), аміаку (NH3) і Н20 завдяки дії іонізуючої радіації. При цьому пентози, зокрема, утворюються в результаті конденсації проміжного продукту — формальдегіду (НСОН). Цей процес складається з ряду етапів, але сумарна реакція проста: із 5-ти молекул формальдегіду утворюється одна молекула рибози.

Як відомо, гексози (глюкоза, зокрема) входять як мономери до складу полісахаридів, а пентози (рибоза і дезоксирибоза) — до складу нуклеотидів, які є мономерами нуклеїнових кислот. Для утворення нуклеотида, крім пентози, потрібні ще фосфорна кислота й одна з азотистих основ, які належать до двох класів — пуринів і піримідинів.

Неодноразово робилися спроби — і досить успішні — продемонструвати можливість абіогенного синтезу азотистих основ, які входять до складу нуклеїнових кислот, шляхом ряду реакцій конденсації із ціаністого водню (HCN), який, у свою чергу, вдається одержати при нагріванні до високих температур сумішей з метану (СН4), аміаку (NH3) і води.

Ціаністий водень (HCN), який є смертельною отрутою для сучасної біосфери, на первинній Землі, імовірно, був дуже поширеною сполукою і віді гра вав важливу роль в абіогенних процесах. Результати спектроскопічних досліджень свідчать про те, що він входить і до складу комет. Згідно з останніми радіоастрономічними даними, HCN поширений також у міжзоряному просторі.

Завдяки різноманітним реакціям, джерелом яких був HCN, його похідні і деякі інші сполуки, в умовах, що наближалися до умов первісної Землі, було отримано аденін, гуанін, урацил і цитозин. При цьому найлегше синтезується аденін.

Одним з перших досягнень у синтезі пуринів у можливих первинних умовах Землі була робота Хуана Оро з університету Х'юстона, який шляхом термічного впливу на ціаністий амоній одержав аденін.

Якщо уважно розглянути молекулу аденін а, про склад якої дає уявлення емпірична формула C5H5N5, можна встановити, що він являє собою пентамер ціаністого водню, тобто з 5-й молекул HCN утворюється одна молекула C5H5N5. Ймовірно, що спочатку з 4-х молекул ціаністого водню (HCN) виникає його тетрамер C4H4N4 (діаміномалеонітрил). Ця сполука є важливим проміжним продуктом у багатьох реакціях, що приводять до синтезу азотистих основ. Виявилося, що під дією світла може відбуватися перебудова молекули C4H4N4 із приєднанням ще однієї молекули HCN, у результаті чого утворюється аденін.

Трохи іншим шляхом можна одержати іншу азотисту основу, яка входить до складу нуклеотидів, — гуанін. Вихідним продуктом для його синтезу є той же діаміно-малеонітрил (C4H4N4). Але в даному випадку вдаються до реакції гідролізу за участю ціаногена (C2N2).

Складніше із синтезом піримідинів (тиміну, урацилу і цитозину), однак певного успіху досягнуто й тут. Так, Оро вдалося синтезувати урацил шляхом взаємодії аміачного розчину сечовини зі сполуками, які виникають із простих газів під впливом електричних розрядів. Л. Оргель синтезував цитозин, нагріваючи разом сечовину і ціаноацетилен (C3HN), який утворюється, у свою чергу, у результаті впливу електричного розряду на суміш метану й азоту.

Азотисті основи (аденін, гуанін, тимін, урацил і цитозин), з'єднуючись з пентозами (рибозою або дезоксирибозою), утворюють нуклеозиди. Останні, у свою чергу, з'єднуючись з фосфорною кислотою, утворюють нуклеотиди. У результаті приєднання аденіну до рибози утворюється аденозин. Із нього після приєднання до молекули "хвоста", який складається із трьох фосфатних груп, утворюється аденозинтрифосфат (АТФ).

Слід зауважити, що для поєднання із трифосфатом у процесі абіогенезу було вибрано саме аденозин, а не який-небудь інший нуклеозид. Немає ніяких явних вказівок на те, що АТФ пристосований для збереження енергії краще, ніж ГТФ (гуанозинтри-фосфат), ЦТФ (цитидинтрифосфат), ТТФ (тимідинтрифосфат) чи УТФ (уридин-трифосфат). Можливо, що аденін використовувався для синтезу енергозберігаючої сполуки саме тому, що він був компонентом первинного "бульйону" у більш високій концентрації, оскільки синтез його відносно простий.

Підбиваючи підсумок, можна сказати, що подібні результати, які підтверджують теорію абіогенного утворення найпростіших органічних сполук, були отримані в усіх вищенаведених та інших експериментах. При цьому виявилося, що із суміші газів (N, Н2, CO, CO., NH3, СН4, H2S) і водяної пари спершу утворяться високоактивні проміжні сполуки, такі, як ціаністий водень (HCN), формальдегід (НСОН), ціаноген (CjNj) та ін., а вже потім із цих сполук утворяться в результаті хімічної еволюції мономери біологічних полімерів; саме вони і становили вміст "первинного бульйону" на нашій планеті. Звідси випливає, що виникнення "первинного бульйону" — не випадковість, а закономірність. На планеті з оптимальною температурою, достатньою кількістю води та атмосферою, що складається із найбільш розповсюджених у Всесвіті газів, "первинний бульйон" повинен був виникати в 100 випадках зі 100.

На цьому закінчується 1-й етап хімічної еволюції. Наступна фаза — утворення полімерів, оскільки амінокислоти, жирні кислоти, цукри та азотисті основи — це ще не життя.

Другий етап — утворення біополімерів. Наступним кроком еволюції було утворення з малих органічних мономерів крупніших — полімерів, схожих на білки та нуклеїнові кислоти.