3. Признаки живого вещества по Вернадскому

1) живому присуще наличие огромной свободной энергии. Живое - форма активированной материи, которая взаимодействует с окружающей средой по принципу прямых и обратных связей, с одной стороны сохраняя свою устойчивость, изменяя внешнюю среду и приспосабливаясь к этим новым изменениям;

2) в живом резко ускоряются химические реакции за счет белков ферментов;

3) органические соединения живых клеток устойчивы только при жизни белков;

4) живому характерно движение: активное – перемещение в пространстве (животные), пассивное – размножение (споры растений);

5) большое морфологическое и химическое разнообразие. Существует 2 млн органических соединений, 2тыс неорганических;

6) органические соединения биогенного происхождения характеризуются наличием асимметрии – закон нарушения хиральной чистоты;

7) живое представлено в виде дискретных тел;

8) будучи дискретным, живое может существовать только в биогеоценозах по принципу кругооборота вещества, энергии, информации;

9) живое связано генетически с живым прошлых веков;

10) живому характерна эволюция – усложнение организации, которое идет в сторону накопления свободной энергии уменьшением энтропии.

[2]

4. Абиогенный синтез:

Абиогене́з — образование органических соединений, распространённых в живой природе, вне организма без участия ферментов.

В широком смысле абиогенез — возникновение живого из неживого, то есть исходная гипотеза современной теории происхождения жизни. В 20-х годах XX века академик Опарин предположил, что в растворах высокомолекулярных соединений могут самопроизвольно образовываться зоны повышенной концентрации, которые относительно отделены от внешней среды и могут поддерживать обмен с ней. Он назвал их коацерватными каплями, или просто коацерваты. В 1953 году Стэнли Миллером экспериментально осуществлён абиогенный синтез аминокислот и других органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли. Тем не менее эта теория имеет определенное количество недостатков в том числе:

Все белки составляющие живое на земле левовращающие, а аминокислоты правовращающие в случае же такого неуправляемого «естественного» синтеза хиральность не соблюдается. Молекулы сами по себе не означают жизнь…

А большая пропасть между коацерватными каплями и клеткой так и не заполнена.

Существует также теория гиперциклов; согласно которой первые проявления жизни были соответственно в виде гиперциклов — комплекса сложных каталитических реакций продукты выхода которых, являются катализаторами для последующих реакций.

[8]

5. Первичный бульон

Первичный бульон — термин, введенный российским биологом Александром Ивановичем Опариным. В 1924 году он выдвинул теорию о возникновении жизни на Земле через превращении в ходе постепенной химической эволюции молекул, содержащих углерод, в первичный бульон.

«Жизнь – это репликация полимерных молекул». Причём, под репликацией мы понимаем создание точной копии с исходной полимерной молекулы. Действительно, репликация позволяет обеспечить массовое копирование сложных органических веществ, которые могут существовать в большом количестве только за счёт динамического равновесия и при постоянном действии механизма воспроизводства, которым является генный аппарат. В связи с этим, именно механизм репликации лежит в основе всех жизненных процессов.

Живые организмы, это не что иное как сложные гомеостатические системы, которые являясь системами автоматического управления, одновременно являются системами переработки информации, информационными системами. В связи с этим в основе жизни должен содержаться принцип обработки информации, что отражено в процессе репликации полимерных молекул. Ведь полимерная молекула имеет определенную структуру, а следовательно она является источником структурной информации, которая передается при создании молекулы двойника в процессе репликации. Репликация выступает и как акт передачи информации. Таким образом, имеем основание сказать, что момент возникновения механизма репликации является моментом зарождения жизни.

Говорят, что молекулы белков, аминокислот и ДНК настолько сложны, что их случайное образование из набора соответствующих элементов потребовало бы времени гораздо большего, чем само время существования вселенной. Редко кто непосредственно указывает как альтернативу случайности творца-демиурга-бога. Но часто вопрос ставится так что такая альтернатива приходит на мысль. И действительно, если уж настолько благоприятные условия как на Земле не обеспечивают зарождение жизни, то каким еще образом она может зародиться. Говорят о панспермии. Что это значит. По крайней мере то, что жизнь на Землю била занесена из космоса. Но ведь в космосе она тоже должна была как то зародиться. Но не в условиях открытого космоса, там эти условия явно не подходящие и никто даже в принципе не может предположить механизма образования жизни в открытом космосе. Говорят о пришельцах. Допустим. Тогда пришельцы прилетели с какой то планеты, где зародилась их жизнь. А чем собственно наша планета хуже, чем их планета. Если же и на их планеты жизнь была занесена из вне, то мы уходим в бесконечность, а это говорит, что ни гипотеза панспермии, ни гипотеза пришельцев не может быть истинной.

Затруднения в понимании генезиса жизни имеют две причины. С одной стороны недооцениваются условия сложившиеся на Земле в архее, с другой, преувеличивается сложность первичных образований обладающих свойством репликации.

В архейскую эпоху условия для синтеза достаточно сложных химических соединений сложились исключительно благоприятные. Действительно, наиболее сложные химические соединения могут образовываться тогда, когда в процесс химической эволюции вовлечено максимально возможное число типов связей, которые могут использоваться в процессе синтеза химических соединений. Как известно, таких типов несколько. А именно: ковалентные (включая ионные), силы Ван-дер-Ваальса и водородные связи. Из этих связей наиболее прочные, действующие в широком диапазоне температур - ковалентные связи. За счет них образуется основная масса неорганических веществ. Силы Ван-дер-Ваальса, и особенно водородные связи значительно слабее. Энергия их связей сравнима с энергией тепловых колебаний атомов в области сотен градусов. Исходя из этого, наиболее приемлемой темпе­ратурой для образования сложных химических соединений является температура в области до двух - трех сотен градусов по Цельсию

Теперь подойдем к этому же вопросу с другой стороны. А именно, репликация по существу информационный процесс. Передача информации обусловлена организацией канала связи. Физически это выражается в том, что должен быть обеспечен простой подход к закодированной в молекуле информации. Это, в свою очередь требует, чтобы к какому элементу информации был обеспечен подход. То есть форма материального тела должна быть, во всяком случае, иметь не трехмерное представление. Далее, поиск необходимого участка для репликации требует решения задачи поиска, то есть поочередного сравнения элементов объекта репликации с известной его моделью, что вынуждает нас сделать тот вывод, что объект репликации должен представлять одномерный молекулярный кристалл, то есть это должна быть полимерная молекула. В области выше указанных температур полимерные молекулы должны формироваться при помощи углеродных цепей. И, кстати, в атмосфере архейской эры масса углерода в виде углекислого газа. С другой стороны реализация водородных связей требует наличия в молекуле водорода. Поэтому мы должны полагать, что полимерные молекулы должны быть углеводородными. И, кстати, гидросфера архейской эры состоит из воды, в которой имеется масса водорода выделяющегося как за счет диссоциации, так и за счет других процессов.

Естественно, что для формирования необходимого разнообразия органических соединений углерода и водорода мало. Посмотрим по таблице Менделеева, какие элементы могут использоваться в процессе генезиса жизни. К этим элементам предъявляются следующие требования: они должны быть широко распространены; эти элементы в чистом виде или в соединениях должны легко быть растворимы в воде; эти элементы должны формировать разветвленные молекулярные структуры, следова­тельно, можно не рассматривать одновалентные элементы и благородные газы.

Известно, что в силу особенностей формирования ядер атомов, они отличаются разной степенью устойчивости. В связи с этим, элементы имеют разную распространенность в природе. Ниже приведена распространенность элементов первых трех периодов в относительных числах:

Очевидно, что спонтанный синтез сложных молекул может осуществляться в отношении достаточно распространенных элементов. Это позволяет ограничить перечень элементов двумя колонками в этой таблице.

Однако нас должна интересовать распространенность элементов не вообще, а в условиях поверхности Земли. Как мы рассматривали выше, поверхность Земли образована в результате дифференциации пород. При этом ряд элементов, таких как железо, никель оказались в ядре Земли, что позволяет еще более сократить перечень элементов пригодных для синтеза органических молекул, хотя в очень малых количествах они могут входить в молекулы, например железо в молекулу гемоглобина.

Кроме того, ряд элементов образуя еще во времена образования земли соединения с прочными насыщенными ковалентными связями не склонны к растворению в воде, и поэтому не могут участвовать в реакциях органического синтеза, это такие элементы, как магний, алюминий, кремний, цинк. Все это еще более ограничивает перечень интересующих нас элементов до следующих: водород, кислород, углерод, азот, сера, медь, фосфор, хлор. Хлор и медь проявляют одновалентность и в синтезе практически не участвуют, хотя такие элементы как хлор, натрии и т.п. могут существенно влиять на проходящие реакции, формируя условия среды: осмотическое давление, водородный потенциал и т.д.

Таким образом, мы, хотя может и не очень строго, обосновали, что основой для формирования сложных молекул необходимо и достаточно таких элементов, как водород, кислород, углерод, азот, сера и фосфор. Фактически мы знаем, что именно на этих элементах, кроме серы, и построены все органические молекулы. Сера по всей видимости является как бы альтернативой кислороду, как двухвалентный акцептор, но, имея меньшей энергию химической связи и распространение, в построении орга­нических молекул она практически не принимает.

Что касается водорода, кислорода, азота и углерода, то, с конца лунной и до архейской эры, они были исключительно распространены. Кислород и водород за счет диссоциации воды, диссоциации и ионизации углекислого газа и метана. Углерод и азот - за счет диссоциации и ионизации углекислого газа и метана. Кроме того, свободный азот растворялся в воде из атмосферы. Фосфор, а также ряд других более редких элементов поступали в воду в процессе вулканической деятель­ности.

На всем огромном пространстве юной планеты образовалась масса природных лабораторий. Миллионы луж, озерков, ручьёв и речек, участ­ков берегов морей и океанов были такими лабораториями. Соединяясь между собой протоками они образовывали сложные комплексы лабораторий с разными составами солей, разной кислотностью, температурой и т.д.. В условиях повышенного атмосферного давления, температуры, солнечной радиации (особенно ультрафиолетовых лучей), радиоактивности земли, частых грозовых разрядов создались все условия для образовании крупных органических молекул. При этом необходимо учитывать и фактор времени. Миллиард лет было отведено в истории Земли на зарождение жизни.

Даже при таких исключительно благоприятных условиях для биосинтеза, какие создались на Земле, может возникнуть сомнение о возможности самопроизвольного синтеза сложных органических молекул. Мы не будем здесь анализировать вероятность такого синтеза в описанных нами условиях о учетом особенностей поведения тех структурных элементов таких молекул из состава органических веществ фактически существующих в настоящее время. Такой анализ можно произвести, но мы не специалисты в этих вопросах, да и это слишком загромоздит наше исследование. Мы поступим проще. Посмотрим, имеются ли такие соединения в космосе, в гораздо более неподходящих условиях. Такие исследования были проведены и дали они следующие результаты. В диффузных облаках, «темных» пылевых облаках в спиральных рукавах Галактики, в молекулярных облаках, а также в околозвездных газопылевых оболочках самопроизвольно возникают органические молекулы от простейших молекул и радикалов типа СН, НСО, СО, СО₂, ОСS, до сложных молекул типа:

• - углеводородов - СН₄, С₂Н₂, СН₃С₂Н;

• - альдегидов - Н₂СО, Н₂СS, СН₃СНО;

• - спиртов - СН₃ОН, СН₃СН₂OН;

• - кислот - карбоновой НСООН, синильной НС N , изоциановой НNСО;

• - амидов кислот - НСОNН₂ ,NH₂СN;

• - аминов - СН₃NH₂ , СН₂NН ;

• - нитрилов - СН₃СN, СН²СНCN, СН₃С₂СN, НС₂СN,НС₄СN, НС₆СN, НС₈СN;

• - простых эфиров - (СН₃)₂О;

• - сложных эфиров - НCООСН₃.

Эта смесь, при наличии источников энергии, достаточна для образования аминокислот (синтез Миллера-Юри). Поэтому считается высокой вероятность образования простейших аминокислот, таких как глицин.

Обилие органических соединений в межзвездной среде, в метеоритах и кометах и сходство их молекулярного состава с тем, который получается в лабораторных опытах по синтезу органических соединении из смеси простых молекул, можно рассматривать как бесспорное свидетельство того факта, что природа с легкостью приготавливает первый «питательный бульон», необходимый для зарождения жизни. Даже если в процессе формирования планеты первичные органические вещества будут разрушены, процессы, аналогичные тем, которые приводят к образованию межзвездных и околозвездных молекул, могут повто­риться в атмосфере, гидросфере и поверхности грунта и обеспечить вторичное накопление органических соединений. Кроме того, даже в отсутствие подходящих условий «затравочные» запасы органики могут быть принесены на поверхность планеты метеоритами.

Таким образом, у нас не может быть практически никаких сомнений в том, что создание первичного бульона из простых молекул является закономерным следствием развития материи.

[12]