Нове в теорії появи життя
Все теор ії зародження життя можна розділити на дві групи: одні постул іруют зародження життя на Землі, інші - поза Землею. Причому останні з'явилися саме тому, що жодна з теор ий земного походження життя так і не пояснила, як з'явилися перші молекули РНК і ДНК, без яких сучасні форми життя просто немислимі. Найвідоміша і добре аргументована гіпотез а А. І. Опаріна і Дж. Холдейна стверджує, що життя виникло в океанах, де перед цим сформувався насичений пребіотіческій бульйон з різних органічних сполук (рис. 1). Потім з цих з'єднань під дією вулканів, блискавок, УФ-випромінювання Сонця та інших факторів почали утворюватися перші біополімери, потім фрагменти протоклеток і так далі. У 50-ті роки минулого століття С. Міллер намагався підтвердити дослідами, що з суміші простих газів в розряді блискавок можуть синтезуватися складні органічні молекули. Проте ні ці, ні інші теор ії не пояснюють, як в пребіотіческіх бульйоні утворилися перші молекули нуклеотидів, тобто мономери РНК і ДНК. Випадково вони вийти не могли - для цього не вистачило б всіх п'яти мільярдів років існування Землі, нуклеотиди занадто складні молекули. Теор ія позаземного походження життя, звичайно, тимчасово дозволяє розслабитися - ну занесли з космосу готові молекули РНК на ме теор ітах, і справа з кінцем. Але все-таки знову виникає недомовленість - а в космосі щось перші молекули РНК і ДНК звідки взялися?
За геологічними масштабами, життя на Землі виникла майже відразу після того, як з'явилася сама Земля. Вчені вважають, що на це потрібно не більше 500-700 млн років з 4,6 млрд років існування Землі. В Інституті каталізу ім. Г. К. Борескова СО РАН, розташованому в Одессаом Академмістечку, почали перевіряти теор ію, згідно з якою утворення перших молекул нуклеотидів, а отже, і походження життя - явища далеко не випадкові. І зараз йде експеримент, який вже дав дуже цікаві результати (про них пізніше). Причому майже одночасно фізики з цього ж інституту висунули і почали прораховувати нову гіпотез у виникнення планет, що спирається частково на ті ж фізико-хімічні принципи. І все потихеньку зістикувати і вишикувалося в правдоподібну і струнку систему. Звичайно, поки що з безліччю невирішених питань.
Отже, утворення планет Сонячної системи і виникнення життя на Землі походять практично в один момент у тимчасових масштабах Всесвіту. Тому, якби вдалося вирішити проблему планетообразования, це могло б стати вихідною точкою і для вирішення проблеми зародження життя. Адже наукові питання часто вирішуються комплексно. Але як отримати дані про подію, що відбулася, якщо відомий лише кінцевий результат? Цим займаються зараз фізики Інституту каталізу і декількох інших інститутів СО РАН. Основний інструмент їх роботи - методи, розроблені для моделювання в лабораторних умовах ядерного вибуху. Тобто фізики разом з математиками збирають досить надійні дані про кожному процесі, що впливає на картину вибуху, а потім моделюють його на комп'ютері. Чим могутніше комп'ютер, чим більше він враховує процесів і параметрів, тим більш реальною виходить картина. Перевірити роботу комп'ютера можна, зіставивши розрахунки з наглядом природних явищ - наприклад, спалахи на Сонці. Природно, на кожному етапі моделювання треба строго дотримуватися всі без винятку фундаментальні фізичні закони, зокрема закони збереження енергі і, імпульсу і т. Д.
Спочатку сибірські вчені проаналізували найбільш популярні існуючі теор ії утворення планет - і залишилися незадоволені. З'явилося нове припущення: формування планет відбувалося в тих же умовах, в яких каталітичні хімічні реакції органічного синтезу. І наступний крок: саме каталітичні реакції привели до виникнення життя на Землі, а потім - до природного відбору.
Ми вже давно звикли до уявленням про те, що планети Сонячної системи зародилися з первинного газопилової хмари, що оточував протосолнца близько 5 млрд років тому. При цьому багато вчених припускали, що планети Сонячної системи сформувалися при зіткненні твердих тіл. Проте, згідно з В. С. Сафронова, якщо тіло величиною близько тисячі кілометрів зіткнеться з тілом меншого розміру, оскільки притягнуться до великого, а ось середні тіла (кілька сот кілометрів в діаметрі) не можуть ні укрупнитися, ні поглинути. Вони просто руйнуються при ударі. Що ж змусило систему самоорганізуватися і призвело до утворення планет земної групи?
Величезне газопилову хмара, що обертається навколо протосолнца, було не просто хмарою, а величезним каталітичним реактором, в якому щосили йшли хімічні реакції і синтезувалися різноманітні органічні сполуки. Чому каталітичним? А тому, що в цьому реакторі перебували міріади частинок допланетного пилу, яка мала залізо, нікель і кремній, - саме вони складали, як вважають, основу первинного газопилової хмари. Там же в надлишку знаходилися і газоподібні реагенти (основні компоненти міжзоряного і міжпланетного газу) - водень, чадний газ і т. Д. У газопиловій хмарі такого складу просто не могли не утворюватися органічні сполуки! Більш того, як з'ясувалося при чисельному моделюванні утворення планет, про який йшла мова вище, реакції утворення таких сполук були не просто важливими, вони могли відігравати вирішальну роль! Дійсно, для злипання твердих частинок «чистої» космічного пилу при інтенсивному ударі потрібен «клей», а які утворюються органічні молекули, закріплюючись на поверхні твердих частинок, утворили необхідний липкий поверхневий шар. Саме він сприяв швидкому з'єднанню пилинок, з яких формувалися більші частки, а потім і планетозімалі (проміжні освіти) і далі протопланети. Так, мабуть, утворилися і Земля, і всі інші планети, астероїди і комети, які обертаються зараз навколо Сонця.
Треба відзначити, що описана система добре знайома фахівцям - за класифікацією хіміків-каталітіков глобальний космічний реактор відноситься до розряду реакторів «з псевдозрідженим шаром каталізатора». Тиск і температура газоподібних реагентів в зоні формування планет були типовими для добре відомих хімічних процесів. Інші важливі характеристики глобального космічного реактора, також близькі душі технолога - склад каталізаторів, реакційного середовища і т. П. З водню і чадного газу на залізо і никельсодержащих порошинки були зобов'язані синтезуватися вуглеводні і кисневмісна органіка - наприклад, прості спирти і альдегіди. Все як в промисловості.
Зрозуміло, що каталітична активність космічного матеріалу - ключовий момент в уточненні теор ії утворення планет. Нещодавно в Інституті каталізу ми експериментально перевірили, що речовина реальних ме теор ітов справді каталізує ці реакції. Кам'яні і залізо-кам'яні ме теор іти, які ми використовували в експерименті, за своїм складом наближаються до речовин, поширеним в космосі. За 4,6 млрд років свого існування вони спеклися і мають звичайну непористу поверхню, але колись, в молекулярних хмарах і навколозоряний диск, міжзоряний пил складалася з частинок нанометрового розміру. Тому ми випарювали ме теор іти за допомогою лазера і отримували порошки з розміром частинок 3-4 нм (це приблизно відповідає розміру активного компонента в промислових каталізаторах). Потім дивилися, чи виходить що-небудь з суміші чадного газу, водню і гелію в присутності ме теор ітной пилу при атмосферному тиску і температурі до 500 ° С. У наших експериментах з досить високими виходами синтезувалися етилен та інші вуглеводні.
Мал. 2. Схема дії космічного каталітичного реактора в момент утворення Землі
Все це означає, що наші планети сформувалися там, де були умови для каталітичного синтезу органічних сполук, і що первинні органічні сполуки, з яких потім могла з'явитися життя, утворилися вже на допланетного стадії еволюції Сонячної системи (рис. 2). Цікаво, що значна частина первинного «допланетного» органічної речовини могла захоплюватися при формуванні планет (хоча основна маса такого речовини, звичайно ж, руйнується і розвіюється в космосі) і стати згодом одним з компонентів викопного органічного сировини, яким ми зараз користуємося. Так це чи не так - покажуть подальші дослідження.
Ще одне дуже важливе питання: наскільки жорстко зумовлено утворення планет? Виявилося, що самоорганізація речовини по нашій моделі йде в одному напрямку і тому наперед. Але місце появи окремої хвилі підвищеної щільності речовини, а слідом і формування планети на даному відстані від Сонця - для нашої моделі величини випадкові. Правда, із загальних міркувань випливає, що якщо хвиля щільності виявиться на орбіті Венери, то все летючі речовини (вода, водень, органічні сполуки) там випаруються: планета з'явиться, а життя на ній немає. На орбіті Марса занадто холодно. Так само як і на орбіті Сатурна - недавно з'ясувалося, що поверхня Титану (супутника Сатурна) складається в основному з зріджених легких вуглеводнів. Планета, на якій живемо ми, потрапила в саму точку. Тут є вода, легкі гази і т. П.
Імовірність появи планет на різних відстанях від Сонця, можливо, визначиться після подальших розрахунків, в яких використовують додаткові фізико-хімічні фактори, що впливають на поведінку газопилової хмари. Може бути, тоді стане зрозуміло, де проходить межа життя - до марсіанської орбіти або за нею. І це знання збереже масу коштів і сил.
Відразу ж після того, як сформувалися планети і на їх поверхню потрапило перше «допланетного» органічна речовина (і навіть якщо не потрапило), на Землі почалися ті самі фізико-хімічні процеси, які породили життя. Для наукової коректності, а також для того, щоб можна було підказати геологам, де шукати сліди первинної протожізні, сформулюємо завдання - домовимося, що саме ми розуміємо під феноменом «життя» і що могло бути її першим проявом.
Сьогодні вчені вважають, що щось, зване життям, має відповідати кільком умовам. Життя - це обов'язково процес, тобто функціонування за рахунок обміну речовиною і енергі їй з навколишнім середовищем. Живі об'єкти здатні до розмноження і відтворення собі подібних. Нарешті, всі живі об'єкти здатні до прогресивної еволюції в співтоваристві таких же об'єктів, завдяки наявності у них біологічної пам'яті, здатної запам'ятовувати ознаки, набуті в ході природного відбору за Ч. Дарвіном.
Причому повинна виконуватися вся сукупність умов - будь-яка з них окремо не робить об'єкт живим. Таким чином, незважаючи на те що всі процеси в живих організмах - хімічні, однак взята окремо хімічна реакція не є життям, так само як і «відтворення» собі подібних. Наприклад, зростання кристалів не що інше, як самореплікаціі подібних з'єднань і структур. Але це не життя. Простий обмін з середовищем речовиною і енергі їй теж не є життя. Наприклад, основний об'єкт дослідження Інституту каталізу - каталітичні хімічні процеси, в основі яких лежить саме обмін речовиною обсягу з поверхнею каталізатора. Але ж і хімічний каталіз - це теж не життя.
Тільки тоді, коли з'являється біологічна пам'ять, що дає можливість накопичувати спадкову інформацію і передавати її далі, можна говорити про життя. Біологічна пам'ять - це основа для природного відбору, в ході якого організми ускладнюються, адаптуються до навколишнього середовища і еволюціонують. У всіх живих організмах основою біологічної пам'яті служать молекули РНК і ДНК.
Ми поставили собі питання: «А чи можливо, що існували більш прості попередники РНК і ДНК, котрі володіли проте властивостями, подібними з молекулярної пам'яттю?» Насправді дуже близькі до біологічних автокаталитические системи. Це системи, в яких хімічна реакція прискорюється власними кінцевими продуктами реакції або попередниками цих продуктів. Іншими словами, в автокаталитических реакціях, як і в співтоваристві живих організмів, відбувається розмноження, тобто самореплікаціі молекул. Найпростіша автокаталітіческая реакція може бути записана як R + X -> 2 X. Після реакції молекули автокатализаторов Х з «молекулою їжі» R виходять дві молекули автокатализаторов. При достатній кількості їжі в системі таке подвоєння призводить до лавиноподібного зростання кількості автокатализаторов в системі.
А тепер подивимося, як буде вести себе така автокаталітіческая реакція у відкритій системі, де є обмін речовиною з навколишнім середовищем, але кількість «їжі» обмежена. Розрахунки показують, що існують два стаціонарні стани такої системи. У першому (нестійкому) кількість автокатализаторов точно дорівнює нулю. Це зрозуміло: для того щоб його концентрація зростала, необхідна вихідна запал у вигляді хоча б однієї попередньої молекули автокатализаторов. У другому стаціонарному стані концентрація автокатализаторов лінійно збільшується зі збільшенням кількості їжі. Але при цьому концентрація їжі повинна перевищувати якийсь мінімальний рівень, що залежить від властивостей конкретного автокатализаторов. Якщо цього не відбувається, то кількість автокатализаторов також стане рівним нулю. Таким чином, для автокаталитических реакцій існує критична межа, при якому їжа ще є, а автокатализаторов вже зник, тобто вимер. Причому повністю, до єдиної молекули.