«химическая революция»

Элементный состав биомолекул:

	C	H	O	N	S	P
Углеводы	X	X	X
Жиры	X	X	X	X
Фосфолипиды	X	X	X	X		X
Белки	X	X	X	X	X
Нуклеотиды	X	X	X	X		X
Порфирины	X	X	X	X

Возможные неорганические источники элементов:
	Восстановленная форма	Окислённая форма
Углерод (C)	Метан (CH4), Монооксид углерода (угарный газ, CO)	Углекислый газ (CO2)
Водород (H)	Водород (H2)	Вода (H2O)
Кислород (O)	H2O	Кислород (O2)
Азот (N)	Аммиак (NH3)	Нитраты (NO3^-)
Сера (S)	Сероводород (H2S)	Сульфаты (SO4^2-)
Фосфор (P)		Фосфаты (PO4^3-)

Все гипотезы исходят из того, что, помимо воды и фосфатов, на начальных этапах истории Земли в атмосфере и гидросфере в достаточном количестве имелись только восстановленные формы, отличающиеся от обычных в современный период химических соединений, так как древняя атмосфера не содержала молекулярного кислорода.
В качестве источника энергии, инициирующей синтез, в это время могли выступать ультрафиолетовое излучение Солнца, тепло вулканических процессов, ионизирующие излучения радиоактивного распада и электрические разряды. Существуют также теории, в рамках которых источником необходимой для возникновения биомолекул энергии могут служить окислительно-восстановительные процессы между вулканическими газами (восстановитель) и частично окисляющими сульфидными минералами, например, пиритом (FeS₂)

Развитие древней атмосферы[править | править код]

Развитие земной атмосферы является частью химической эволюции и к тому же важным элементом истории климата. Сегодня её разделяют на четыре важные ступени развития.
Вначале происходило образование химических элементов в космосе и появление из них Земли — приблизительно 4,56 миллиарда лет назад. Предположительно наша планета уже довольно рано имела атмосферу из водорода (H₂) и гелия (He), которая, однако, была снова потеряна в космическое пространство. Астрономы исходят также из того, что из-за относительно высоких температур и эффектов солнечного ветра на Земле и других близлежащих к Солнцу планетах могло остаться только небольшое количество лёгких химических элементов (включая углерод, азот и кислород). Все эти элементы, составляющие сегодня основную часть биосферы, были занесены, по этой теории, ударами комет из более внешних участков Солнечной системы лишь через большой промежуток времени, когда протопланеты немного остыли. В течение первых нескольких миллионов лет после возникновения Солнечной системы постоянно повторялись столкновения с небесными телами, вызванные ими коллизии уничтожали глобальными стерилизациями образованные в это время живые системы. Поэтому появление жизни смогло начаться только после накопления воды за длительное время хотя бы в самых глубоких впадинах.

Следы вулканической активности: отложения серы на краях Halema’uma’u — кратера вулкана Мауна-Лоа на Гавайях

Извержение вулкана — самая захватывающая форма вулканической деятельности
С медленным остыванием Земли, вулканической деятельностью (выделение газов из недр Земли) и глобальным распределением материалов упавших комет возникла вторая атмосфера Земли. Скорее всего, она состояла из водяного пара (H₂O; до 80 %), углекислого газа (CO₂; до 20 %), сероводорода (H₂S; до 7 %), аммиака (NH₃) и метана (CH₄). Высокий процент водяного пара объясняется тем, что поверхность Земли была на тот момент ещё слишком горяча для образования морей. Прежде всего из воды, метана и аммиака в условиях молодой Земли могли образоваться небольшие органические молекулы (кислоты, спирты, аминокислоты), позднее также органические полимеры (полисахариды, жиры, полипептиды), которые были нестабильны в кислотной атмосфере.
После охлаждения атмосферы ниже температуры кипения воды наступил очень длительный период выпадения дождей, которые и образовали океаны. Насыщенность других газов атмосферы относительно водяного пара повысилась. Интенсивное ультрафиолетовое облучение обусловило фотохимический распад воды, метана и аммиака, в результате чего накопились углекислый газ и азот. Лёгкие газы — водород и гелий — уносились в космос, углекислый газ растворялся в больших количествах в океане, увеличивая кислотность воды. Значение pH упало до 4. Инертный и малорастворимый азот N₂ накапливался со временем и образовывал около 3,4 миллиарда лет назад основную составляющую атмосферы.
Выпадение в осадок прореагировавшего с ионами металлов растворенного углекислого газа (карбонаты) и дальнейшее развитие живых существ, которые ассимилировали углекислый газ, привело к уменьшению CO₂-концентрации и повышению значения pH в водоёмах.
Кислород O₂ играет важнейшую роль в дальнейшем развитии атмосферы. Он образовался с появлением способных к фотосинтезу живых существ, предположительно цианобактерий (сине-зелёных водорослей) или им подобных прокариотов. Ассимиляция ими углекислого газа привела к дальнейшему понижению кислотности, насыщенность атмосферы кислородом оставалась всё-таки довольно низкой. Причина этого — незамедлительное использование растворенного в океане кислорода для окисления двухвалентных ионов железа и других окисляемых соединений. Около двух миллиардов лет назад этот процесс завершился, и кислород стал постепенно накапливаться в атмосфере.
Очень реакционноспособный кислород легко окисляет восприимчивые органические биомолекулы и становится таким образом фактором отбора окружающей среды для ранних организмов. Только немногие анаэробные организмы смогли переместиться в свободные от кислорода экологические ниши, другая часть выработала ферменты (например, каталазы), которые делают кислород не опасным. В некоторых микроорганизмах из подобных энзимов развились комплексные мембранные энзимы — конечные оксидазы, которые метаболически использовали присутствующий кислород для накопления энергии, необходимой для роста собственной клетки — конечная стадия окисления в аэробной цепи дыхания. В зависимости от организма имеются различные формы конечных оксидаз, например, хинол-оксидаза или цитохром C — оксидаза, которые различаются активными центрами, содержащими ионы меди и гемы. Это даёт основание полагать, что они произошли различными параллельными путями развития. Во многих случаях в одном организме встречаются различные типы конечных оксидаз. Эти энзимы являются последними в цепи последовательно задействованных комплексов энзимов, которые энергию окислительно-восстановительных процессов сохраняют переносом протонов или ионов натрия в форме трансмембранного электрического потенциала. Последний другим комплексом энзимов преобразовывается снова в химическую энергию в форме АТФ. Синтез АТФ и прочих компонент цепи дыхания в эволюционном свете значительно старше конечных оксидаз, так как они играли важную роль уже во многих аэробных процессах обмена веществ (аэробное дыхание, многие процессы брожения, метаногенез), а также при аноксигенном и оксигенном фотосинтезе.
Миллиард лет назад содержание кислорода в атмосфере перешагнуло планку одного процента и спустя несколько миллионов лет был образован озоновый слой. Сегодняшнее содержание кислорода в 21 % было достигнуто лишь 350 миллионов лет назад и сохраняется с тех пор стабильным.

Значение воды для возникновения и сохранения жизни[править | править код]

H₂O — химическое соединение, присутствующее при обычных условиях во всех трёх агрегатных состояниях
Для жизни, как мы её знаем (или определяем), нужна вода как универсальный растворитель. Вода имеет комплекс качеств, которые делают жизнь возможной. Нет данных, что жизнь может возникать и существовать независимо от воды, и принято считать, что только наличие воды в жидкой фазе (в определённой области или на определённой планете), делает вероятным возникновение жизни.
Для синтеза сложных молекул и соблюдения граничных условий автокаталитических реакций между ними (что обеспечивает принципиальную возможность перехода от химической эволюции к эволюции живого вещества), важны следующие характеристики воды:

• 
  Вода находится в жидком состоянии при температуре, в которой стабильны органические молекулы и их синтез возможен только в водных растворах.
  
• 
  Вода необходима как деполяризующий растворитель для химических реакций, так как она делает возможным гомогенное перемешивание, а имея высокую теплоёмкость, принимает выделяющуюся при реакциях теплоту и предоставляет в распоряжение протоны для катализов.
  
• 
  Высокая удельная теплоемкость воды, сосредоточенной в океане, и особенности характеристики спектрального поглощения водяных паров (при их зна́чимых долях в объёме атмосферы) обеспечивают стабилизацию глобальных колебаний температуры и осмотических процессов (локально могут возникать большие различия), что создаёт предпосылки к планетарно-уравновешенному климату, неблагоприятные изменения которого (для живого вещества), вызванные как энтропийными процессами, так и внешними неблагоприятными факторами, могут быть в определённых пределах скомпенсированы жизнедеятельностью самой биосферы, как целого, изменяющей интенсивность испарения воды, и тем самым, планетарного альбедо и, что может быть ещё более важно — изменяя концентрацию в атмосфере водяного пара, главного по значению парникового газа (см. гипотезу Геи^[7] британского учёного, консультанта NASA Джеймса Лаврока, а также конкурирующую с ней гипотезу биотической регуляции климата^[8] российского физика В. Г. Горшкова).
  
• 
  Вода и водяной пар поглощают вредное для макромолекул ультрафиолетовое облучение. Однако оно проникает через замёрзшую воду (лед) до определённой глубины.
  
• 
  Вода, в которой растворены вещества, например, морская вода, образует при вымораживании области разных концентраций веществ, которые окружены мембранами льда (см. гипотеза морского льда). Обособленность от внешней среды и повышенная концентрация веществ считаются необходимыми для образования биологически активных молекул.
  
• 
  Особенность термодинамики воды (при нагревании от 0 до 3,98 °С вода сжимается) предотвращает замерзание водоёмов до дна — холодная вода, как менее плотная, остаётся на поверхности и замерзает, а подо льдом вода имеет положительную температуру, что сохраняло жизнь на Земле в эпохи глобальных оледенений.
  

Эксперименты[править | править код]

Эксперимент Миллера — Юри[править | править код]

Основная статья: Эксперимент Миллера-Юри
Одна из самых известных гипотез эволюции была опубликована в двадцатые годы XX столетия русским исследователем А. И. Опариным и британским исследователем Дж. Холдейном. Теория утверждала, что условия на первобытной Земле благоприятствовали химическим реакциям. Из абиогенных низкомолекулярных соединений в атмосфере и море должны были синтезироваться сложные органические соединения. Необходимая энергия поставлялась очень интенсивным ультрафиолетовым облучением, которое могло беспрепятственно проникать в атмосферу в связи с малым содержанием в ней кислорода и озона.
В 1953 году эта теория была обоснована химиками Стэнли Миллером и Гарольдом К. Юри очень хорошими результатами эксперимента с «первичным бульоном». Опытным путём ими было доказано, что в среде, похожей на среду с предположительными пребиотическими условиями, посредством притока энергии извне (молнии), из абиогенных низкомолекулярных соединений (вода, метан, аммиак и водород) могут возникнуть аминокислоты и более простые карбоновые и жирные кислоты — одни из важнейших строительных элементов биомолекул (причём современные исследования сохранившегося содержимого колб Миллера показало, что там содержалось большее количество аминокислот, чем смог выявить Миллер^[9]).
В более поздних, в большинстве случаев, более сложно построенных опытах с первичным бульоном экспериментаторы смогли получить как все важнейшие строительные элементы живых существ — аминокислоты, жиры, сахара, нуклеотиды — так и более сложные органические соединения — порфины и изопреноиды^[10].
По замечанию биохимика Роберта Шапиро, аминокислоты, синтезированные Миллером и Юри — значительно менее сложные молекулы, чем нуклеотиды. Самая простая из тех 20 аминокислот, что входят в состав природных белков, имеет всего два углеродных атома, а 17 аминокислот из того же набора — шесть и более. Аминокислоты и другие молекулы, синтезированные Миллером и Юри, содержали не более трёх атомов углерода. А нуклеотиды в процессе подобных экспериментов удалось получить лишь в 2009 году^[11][12].
Хотя этим была показана возможность естественного образования органических молекул, эти результаты сегодня иногда подвергаются критическим оценкам. В эксперименте с первичным бульоном исходили из того, что атмосфера на тот период времени имела щелочной характер, что соответствовало научным представлениям того времени. Сегодня же исходят из слабощелочного или даже нейтрального характера атмосферы, хотя вопрос ещё не окончательно решён и обсуждаются также локальные химические отклонения атмосферных условий, например, в окрестностях вулканов. Позднейшими экспериментами была доказана возможность появления органических молекул и в этих условиях, даже таких, которые не получились при первых опытах, но в значительно меньших количествах. Этим часто аргументируется, что происхождение органических молекул другим путём, играло как минимум дополнительную роль. Приводятся также теории происхождения органики в окрестностях гидротермальных источников срединно-океанических хребтов.
В качестве аргумента против происхождения органических молекул из первичного бульона иногда приводят тот факт, что во время опыта получается рацемат, то есть равная смесь из L и D-форм аминокислот. Соответственно, должен был существовать естественный процесс, в котором отдавалось предпочтение определённому варианту хиральных молекул. Некоторые космобиологи утверждают, что легче доказать происхождение органических соединений в космосе, так как, по их мнению, фотохимические процессы с циркулярно-поляризированным излучением, например, от пульсаров, в состоянии уничтожить молекулы только определённого вращения. И действительно, у найденных в метеоритах хиральных органических молекул преобладали на 9 % левовращающие. Однако в 2001 году Alan Saghatelian^[13] показал, что самореплицирующиеся пептидные системы тоже в состоянии эффективно отбирать молекулы определённого вращения в рацематной смеси, что делает возможным и земное происхождение полимеров из определённых оптических изомеров.

Дальнейшие реакции[править | править код]

Из появляющихся при эксперименте Миллера-Юри промежуточных продуктов альдегидов и синильной кислоты HCN можно получить при симулируемых условиях Земли 4,5 млрд лет назад дальнейшие биомолекулы. Таким образом Хуану Оро удалось в 1961 году осуществить синтез аденина:

Эдукты