Микробиология - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
На первобытной Земле основная масса воды находилась в связанном гидратированными породами состоянии, поэтому первоначально Мировой океан содержал меньше 10% того количества воды, которое содержат современные океаны. Остальные 90% образовались позднее за счет выделения паров воды из внутренних слоев Земли. Считается, что pH Мирового океана на протяжении всей истории Земли был довольно стабильным, колеблясь в пределах 8—9. Формирование Мирового океана происходило, таким образом, постепенно, в тесной связи с формированием земной коры.
С формированием последней связано и образование атмосферы первобытной Земли, которая принципиально отличалась от современной атмосферы. По существующим представлениям, атмосфера древней Земли, т. е. та атмосфера, в которой развивалась жизнь, имела восстановительный характер. Она содержала главным образом водо
164
род я его соединения (метан, аммиак, пары воды), в меньшем количестве — сероводород, азот, двуокись углерода и благородные газы. Эта атмосфера была лишена свободного (молекулярного) кислорода. Возникновение атмосферы, содержащей молекулярный кислород (кислородной атмосферы), произошло значительно позднее и связано с жизнедеятельностью фотосинтезирующих организмов. Отсутствие свободного кислорода в первобытной атмосфере Земли имело принципиальное значение, поскольку органические вещества, образующиеся в этом процессе, не могли бы синтезироваться и сохраняться на протяжении геологических периодов в присутствии кислорода.
Исходным материалом для синтеза органических веществ служили широко распространенные во Вселенной химические элементы: углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор. Однако синтез биологически важных молекул из этих элементов мог происходить только при условии обеспечения реакций свободной энергии, источником которой на первобытной Земле (так же, как и на современной) были солнечное излучение, электрические разряды, тепловая энергия земных недр и радиоактивное излучение. Наиболее мощный из них — солнечное излучение. Поскольку молекулярный кислород в первобытной атмосфере Земли практически отсутствовал, не было и озонового экрана, существующего в современной атмосфере на высоте примерно 25 км от поверхности Земли и сильно поглощающего коротковолновую часть ультрафиолетового излучения. Можно представить, что значительная часть коротковолнового ультрафиолета проникала через атмосферу первобытной Земли и достигала ее поверхности, поэтому в. условиях древней Земли длинноволновая часть солнечного излучения играла небольшую роль.
Возможность образования органических веществ на первобытной Земле
Последовательность процессов возникновения органических веществ разной степени сложности можно представить следующим образом:
1. В результате действия всех видов энергии из химических элементов синтезировались первичные соединения: углеводороды (в первую очередь метан), аммиак, цианистый водород, окись углерода, сероводород, простейшие альдегиды (и прежде всего формальдегид) и т. д. Эти соединения сами по себе не имели биохимического значения. Основным их свойством была высокая реакционная способность.
2. Первичные соединения служили исходными веществами для образования биохимически важных органических соединений — мономеров.
3. Из мономеров путем конденсации возникали полимеры —основные составные компоненты всех живых организмов.
В свое время А. И. Опарин и Дж. Холдейн (J. Haldarie) высказали предположение о возможности моделирования процессов, происходивших на древней Земле. Это можно делать путем создания в лаборатории условий, имитирующих условия, существовавшие на первобытной Земле. Выдвинутое положение стимулировало разработку экспериментальных подходов к изучаемой проблеме и оказалось весьма плодотворным. В настоящее время ряд процессов абиогенного синтеза сложных органических молекул, входящих в состав клеточных организмов, осуществлен в лабораторных условиях.
165
Одним из первых провел опыты по абиогенному синтезу биохимически важных соединений С. Миллер (S. Miller, 1953). Через газовую смесь, содержащую метан, аммиак, молекулярный водород и пары воды, т. е. имитирующую атмосферный состав первобытной Земли, он пропускал электрические разряды, а затем анализировал образующиеся продукты реакции. Схема прибора С. Миллера приведена на рис. 52. В !реакционную колбу, содержащую смесь газов, были вмон-
Рис. 52. Схема прибора С. Миллера: 1 — реакционная колба; 2 — вольфрамовые электроды; 3 — искровый разряд; 4 — колба с кипящей водой; 5 — холодильник; 6 — ловушка; 7 — кран, через который в аппарат подается газовая смесь (по Kenyon, Steinman, 1972)
тированы вольфрамовые электроды. В течение недели пропускали искровые разряды ,напряжением 60 000 В. Содержащуюся в другой малой колбе воду поддерживали в состоянии кипения. Пары воды проходили через реакционную колбу и конденсировались в холодильнике. В процессе циркуляции они захватывали из реакционной колбы продукты реакции и переносили их в ловушку, где и осуществлялось их концентрирование. !При идентификации продуктов реакции были обнаружены аминокислоты (глицин, а- и ?-аланин, саркозин, а-ами-номасляная, глутаминовая и аспарагиновая кислоты) и органические кислоты (муравьиная, уксусная, пропионовая, гликолевая, молочная). По данным С. Миллера, основными первичными продуктами реакции в зоне разряда являются альдегиды и цианистый водород. Вторичные реакции, происходящие в водной фазе, приводят к образованию из них аминокислот и органических кислот.
