1. Моя освіта – реферати, конспекти, доповіді
  2. Біологія
  3. Утворення сполук при пропущенні електричних зарядів через пари води, водень, метан, аміак

Утворення сполук при пропущенні електричних зарядів через пари води, водень, метан, аміак

Не слід думати, що єдиним джерелом енергії для передбіологічних синтезів могли бути електричні розряди і ультрафіолетове випромінювання. Ймовірно, були й інші джерела, наприклад, розпад радіоактивних елементів в поверхневих шарах скельних порід або ударні хвилі, породжувані блискавками і метеоритами. Зрозуміло, головним джерелом енергії на Землі служить Сонце, проте значна частина сонячного випромінювання припадає на ті області спектра (видиму і інфрачервону), в яких енергія фотонів недостатня для того, щоб викликати розрив або утворення хімічних зв’язків. Крім того, велика частина ультрафіолетового випромінювання, ймовірно, взагалі неефективна в сенсі запуску хімічних синтезів, оскільки метан та інші малі вуглеводневі молекули, а також вода, окис і двоокис вуглецю поглинають тільки випромінювання з довжиною хвилі <200 нм, що становить 1,2% всього ультрафіолетового випромінювання (близько 1720 кДж із загальної кількості 143000 кДж на 1 м2 земної поверхні за 1 рік). З усіх газів, імовірно присутніх у примітивній атмосфері Землі, тільки аміак і сірководень мають здатність поглинати промені з більшою довжиною хвилі: аміак до 220 нм, а сірководень – до 240 нм. Очевидно, саме за рахунок цих двох газів і відбувалося накопичення сонячної енергії в примітивній атмосфері.

Якщо погода на первісній Землі не сильно відрізнялася від нинішньої, то приплив енергії за рахунок блискавок і коронних розрядів повинен був становити близько 170 кДж на 1 м2 земної поверхні за 1 рік. За рахунок природної радіоактивності надходило, очевидно, близько 117 кДж (якщо екстраполювати сучасні дані на ранні періоди історії Землі). Ударні хвилі в атмосфері могли постачати близько 46 кДж, знову-таки за умови, що погода була приблизно такою ж, як у наш час. Сонячний вітер і вулканічна діяльність забезпечували спільно близько 14 кДж або трохи більше, якщо тектонічна активність первісної Землі була вищою, ніж зараз. З усіх можливих джерел енергії для передбіологічних синтезів найважливішими були, очевидно, електричні розряди – як за кількістю поставляється енергії, так і внаслідок того, що ця енергія вивільнялася безпосередньо над поверхнею океану і продукти синтезу могли відразу ж розчинятися у воді.

В якості будівельних блоків для синтезу білків необхідно 20 амінокислот. Для утворення нуклеїнових кислот потрібні два види Сахаров (рибоза для РНК і дезоксирибоза для ДНК), фосфати і азотисті підстави, що належать до двох класів – пуринів і пі-рімідінам. Цукру можуть утворюватися в результаті конденсації формальдегіду. Цей процес складається з ряду етапів, але сумарна реакція проста: з п’яти молекул формальдегіду утворюється одна молекула рибози. Механізм цей не може бути прийнятий беззастережно. Доводиться рахуватися з тим, що утворюється рибоза нестійка у водному середовищі і що експериментальні умови недостатньо добре відтворюють умови первісної Землі. Однак якась аналогічна реакція, очевидно, могла постачати необхідну рибозу.

Серед органічних підстав легше всіх інших синтезується аденін, що відноситься до класу пуринів. Молекула аденина являє собою не що інше, як пентамер ціаністого водню: з п’яти молекул HCN утворюється одна молекула C5H5N5. Видається ймовірним, що спочатку з чотирьох молекул ціаністого водню виникає його тетрамер діаміномалеонітріл. Це з’єднання є важливим проміжним продуктом у багатьох реакціях, що ведуть до синтезу підстав. Під дією світла може відбуватися перебудова молекули діаміномалеонітріла і приєднання ще однієї молекули ціаністого водню, в результаті чого утворюється аденін. Цей синтез протікає в умовах, які, як можна припускати, були властиві первісній Землі. Інший вхідний в нуклеїнові кислоти пурин – гуанін – може утворюватися з діаміномалеонітріла в результаті гідролізу за участю ціаногени. Були також висунуті гіпотези про можливі механізми синтезу піримідинів (тиміну, урацилу і цитозину), правда, менш переконливі.

В результаті приєднання аденина до рибозе утворюється нук-леозід аденозин. З нього, у свою чергу, після приєднання до молекули «хвоста», що складається з трьох фосфатних груп, виникає аде-нозінтріфосфат (АТФ), що грає роль «розмінної монети» у реакціях енергетичного обміну у всіх живих істот. Примітно, що для з’єднання з трифосфатом був обраний саме аденозин, а не який-небудь інший нуклеозид – гуанозин, цітідін або уридин. Немає жодних явних вказівок на те, що АТФ пристосований для зберігання енергії краще, ніж ГТФ, ЦТФ або УТФ. Можливо, що аденін був присутній в первинному бульйоні в більш високій концентрації, оскільки синтез його відносно простий. Використання АТФ в такому випадку теж не більше ніж випадковість.

Отже, неважко уявити собі, яким чином на первісній Землі з’явилися підстави і цукру для побудови нуклеїнових кислот. Однак несподіване утруднення підстерігає нас, коли ми намагаємося зрозуміти, чому підстави і цукру з’єднані в Нуклеозиди саме даними способом, тобто так, як з’єднані рибоза і аденін в молекулі аденозину. Справа в тому, що в молекулі рибози є чотири гідроксильні групи і аденін міг би, очевидно, приєднатися до будь-якої з них. Крім того, три з цих чотирьох гидроксилов знаходяться при «асиметричних» атомах вуглецю (1. 2 і 3), так що в цих трьох випадках приєднання могло б привести до двох різних конфігурацій. Нікому ще досі не вдавалося запропонувати метод, що забезпечує гарний вихід (3-1-конфігурації, а тим часом саме (3-1-зв’язок між аденіном і рибозой незмінно виявляється у всіх зразках ДНК і РНК.

Однак, незважаючи на всі ці застереження, наші знання про хімічні механізмах, які на первісній Землі могли б приводити до синтезу амінокислот, підстав, Сахаров та інших мономерів живого, представляються досить значними. Для того щоб зрозуміти, яким чином ці полімери могли синтезуватися на первісній Землі, потрібно, насамперед, усвідомити собі, як могли протікати в океані реакції, що вимагають одночасно припливу енергії і відщеплення води. При побудові ланцюга полімеру приєднання кожного нового ланки супроводжується відщепленням елементів води від з’єднуються кінців. Оскільки такого роду реакції оборотні, надлишок води повинен зрушувати рівновагу вліво, тобто в сторону гідролізу, а не в бік полімеризації. Крім того, при порівнянних концентраціях всіх реагентів і продуктів гідроліз повинен супроводжуватися вивільненням вільної енергії і, отже, повинен бути спонтанним, тоді як цікавить нас реакція полімеризації вимагатиме вільної енергії, тобто вправо реакцію повинно щось «штовхати». Є два способи зрушити рівновагу реакції вправо (у бік полімеризації): для цього потрібно або підвищити концентрації реагентів і домогтися видалення води (що є одним з продуктів реакції), або забезпечити поєднання даного процесу з якою-небудь реакцією, сопровожается виділенням енергії, що дозволить вести полімеризацію аж до завершення. Обидві ці можливості досліджуються.

У сучасних організмів роль джерела енергії для реакцій полімеризації грають молекули АТФ. Сполучення реакцій, які споживають енергію, з реакціями, службовцями її джерелом, здійснюється за допомогою ферментів. У передбіологічних умовах, коли ферментів ще не існувало, обидві ці функції могли виконуватися якимись сполуками, які володіли великою кількістю вільної енергії і безпосередньо сполучалися з молекулами реагентів. Хімікам-нові методи подібні з’єднання добре відомі. Це так звані сполучають агенти. У типових представників цієї групи, з’єднань класу карбодіамідов, один з атомів вуглецю з’єднаний високоенергетичними подвійними зв’язками з двома атомами азоту (N = C = N). Якщо послідовно впливати карбо-ДИАМИДА на два мономера або два полімеру, А і В, у одного з яких є кінцева гідроксильна група, а в іншого – кінцевий атом водню, то карбамід відніме від них молекулу води і два мономера або два полімеру з’єднаються «кінець в кінець ». Енергії, що виділяється при приєднанні води до карбаміду, виявляється достатньо для синтезу.

Карбаміди згадані тут лише для прикладу, щоб проілюструвати сам принцип сполучення. В якості потенційних сполучають агентів в експериментальних умовах з вивчення предбиологического синтезу можуть, очевидно, виступати такі сполуки як ціаногени (N = CC = N), ціанамід (N = C-NH2), ціаноацетілен (N = CC = CH) і діаміномалеонітріл. У всіх цих з’єднаннях вуглець пов’язаний з атомами азоту високоенергетичними потрійними зв’язками. Ціаноацетілен отримують, пропускаючи електричний розряд через суміш, що містить ціанистий водень; ціаногени утворюється з ціаністого водню під дією електричних розрядів або ультрафіолетового випромінювання; енергія електричної іскри або фотонів запасається при цьому у вигляді вільної хімічної енергії потрійних зв’язків утворюється продукту. Пізніше вона, вивільняючись, використовується в реакціях сполучення. Саме таким, непрямим шляхом могла, очевидно, використовуватиметься в процесах предбиологической полімеризації енергія блискавок або ультрафіолетового випромінювання – подібно до того, як у наш час організми, що живляться рослинною їжею, побічно залежать від енергії Сонця.

Одна з головних проблем при розгляді можливих механізмів сполучення в передбіологічних умовах зводиться до того, щоб пояснити, що ж, власне, заважало сполучаються агентам безпосередньо з’єднуватися з водою (що була в надлишку), тобто що перешкоджало «короткого замикання» цікавить нас реакції полімеризації.

Передбіологічній реакції сполучення могли, ймовірно, йти і у водному середовищі, якщо молекули, що піддавалися полімеризації, попередньо, приєднували негативно заряджені іони, – наприклад, фосфатіон (НРО).

Органічні фосфати здатні досить успішно конкурувати з водою за багаті енергією зв’язку сполучаються агентів. Реакція конденсації фосфатів з успіхом застосовується для отримання ді-пептидів з амінокислот або аденозинмонофосфата з аденозину і фосфату, а також для побудови рібозофосфатного скелета нуклеїнових кислот і при отриманні поліфосфатів з фосфатіонов.

Цей небиологический синтез поліфосфатів (довголанцюжкових полімерів фосфату) міг зіграти велику роль в еволюції життя. АТФ має настільки важливе значення для живих клітин в якості носія енергії саме тому, що при його гідролізі до аденозінді-фосфату (АДФ) і неорганічного фосфату вивільняється велика кількість вільної енергії. Джерелом цієї енергії частково служить відштовхування між негативно зарядженими частинами молекули. Припустимо, що можна порівняти великі кількості енергії вивільняються і при гідролізі поліфосфатів до фосфату.

АТФ, з цієї точки зору, може розглядатися як низькомолекулярний поліфосфат, забезпечений адениловой «міткою», для того щоб його могли дізнаватися ферменти. У цитоплазмі деяких сучасних бактерій є поліфосфатні гранули, в яких запасена необхідна клітинам енергія. Бути може, саме поліфосфати, що утворилися під дією конденсують агентів, послужили тим першим джерелом енергії, який живі організми або їх безпосередні попередники навчилися вловлювати і зберігати.

Самим універсальним і, ймовірно, найдавнішим механізмом добування енергії у сучасних живих істот є гліколіз, званий також анаеробним бродінням. При гліколізі відбувається руйнування глюкози або споріднених їй молекул, а вивільняється енергія запасається у формі «міченого поліфосфату», тобто у формі АТФ. Гликолитический шлях міг, мабуть, виникнути лише при браку природних поліфосфатів, іншими словами, в тому випадку, коли рівень освіти поліфосфатів шляхом конденсації не міг вже більше задовольняти енергетичні потреби зростаючої популяції примітивних організмів. Якщо сполучають агенти синтезувалися, споживаючи енергію ультрафіолетового випромінювання або електричних розрядів, здійснювали синтез поліфосфатів і якщо саме гідроліз поліфосфатів служив джерелом енергії для примітивних форм життя, то тоді ми маємо право сказати, що перші організми на Землі існували за рахунок енергії блискавок і ультрафіолетового випромінювання, яку вони отримували, так би мовити, з третіх рук.

ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Ботулізм