Каким образом на нашей планете могла возникнуть и эволюционировать живая материя?

Актуальные публикации по вопросам современной биологии. Биотехнологии.

Разместиться

БИОЛОГИЯ новое

Все свежие публикации


Меню для авторов

БИОЛОГИЯ: экспорт произведений
Скачать бесплатно! Научная работа на тему Каким образом на нашей планете могла возникнуть и эволюционировать живая материя?. Аудитория: ученые, педагоги, деятели науки, работники образования, студенты (18-). Minsk, Belarus. Research paper. Agreement. Система Orphus

202 за 24 часа
Публикатор: • Источник:

Кандидат физико-математических наук Наталья ГОНТАРЕВА, доктор биологических наук Евгения КУЗИЧЕВА, Институт цитологии РАН (Санкт-Петербург)

Каким образом на нашей планете могла возникнуть и эволюционировать живая материя?

Ответ на этот вопрос ищут специалисты разных областей знаний, в том числе и те, кто изучает биологические аспекты существования жизни на различных космических телах во Вселенной.

Новые подходы к решению сложнейшей проблемы предложены в исследованиях, проводимых в Институте цитологии РАН.

Простейшие биомолекулы - предшественники жизни (иллюстрация с интернет-сайта Европейского космического агентства).

Статьи данной рубрики отражают мнения авторов (прим. ред.)

стр. 50

Астробиология - сравнительно новая научная дисциплина, возникшая на стыке астрономии, химии, молекулярной биологии, палеонтологии, экологии. Одно из главных направлений поиска - изучение процесса формирования базовых структур живой материи, т.е. молекулярных биополимеров. Земная ее форма, единственная из известных доселе, синтезировалась из общего предшественника. Каков же исходный источник органики, либо сформировавшейся в пределах нашей планеты, либо прибывшей из космоса? Что способствовало соединению начальных компонентов в молекулы и какие силы привели к развитию систем, способных получать энергию из окружающей среды и использовать ее для создания своих копий?

Изучение происхождения и химической природы органических и неорганических структур, энергетических источников и микроокружения, существовавших на первичной Земле, позволит в перспективе составить полное представление о контексте возникновения жизни*. Имея предположительный первичный источник органических компонентов, зная альтернативные пути формирования белков, нуклеиновых кислот и липидоподобных молекул, можно говорить об их дальней шей эволюции. В этом большую роль играют лабораторные эксперименты, моделирующие физико-химические процессы на ранних этапах истории планеты. Полимеризация простейших молекул привела к следующей эволюционной стадии - появлению протоклетки, способной к саморепликации, что в итоге способствовало формированию общего "предка" всех живых организмов.

Очень важен вопрос о гипотетическом обмене биологическим материалом между различными планетами, ибо вероятно, что жизнь сформировалась вне Земли и впоследствии была привнесена на нее космическими телами. Обоснование такого предположения требует теоретической оценки количества транспортируемой органической материи, изучения метеоритов и других средств ее доставки.

Процесс появления первичных живых структур, в результате чего из одних молекул возникают более сложные их виды, подробно описывает теория предбиологической эволюции. В ее основе идеи, сформулированные в начале 20-х годов XX в. тогда молодым биохимиком, впоследствии академиком АН СССР Александром Опариным (1894 - 1980). Согласно ей упомянутые органические соединения стали исходными компонентами для формирования клетки. А сама жизнь - результат общего развития материи во Вселенной, одним из этапов которого является эволюция вещества от простейших газообразных соединений до полимерных молекул и многомолекулярных систем. Опарин считал, что небольшие органические молекулы, необходимые для примитивных форм жизни, сформировались в протоатмосфере с преобладанием метана. При низком содержании кислорода в ней происходили интенсивные химические превращения первичного материала под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца, электрических разрядов и вулканической деятельности. В реакцию вступали углекислый газ, водяные пары, метан, аммиак и др. Возникновение жизни на нашей планете ученый рассматривал как закономерный результат эволюции углеродистых соединений. После накопления определенного количества биомассы в результате попадания метеоритов и частиц космической пыли в пределы земной поверхности (особенно в период интенсивных метеоритных бомбардировок) и появления первичной атмосферы сформировались предпосылки для начала следующего, более сложного этапа химической эволюции.

В подтверждение описанных идей в 1953 г. в Чикагском университете Стенли Миллер провел модельный опыт путем воздействия электрических разрядов на смесь метана, аммиака, водорода и воды. В результате он получил четыре из 20 существующих в природе аминокислот через промежуточное формирование циановодорода и формальдегида. Такой лабораторный синтез проходит успешно при использовании окислительной газовой смеси, содержащей значительный процент водорода. Возможность синтеза органических веществ в таких условиях подтвердили впоследствии и многие другие исследователи, моделировавшие условия первобытной Земли.

А так называемая теория панспермии, предполагающая доставку на нашу планету материальных носителей жизни из другой звездной системы, была сформулирована еще раньше, в 1884 г. Ее автор - шведский физикохимик, нобелевский лауреат 1903 г. Сванте Аррениус (иностранный почетный член АН СССР с 1925 г.). Последние научные открытия подтверждают вполне реальную правомерность его идеи. Кроме различных видов космической радиации, являвшихся энергетической базой для формирования молекулярных структур, вероятно, существовала также и "прямая доставка" органического материала из Вселенной - тех самых простейших биомолекул, из которых впоследствии образовывались более сложные вещества. Тогда отсутствие атмосферы у Земли позволяло естественным носителям - метеоритам и частицам космической пыли - беспрепятственно попадать на ее поверхность, повышая тем самым концентрацию органических молекул в верхних слоях литосферы. Причем наличие углеродистых соединений в составе метеоритов ныне неопровержимо доказано радиоастрономическими наблюдениями и исследованиями "небесного" вещества, оказавшегося на нашей планете*.

В различных областях межзвездного пространства обнаружены разнообразные углеродосодержащие соединения - от метана до фуллеренов***, обладающих сложной трехмерной структурой. Предположительно,

* См.: В. Н. Пармон. Автокатализ - старт для появления жизни? - Наука в России, 2004, N 4 (прим. ред.).

** См.: А. К. Литвак и др. Космические странники. - Наука в России, 2003, N 2 (прим. ред.).

*** Фуллерены - аллотропная форма углерода, наряду с алмазом и графитом (прим. ред.).

стр. 51

Временная шкала космической, химической и биологической эволюции - период времени между уменьшением метеоритных бомбардировок и появлением ДНК необычайно краток по геологическим меркам.

они возникают на частичках межзвездных пылевых облаков под действием космического излучения. Кстати, синтез данных молекул, вероятно, происходил не только задолго до появления жизни на нашей планете, но и до ее возникновения. То есть к моменту формирования устойчивой литосферы во Вселенной уже было накоплено огромное количество первичного органического материала, который, оказавшись на земной поверхности, и мог послужить тут источником дальнейшего абиогенного (без участия живых организмов) синтеза более сложных молекул.

Образцы космической пыли как из верхних слоев атмосферы, так и из гренландского и антарктического льда свидетельствуют: Земля ежедневно захватывает подобные частицы только в виде микрометеоритов в количестве около 50 - 100 т. Это допускает возможную роль метеоритов в доставке комплексной органики на раннюю Землю в период от 4,2 до 3,9 млрд. лет назад, когда их поток был на несколько порядков выше, чем теперь. Углистые микрометеориты могли перенести за указанные 300 млн. лет интенсивной бомбардировки около 1020 г углерода, что превышает нынешнее его содержание в поверхностной биомассе нашей планеты (~1018 г).

В случае удара о поверхность планеты крупного метеорита выбиваемые им органические частицы могли достигать высоких скоростей и переноситься на большие расстояния в пределах Солнечной системы. Известно, что в ходе такого переноса отмечается большая устойчивость низкомолекулярных структур и бактериальных спор по отношению к ударным волнам и УФ облучению в условиях низких температур. При этом чем проще биологическая система, тем выше ее способность к выживанию в экстремальных условиях.

Прекрасный научный полигон для изучения этих проблем - околоземная орбита, где присутствуют разнообразные виды энергетических воздействий: ультрафиолет, космические лучи, потоки заряженных частиц и многое другое, что ныне полностью поглощает или частично задерживает атмосфера. На первых же этапах существования нашей планеты, когда газообразная защитная оболочка практически полностью отсутствовала, указанные источники энергии действовали беспрепятственно, запуская реакции абиогенного синтеза - так же, как и в современном космическом пространстве. И сегодня, рассматривая процесс начальных стадий молекулярного синтеза, мы как бы возвращаемся на 4 млрд. лет назад, когда любое излучение достигало поверхности планеты. Все эти воздействия, полный спектр которых представлен ныне на околоземной орбите, интересны для исследователей с точки зрения влияния на живые структуры и биоорганические молекулы. Взаимодействие последних под влиянием различных видов космического излучения может дать ключ к пониманию того, как из набора отдельных молекул зародилась жизнь. Однако необходимо отме-

стр. 52

Прибор "Медуза" - космический странник, вернувшийся на Землю.

тить: первичные полимеры в полной мере нельзя назвать живыми системами, хотя они являются основными объектами химической эволюции, создавшей предпосылки для перехода к эволюции биологической.

Околоземная орбита предоставляет уникальную возможность изучать влияние космической радиации на синтез биоорганических соединений. Ведь если УФ поток в разреженной межзвездной среде для фотонов с энергией более 6 эВ составляет 108 фотон · см-2 · сек-1 , то на околоземной орбите его интенсивность много больше - 9 · 1015 фотон · см-2 · сек-1 , а величина такого излучения за две недели равна 108864 · 1017 фотон · см-2 . Чтобы достигнуть такой же дозы облучения в разреженной межзвездной среде, объект должен совершить путешествие длительностью в 3,45 · 106 лет. Выходит, на орбите складываются уникальные условия, благодаря которым за полмесяца можно получить поток излучения, равный поглощенному химическими структурами за 3 млн. лет пребывания в разреженном межзвездном пространстве! И если при этом происходит усложнение молекулярной структуры, значит, на Землю могли прибыть уже более сложные соединения по сравнению с исходными.

Космическое пространство, таким образом, помогает смоделировать процесс формирования биологических молекул под воздействием природных источников энергии в условиях, близких к существовавшим на первичной Земле. Поэтому именно в астробиологических экспериментах мы попытались проследить пути синтеза пептидов и нуклеотидов, являющихся исходным материалом для построения нуклеиновых кислот и белков. В качестве исследуемых веществ были взяты нуклеозиды аденозин, дезоксиаденозин, тимидин, уридин и аминокислоты глицин и триптофан. Все вещества экспонировали на орбите в виде сухих пленок, полученных из базового раствора исходных компонентов. При приготовлении препаратов в него добавляли неорганический фосфат для проверки возможности синтеза нуклеотидов. На орбитальных станциях "Са-лют-6" (1978 г.), "Салют-7" (1985 г.), "Мир" (1986 г.) устанавливали специально разработанный в нашем институте прибор "Медуза", закреплявшийся на внешних обшивках космических аппаратов, чтобы исследуемые образцы подвергались прямому воздействию вышеперечисленных факторов космического пространства. До начала эксперимента с прибора вручную снимали специальную шторку, а после завершения экспозиции его демонтировали с поверхности станции и помещали внутрь корабля. (Обе эти операции производили при очередных выходах участников экспедиций в открытый космос.) По возвращении прибора на Землю образцы исследовали на предмет появления в них новых, более сложных соединений, также входящих в состав белков и нуклеиновых кислот. В ходе между-

стр. 53

Усовершенствованный вариант "Медузы" - прибор "Персей".

народных экспериментов на орбитальной станции "Мир" (1999 г.) использовали усовершенствованный вариант "Медузы" - прибор "Персей".

На биоспутниках "Космос-2044" (1989 г.) и "Бион-11" (1996 - 1997 гг.) для аналогичных экспериментов использовали наружный контейнер с сухими препаратами изучаемых образцов. Он устанавливался в момент старта, а после выведения на орбиту его крышка автоматически открывалась. Во всех экспериментах контрольные образцы находились внутри летательных аппаратов, где они подвергались воздействию только невесомости, которая не вызывала образования новых соединений.

В результате экспериментов получены данные, доказывающие возможность абиогенного синтеза в условиях космического пространства, сходных с радиационной атмосферой первичной Земли. В конечном растворе были обнаружены природные нуклеотиды, входящие в состав нуклеиновых кислот - 2'-, 3'- и 5' - нуклеозидмонофосфатов. При этом преобладающим продуктом в конечной смеси во всех случаях был 5' - нуклеозидмонофосфат. Такая же закономерность существует и в природе - нуклеотиды, встречающиеся в клетке в свободной форме, содержат фосфатную группу преимущественно в 5' положении, поскольку в ферментативных реакциях синтеза или распада нуклеиновых кислот в качестве промежуточных продуктов образуются нуклеозид-5'-фосфаты. В смесях, полученных после облучения аминокислот, идентифицированы полипептидные соединения - ди-, три- и тетрапептиды, свидетельствующие: и в данном случае происходило усложнение структуры исходных веществ.

Изучен и предел устойчивости органических структур к воздействию агрессивной среды, а также условия, в которых синтезированные молекулы могли оставаться в стабильном состоянии. Принципиально новым во всех экспериментах стало то, что проводили их в отсутствии воды, а это существенно усложнило ход химических реакций. Разумеется, синтез в водной или газообразной среде происходит гораздо быстрее и с большим выходом, но ведь ни на первичной Земле, ни в космосе не существует воды в жидком состоянии! Новым

стр. 54

Расположение "Персея" на борту космической станции "Мир" - вид из космоса.

явилось также использование неорганических подложек внеземного происхождения - лунного грунта и частиц метеоритов, позволивших говорить об их защитных и даже каталитических свойствах. Лунный базальт из Моря Изобилия был доставлен на Землю автоматической станцией "Луна-16" (1970 г.), а частицы метеоритов Алленде и Мерчисона, упавших в 1969 г., мы получили соответственно из Южной Америки и Австралии. Оба они относятся к одному и тому же классу углистых хондритов - для них характерно повышенное содержание углерода.

Если трактовать результаты полетных экспериментов в свете теории происхождения жизни, то можно утверждать: предположение о возможности формирования предбиологических живых структур на Земле правомерно. С другой стороны, синтез новых соединений в условиях космического полета говорит о вероятности их доставки в пределы земной литосферы извне. Выходит, смыкаются две теории появления жизни - земная и внеземная, они не противоречат, а дополняют друг друга. Если предположить, что количество органического материала пополнялось как за счет внутренних ресурсов, так и в результате доставки издалека, то можно ответить на вопрос о достаточно быстром периоде химической эволюции (105 - 107 лет), предшествовавшего эволюции биологической, в результате чего и возникли современные формы жизни.

Разумеется, еще предстоит искать ответы на новые, более сложные вопросы о путях и способах самоорганизации материи на Земле, ее преобразования в первые живые структуры. Однако каковы бы ни были результаты такого поиска, появление жизни на нашей планете - уникальный дар природы, и мы должны быть ей благодарны за возможность приоткрыть хотя бы небольшую часть ее секретов.


Опубликовано 30 июня 2014 года

Нашли ошибку? Выделите её и нажмите CTRL+ENTER!

Публикатор (): БЦБ LIBRARY.BY Источник: http://library.by

Искать похожие?

LIBRARY.BY+ЛибмонстрЯндексGoogle

Скачать мультимедию?

подняться наверх ↑

ДАЛЕЕ выбор читателей

подняться наверх ↑

ОБРАТНО В РУБРИКУ

Уважаемый читатель! Подписывайтесь на канал LIBRARY.BY в Facebook, вКонтакте, Twitter и Одноклассниках чтобы первыми узнавать о лучших публикациях и важнейших событиях дня.