8.2. Сучасні погляди на утворення Сонячної системи та місце Землі серед планет

Сучасна астрономія стверджує, що Земля та інші планети Сонячної системи утворилися з газово–пилової речовини близько 5 млрд років тому. Така газово–пилова матерія зустрічається в міжзоряному просторі й у наш час. Щоб на планеті могло виникнути життя, вона повинна мати певні розміри та одержувати енергію від якої–небудь зірки.

Маса планети не повинна бути занадто великою, тому що енергія атомного розпаду природних радіоактивних речовин може спричинити перегрівання планети або, що ще більш важливо, радіоактивне забруднення середовища, несумісне з життям. Водночас занадто маленькі планети не можуть утримувати біля себе атмосферу, тому що сила тяжіння в них невелика.

Для виникнення життя і його подальшого існування необхідна енергія. Постійно й рівномірно одержувати необхідну кількість енергії дає змогу рух планети навколо якої-небудь зірки по коловій чи близькій до колової орбіті. Крім того, необхідна постійна інтенсивність випромінювання світила. Це дуже важливо, тому що інакше потік променистої енергії, який надходить на планету, не буде рівномірним. Нерівномірність потоку енергії призведе до різких коливань температури, а це перешкоджатиме виникненню й розвитку життя, тому що існування живих організмів можливе в певному температурному діапазоні (адже все живе на 70-80 % складається з води). Усім цим вимогам відповідала планета Земля.

Основні етапи хімічної еволюції, яка передувала абіогенезу включають утворення хімічних елементів і найпростіших неорганічних сполук.

Утворення хімічних елементів у процесі розвитку зоряних систем, у тому числі й таких, як наша Сонячна система, — закономірне явище в еволюції матерії.

Завдяки спектральному аналізу доведено, що водень є найбільш поширеним елементом у Всесвіті. Унаслідок реакцій ядерного синтезу з нього виникає гелій, із якого, своєю чергою, утворюється вуглець. У результаті приєднання до ядра вуглецю інших ядер гелію виникають ізотопи кисню, неону, магнію й інших елементів. Отже, виникнення атомів хімічних елементів, із яких складається основна маса зірок, планет та їх атмосфер, є лише початковим етапом неорганічної еволюції.

Водень, вуглець, кисень, азот і фосфор (біогенні елементи) досить поширені в космосі і можуть вступати в реакції, утворюючи при цьому найпростіші неорганічні сполуки, — це наступний етап неорганічної еволюції. Сприятливим чинником є надходження енергії від зірок у вигляді електромагнітного випромінювання й тепла.

Початковий етап існування Землі відзначався інтенсивним термоядерним процесом, високою температурою (понад 1000 °С) та активною хімічною діяльністю. У міру охолодження планети важкі елементи переміщалися до її центра, а більш легкі сполуки (H₂, СО₂, СН₄, та ін.) залишалися на поверхні. Метали й інші елементи, здатні окислюватися, з’єднувалися з киснем, і в атмосфері планети вільного кисню не було. Уся атмосфера ранньої Землі складалася з вільного водню та його сполук, тому мала відновний характер. Саме ця атмосфера – не окисна, а відновна – і сприяла виникненню життя. Вона складалася з водяної пари (Н₂О), метану (СН₄), диоксиду вуглецю (СО₂), оксиду вуглецю (СО), аміаку (NН₃), азоту (N₂), сірководню (Н₂S) та ін.

Відповідні експерименти, проведені в той же час, підтвердили, що за наявності метану, води й аміаку напевно можуть утворитися такі сполуки, як ціаністий водень (НСN) і формальдегід (НСОН). Саме ці молекули і було виявлено в міжзоряному просторі. Сам факт існування таких сполук свідчить про те, що вони могли виникнути з первинних газових сумішей у результаті реакцій, пов’язаних із формуванням нових зірок. Це підготувало умови для третього етапу еволюції, який безпосередньо й започаткував процес абіогенезу.

Абіогенез – перший етап утворення простих органічних сполук. Для синтезу перших “цеглинок” життя необхідна була “сировина”, тобто “будівельний матеріал” і енергія.

Сировиною могли бути N₂, Н₂, СО, СО₂, Н₂О, NH₃, СН₄, Н₂S, НСN, НСОН та ін.

Джерелами енергії були: теплова енергія — тепло земної кори, яка охолоджувалася; а також енергія вулканічних вивержень і метеоритів, що потрапляли в атмосферу Землі; іонізуюча радіація — космічні промені й енергія радіоактивного розпаду елементів; сонячне світло — у передовсім могутнє ультрафіолетове випромінювання, яке за відсутності озонового екрана безперешкодно проникало на Землю; енергія електричних розрядів від ударів блискавок; ударні хвилі (унаслідок падіння метеоритів).

Найбільшу популярність здобули експерименти американських біохіміків С. Міллера та Юрі, які у 1953 р. переконливо довели можливість таких перетворень. Пропускаючи протягом декількох днів через суміш газів Н₂, СН₄, NH₃ і водяної пари електричний розряд при напрузі 60 тис. Вольт (що за кількістю енергії можна порівняти з тривалістю періоду близько 50 млн років на примітивній Землі), вони одержали у водяній фазі суміш, що складалася з різноманітних органічних речовин, у тому числі із 6 амінокислот (серед них – аспарагін, гліцин, глутамін), 11 органічних кислот – від мурашиної й оцтової до бурштинової, сечовину і метилсечовину.

Надалі виявилося, що абіогенним шляхом за умови відсутності кисню, отруйної суміші газів (N₂, H₂, СО, СО₂, NН₃, СН₄, H₂S, НСN, НСОН) і водяної пари (Н₂О) за участі розчинів солей важких металів, суміші глин та мінералів як каталізаторів, а як джерела енергії — електричних розрядів, ультрафіолетового випромінювання, іонізуючої радіації та дуже високої температури, можна синтезувати безліч простих органічних сполук, які входять до складу біологічних полімерів: білків, полісахаридів, ліпідів та нуклеїнових кислот.

Так, американський біохімік С. Фокс синтезував майже всі життєво важливі амінокислоти.

Крім амінокислот, при нагріванні газових сумішей у закритих посудинах до високих температур (600 – 900°С) за участі руд різних металів як каталізаторів утворювалися жирні кислоти й деякі цукри. Серед синтезованих штучним шляхом цукрів є шестивуглецеві (гексози) і п’ятивуглецеві (пентози). Рибозу й дезоксирибозу, зокрема, було отримано в результаті впливу на суміш газів ультрафіолету і гамма-випромінювання.

Одним із перших досягнень у синтезі пуринів у можливих первинних умовах Землі була робота Хуана Оро з університету Хьюстона, який шляхом термічного впливу на ціаністий амоній одержав аденін.

Трохи іншим шляхом можна одержати іншу азотисту основу, яка входить до складу нуклеотидів, — гуанін. Вихідним продуктом для його синтезу є діаміномалеонітрил (С₄Н₄N₄). Але в даному випадку вдаються до реакції гідролізу за участю ціаногена (С₂N₂).

Складніше із синтезом піримідинів (тиміну, урацилу і цитозину), однак певного успіху досягнуто й тут. Так, Оро вдалося синтезувати урацил шляхом взаємодії аміачного розчину сечовини зі сполуками, які виникають із простих газів під впливом електричних розрядів. Л. Оргель синтезував цитозин, нагріваючи разом сечовину і ціаноацетилен (С₃НN), який утворюється, своєю чергою, у результаті впливу електричного розряду на суміш метану й азоту.

Азотисті основи (аденін, гуанін, тимін, урацил і цитозин), з’єднуючись із пентозами (рибозою або дезоксирибозою), утворюють нуклеозиди. Останні, своєю чергою, з’єднуючись із фосфорною кислотою, утворюють нуклеотиди. У результаті приєднання аденіну до рибози утворюється аденозин. Із нього після приєднання до молекули “хвоста”, який складається із трьох фосфатних груп, утворюється аденозинтрифосфат (АТФ).

Отже, можна твердити, що подібні результати, які підтверджують теорію абіогенного утворення найпростіших органічних сполук, були отримані в усіх вищенаведених експериментах. При цьому виявилося, що із суміші газів (N₂, Н₂, СО, СО₂, NH₃, CH₄, H₂S) і водяної пари спершу утворяться високоактивні проміжні сполуки – такі, як ціаністий водень (НСN), формальдегід (НСОН), ціаноген (С₂N₂) та ін., а вже потім із цих сполук утворяться в результаті хімічної еволюції мономери біологічних полімерів; саме вони і становили вміст „первинного бульйону” на нашій планеті. Звідси випливає, що виникнення “первинного бульйону” — не випадковість, а закономірність. На планеті з оптимальною температурою, достатньою кількістю води, атмосферою, що складається із найбільш розповсюджених у Всесвіті газів, “первинний бульйон” повинен був виникати у 100 випадках зі 100.

На цьому закінчується І-й етап хімічної еволюції. Наступна фаза — утворення полімерів, оскільки амінокислоти, жирні кислоти, цукри та азотисті основи — це ще не життя.

Наступним кроком еволюції було утворення з малих органічних мономерів крупніших — полімерів, схожих на білки та нуклеїнові кислоти.

Експериментальний аналіз цього етапу в виглядає набагато бідніше, хоч і тут є деякі моделі. Цей цикл експериментів пов’язаний із конденсацією або полімеризацією мономерів з метою одержання більш крупних молекул. Як відомо, ці реакції відбуваються з виділенням води, тобто супроводжуються дегідратацією. Так, наприклад, при поєднанні (конденсації) амінокислот у поліпептидний ланцюжок (первинна структура білкової молекули) за місцем утворення пептидного зв’язку (зв’язок між карбоксильною групою й аміногрупою) відбувається виділення молекули води. Коли утворюється нуклеїнова кислота, то відбувається аналогічний процес: фосфат з’єднується із цукрами, а цукри — з основою, при цьому виділяється молекула води. Оскільки для синтезу полімера необхідно швидше видалити воду, то_, імовірно, найлегше це зробити шляхом нагрівання суміші амінокислот. Такий же процес можливий і при утворенні нуклеїнової кислоти: суміш основи й цукрів нагрівається, що спричиняє їх дегідрацію і призводить до утворення нуклеозиду. Подібним же чином, нагріваючи нуклеозид і фосфат, можна одержати нуклеотид.

Для первинної Землі така послідовність подій цілком імовірна. Першим, хто звернув на це увагу, був англійський фізик Дж. Бернал. На його думку, морські лагуни, що періодично пересихають, могли бути ідеальним місцем для утворення великих молекул. Вплив сонячного випромінювання на органічний матеріал, адсорбований на мулистому дні лагун, призводив до його дегідратації. Полімери, які виникали при цьому, змивалися потім водою в океан. Подібні реакції могли відбуватися вздовж усієї прибережної смуги.

Одна з найбільш вдалих моделей цього етапу належить С. Фоксу, який у результаті нагрівання суміші сухих амінокислот одержав поліпептиди різної довжини. Вони отримали назву “протеноїдів”, тобто попередників білків. Якщо для утворення простих органічних речовин необхідні були досить могутні джерела енергії, то для утворення полімерів достатньо було простого нагрівання. Однак для реакції полімеризації необхідні каталізатори. У клітині цю роль виконують ферменти. Було висловлено припущення, що каталізаторами у процесі синтезу полімерів на первинній Землі могли бути поверхні мінеральних глин. Експериментально було доведено, що розчин амінокислоти аланіну у водному середовищі за наявності особливого виду глинозему й АТФ може давати полімерні ланцюжки поліаланіну.

Таким чином на давній Землі могли утворитися поліпептиди. Деякі з них були, можливо, каталітично активними. Однак це могло і не мати безпосереднього відношення до виникнення життя, оскільки поліпептиди не мають здатності до самовідтворення, що є найбільш важливою ознакою живого. Ця властивість є, як відомо, у нуклеїнових кислот, які здатні до реплікації.

Поки що важко встановити, як могла виникнути ДНК. Ця органічна речовина пристосована краще, ніж РНК, до довгострокового зберігання інформації. В усякому разі відомо, що відсутність кисню у 2-положенні дезоксирибози робить молекулу ДНК більш стійкою, на відміну від РНК, до гідролітичного розщеплення у слаболужиих водних розчинах, а саме такі розчини були в первинних водоймах і збереглися в сучасних клітинах.

У подальшому ускладненні обміну речовин у таких системах істотну роль повинні були відігравати каталізатори і просторово–часове роз’єднання початкових і кінцевих продуктів реакції. Останнє не могло виникнути без фазово-контрастного поділу, тобто без виникнення мембрани й утворення, яке передувало клітині, – у цьому й полягає основна сутність наступного етапу еволюції.

Третій етап — виникнення пробіонтів і біологічних мембран. Найбільш відомий підхід до розв’язання цього питання міститься в експериментах О. І. Опаріна, який запропонував коацерватну гіпотезу (1924 р.).

О. І. Опарін припустив, що перехід від хімічної еволюції до біологічної пов’язаний із виникненням найпростіших фазово–відокремлених органічних систем – пробіонтів, здатних використовувати речовину й енергію з навколишнього середовища і завдяки цьому здійснювати найважливішу життєву функцію — функцію росту.

Інший механізм утворення клітин запропонував С. Фокс з університету в Майамі. Як уже зазначалося, Фокс шляхом нагрівання безводної суміші амінокислот одержував поліпептиди. Учений назвав їх протеїноїдами. У результаті розчинення протеїноїдів у гарячій воді він одержав рідину — непрозору суспензію. Під мікроскопом вдалося побачити, що ця суспензія складається з крихітних кульок, які нагадують сучасних бактерій-коків. Фокс назвав їх мікросферами, тобто маленькими кульками. Деякі з них утворювали ланцюжки або були схожі на дріжджові клітини в період поділу.

Яка з моделей ближча до протоклітини — коацервати Опаріна чи мікросфери Фокса – важко сказати. У всякому разі, у передбіологічному доборі лише ті утворення виявилися конкурентоздатними, які оточили себе зовнішньою мембраною.

Поява біологічної мембрани, яка відокремлює вміст пробіонта від навколишнього водного середовища і має здатність до вибіркової проникності, визначила напрям подальшої хімічної еволюції середовища шляхом розвитку все більш досконалих, здатних до саморегулювання систем — аж до виникнення перших примітивних клітин.