Главная > Разное > Фотобиология
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Глава XXIII. СВЕТ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ

В предыдущих главах рассматривались различные аспекты взаимодействия света с существующей ныне живой материей. Ни в одном случае, однако, речь не шла о «целевом» использовании энергии света для прямого синтеза сложных органических биомолекул из простых в ходе фотохимических реакций. Функции эндергонического синтеза у эволюционно сложившихся форм жизни берет на себя ферментативно-матричный аппарат клеток.

Иначе обстояло дело в так называемый период химической эволюции. Для того чтобы возникли даже самые примитивные формы жизни в виде конкурирующих между собой, достраивающихся и самовоспроизводящихся полимеров, должны были так или иначе возникнуть их элементарные кирпичики — органические молекулы, такие, например, как аминокислоты, сахара и нуклеотиды. Разумеется, что синтез подобных веществ осуществлялся без участия каких-либо ферментов, для которых вообще не существовало матриц ДНК.

Выдающуюся роль в понимании механизма возникновения жизни на Земле сыграли представления, развиваемые академиком А. И. Опариным. Согласно гипотезе А. И. Опарина, синтез органических молекул из неорганических или более простых органических, связанный с ростом свободной энергии, мог осуществляться под действием естественных для той стадии развития Земли

физических факторов, причем решающее значение при образовании сложных органических молекул сыграли особые структуры, получившие название коацерватных капель.

В качестве факторов, вызывающих абиогенный синтез органических молекул, рассматриваются электрические разряды (молнии), высокие температуры (горячие источники, гейзеры), проникающая радиация и ультрафиолетовый свет. Сейчас трудно оценить их соотносительную роль в добиотических стадиях эволюции. Тем не менее очевидно, что синтез веществ, вызываемый УФ-светом, имеет преимущества в сравнении с электро- и термосинтезом по перманентности и масштабности действия светового фактора.

Для понимания роли света в добиологической эволюции важным является тезис об отсутствии молекулярного кислорода в атмосфере первобытной Земли: жизнь возникла и сделала свои первые шаги в бескислородной среде. Как уже отмечалось в гл. IV, кислород обязан своим происхождением деятельности фотосинтезирующих организмов. Условиями появления фотосинтеза были серия изменений в биохимических механизмах живой системы, накопление углекислоты в окружающей среде, создание хлорофилла, переносчиков электронов и всего фотосинтетического аппарата. Помимо данных геохимии о составе первобытной атмосферы (например, восстановительный характер древних пород) существуют весомые, чисто биологические аргументы в пользу зарождения и достаточно длительной эволюции жизни в бескислородной среде. В самом деле, в организмах протекает множество биохимических реакций и превращений, отличительная особенность которых состоит в том, что они осуществляются так, чтобы любым способом избежать участия молекулярного кислорода. Как отмечают Хочачка и Самеро, основной «скелет промежуточного обмена носит строго анаэробный характер: метаболические реакции, протекающие при прямом участии кислорода, немногочисленны и к тому же представляют собой позднейшие эволюционные пристройки к уже способному функционировать анаэробному каркасу». Предполагается, что первый кислород атмосферы был своеобразным «ядом» для организмов, и они стремились его дезактивировать.

В частности, как противокислородная мера рассматривается рядом авторов возникновение биолюминесцентных реакций.

Геологические данные, хорошо согласующиеся с эволюционно-биологическими, позволили Руттену сделать вывод о том, что первичная восстановительная атмосфера, начав заменяться кислородной около 1,5 млрд. лет назад, окончательно сформировалась к периоду, отстоящему от нашего времени всего лишь на 400—500 млн. лет.

Анаэробность первобытной Земли была благоприятной для фотохимического синтеза органических веществ по следующим причинам: 1) отсутствие озонового экрана обеспечивало беспрепятственное проникновение к земной поверхности коротковолновой части спектра солнечного излучения (100—250 нм), поглощаемого простыми неорганическими и органическими молекулами и побуждающего их к фотохимическим превращениям; 2) в бескислородной среде блокировались деструктивные окислительные фотохимические реакции, с одной стороны, и затруднялось «темновое» окисление возникших органических молекул — с другой.

Некоторые представления об энергетическом вкладе УФ-радиации могут дать ориентировочные оценки Миллера для первобытной Земли (4,5 млрд. лет назад), учитывающие более высокую температуру поверхности Солнца и отсутствие ультрафиолетпоглощающего экрана над Землей. Согласно его прикидкам, поверхность Земли получала в год за счет УФ-излучения Солнца с длинами волн короче 250 нм 660 кал/см, в то время как за счет электрических разрядов в атмосфере — всего лишь 4, тепловой энергии вулканического происхождения — 0,13, ионизирующего компонента космоса — 0,8 кал/см.

Молекулы метана, аммиака, водорода, воды, угарного и углекислого газов, синильной кислоты и некоторые другие вещества первобытной Земли обладают способностью поглощать коротковолновый УФ-свет с длинноволновой границей в области 130—220 нм. Длинноволновая граница поглощения окиси углерода лежит при воды — 140, метана — 147, аммиака — при Поглощаемые этими веществами кванты света вызывают довольно эффективные реакции фотолиза. Так,

квантовый выход фотолиза аммиака составляет 0,5, воды метана

Существуют прямые экспериментальные доказательства возможности абиогенного синтеза в примитивных смесях, имитирующих состав добиологической земной атмосферы, под действием УФ-лучей таких соединений, как этан, этилен, пропан, бутан, ацетилен, формальдегид, мочевина, гликоль. Синтез этих относительно простых низкомолекулярных соединений может рассматриваться как промежуточный этап синтеза более сложных биологических молекул. По мере усложнения молекулярной организации спектры поглощения сдвигаются в длинноволновую сторону, смещая красную границу фотохимически активного солнечного света. Более длинноволновым поглощением обладают и радикалы.

Образование больших количеств реакционноспособных ионов и радикалов под действием УФ-света делает вероятным их участие в темновых реакциях. Поэтому для отдельных превращений не требуется поглощение света комплексом из двух или трех столкнувшихся молекул (относительно редкое событие): ковалентная «сшивка» двух или более молекул может произойти даже через весьма значительный промежуток времени после столкновения фотохимически образовавшегося радикала с подходящим партнером. Например, коротковолновый свет вызывает фотоионизацию метана с превращением его в реакционноспособный ион а из формальдегида фотохимически образуется формильный радикал

Поскольку УФ-облучение раствора формальдегида приводит к образованию сахаров (гексоз, пентоз, рибозы и дезоксирибозы), входящих, в частности, в состав нуклеиновых кислот, формальдегид можно рассматривать как предшественник в их абиогенном фотохимическом синтезе. По-видимому, формальдегид является также и предшественником аминокислот. В опытах Т. Е. Павловской и А. Г. Пасынского в УФ-облученных водных растворах формальдегида с солями аммония было зарегистрировано образование глицина, валина, аланина, глютаминовой кислоты и фенилаланина:

Подобный синтез более сложных молекул из предшественников легко идет даже под действием сравнительно длинноволнового УФ-света (254 нм).

Через стадию формальдегида или ацетальдегида осуществляется и фотохимический синтез гетероциклических аминокислот и имидазола: УФ-облучение этих альдегидов совместно с азотнокислым аммонием сопровождается их накоплением в реакционной смеси.

Одним из главных предшественников сложных биологических молекул является цианистоводородная кислота, которая может существовать в трех- и тетрамерной формах. Рассмотрим, как происходит создание из тетрамера цианистоводородной кислоты некоторых биологически важных соединений. Схема синтеза пуриновых оснований из более простых предшественников может быть представлена в следующем виде:

В отсутствие кислорода реакция изомеризации цианистоводородной кислоты с последующим превращением в 4-аминоимидазол-5-карбонитрил осуществляется с квантовым выходом около 0,8. Показано, что из тетрамеров цианистоводородной кислоты могут образовываться и другие пурины — гипоксантин и диаминопурин.

Производные цианистоводородной кислоты имеют отношение и к синтезу никотинамида, являющегося составной частью основного источника свободного водорода — НАД или НАДФ. Так, УФ-облучение 1,3-дициано-4-ами-но-1,3-бутадиена сопровождается синтезом -иминонико-тиннитрила, в результате гидролиза которого образуются никотинамидные производные:

В качестве предшественника ароматических аминокислот— фенилаланина и тирозина — может рассматриваться фенилацетальдегид, образующийся в результате двух последовательных фотохимических реакций из метана и ацетилена через стадию фенилацетилена. В последующих темновых реакциях фенилацетальдегид превращается в фенилаланин, а после его фотогидроксили-рования — в тирозин:

Синтез аминокислоты из углеводородов включает три фотохимические стадии.

Таким образом, синтез существующих ныне важнейших биохимических молекул мог происходить через серии последовательных световых и темновых абиогенных химических реакций с участием набора предшественников, со все более сложным строением, которое постепенно приближалось к «финишному эталону», ставшему достоянием уже не химической, а биологической стадии эволюции.

Определенное значение в процессах абиогенного синтеза могли иметь неорганические катализаторы — глины, двухвалентное железо и медь, окислы цинка, кремния и титана.

Следует обратить особое внимание на достаточно высокие скорости фотохимических реакций, о чем свидетельствуют поражающие воображение опыты, в которых за очень незначительный по сравнению с геологическим промежуток времени (часы, сутки) удается получить из исходного строительного материала первобытной Земли такие «завершенные» продукты синтеза, как аминокислоты. Коротко остановимся на этих данных. При облучении коротковолновым ультрафиолетом (116—185 нм) компонентов первобытной атмосферы в бескислородной среде в виде смеси газов, содержащих аммиак, метан и пары воды, ряд авторов отмечали образование аминокислот. Так, Грот и Вейсенгоф, А. Н. Теренин зарегистрировали фотохимическое образование глицина, аланина; Н. Я. Додонова и А. И. Сидорова — валина, лейцина, норлейцина. Остаются до сих пор не выясненными механизмы этих превращений и их квантовые выходы. Тем не менее эффективность подобных превращений достаточно высока. Так, в опытах Поннамперума и Флореса за 48 ч около 0,5% метана превращалось в органические соединения.

Фотохимический синтез аминокислот может

происходить не только в газообразной, но и в жидкой, водной средах. Первые указания на такую возможность были получены еще в начале нашего столетия. Позднее было показано, что при УФ-облучении в водных средах, содержащих аммиак, -соединения и некоторые соли первобытной Земли, образуются аминокислоты. Тот же результат отмечается при естественном действии лучей Солнца на растворы, содержащие формальдегид, аммиак, углекислоту и некоторые соли.

Синтез серусодержащих аминокислот происходит в тех случаях, когда в смесь метана, этана, аммиака и воды вводится сероводород. УФ-облучение такой смеси приводит к образованию не только аланина, серина, глицина, аспарагиновой и глютаминовой кислот, но и цистина.

Американским авторам удалось показать, что такие сложные органические молекулы, как порфирины, необходимые для построения хлорофилла, цитохрома и гемоглобина, могут возникать в ходе фотохимических реакций в смеси простых газов (аммиак, углекислота, метан) в водяных парах.

Еще более успешно идет синтез тетрапорфиринов из «организованных» предшественников — порфирина, пиролла и бензальдегида, особенно в присутствии ацетата цинка в качестве катализатора. В свою очередь порфобиллиноген, являющийся естественным предшественником хлорофилла в цепи его современного биосинтеза из -аминолевулиновой кислоты, может быть получен при ее облучении в щелочной среде.

В опытах Поннамперума и Оргеля при УФ-облучении разбавленных водных растворов цианистоводородной кислоты синтезировались пуриновые основания — аденин и гуанин, а из аденозина в присутствии рибозы и этилового эфира метафосфорной кислоты — нуклеозиды (аденозин) и нуклеотиды (аденозинмоно-, ди- и -трифосфат). Квантовый выход образования аденозина из аденина и рибозы составляет а нуклеотидов из нуклеозидов — Фотохимически синтезированная АТФ ничем не отличается от природных макроэргических соединений. Абиогенный, УФ-зависимый синтез дезоксиаденозина осуществлен в водных растворах аденина, дезоксирибозы и цианистого водорода.

Фотохимическое образование пиримидиновых нуклеотидов было зарегистрировано в опытах Санчеса.

Используя относительно простые углеводородные предшественники, к настоящему времени удалось продемонстрировать и возможность фотохимического синтеза липидных компонентов, например высших жирных кислот из гептана, октана и изооктана в смеси с водой и углекислым кальцием.

Итак, взяв за исходное «сырье» либо элементарные компоненты первобытной атмосферы, либо простые соединения — предшественники, в лабораторных условиях можно промоделировать световой синтез большинства биохимических молекул малых и средних размеров, включая аминокислоты и нуклеотиды — мономерные единицы двух основных классов биополимеров (белки и нуклеиновые кислоты).

Возникает вопрос: реальна ли возможность правильного фотосшивания мономеров с формированием линейных полипептидных и полинуклеотидных цепей? Согласно данным Поннамперума и Стейнмана, в УФ-облученных растворах глицина и лейцина, содержащих конденсирующие агенты цианамид и дицианамид, обнаруживаются дипептиды (глицил-глицин, глицил-лейцин, лейцил-глицин, лейцил-лейцин) с выходом 1% и некоторое количество трипептидов с выходом 0,1%, а также полиаланин. Другие авторы (Элленбоген, Стейнман с сотр., Т. Е. Павловская, Т. А. Телегина) наблюдали фотохимическое образование пептидов даже из более простых предшественников: ацетальдегида и аммонийных солей или хлористого аммония и метана в присутствии солей железа.

В опытах Т. А. Телегиной из ацетальдегида и аммония синтезировались нейтральные и основные пептиды, содержащие глицин, валин, аланин, лизин, серин, аспарагиновую и глютаминовую кислоты, причем 57% связанного азота обнаруживалось в пептидах, а свободных аминокислотах. В среднем пептиды состояли из четырех мономерных единиц.

При фотохимической полимеризации дезоксирибонуклеотидов получались полинуклеотиды, состоящие из 12—30 мономеров, соединенных чаще всего нормальными 3,5-связями.

Таким образом, можно с достаточной уверенностью

отстаивать тезис о важной роли УФ-света при абиогенном синтезе большого ассортимента биохимических молекул, по крайней мере на химической стадии эволюции жизни на Земле. Отсутствие кислорода в атмосфере способствовало преобладанию синтетических процессов над деструктивными. Энергия квантов света использовалась не только для преодоления активационных барьеров химических превращений, но и запасалась в их продуктах, создавая условия для протекания эндергонических реакций синтеза.

Рекомендуемая литература

(см. скан)

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление