Новая теория появления жизни

Пнд, 09/15/2014 - 21:17

Рис. 1. Зарождение жизни в потоках энергии и химических веществ по Опарину—Холдейну

Рис. 2. Схема действия космического каталитического реактора в момент образования Земли

Рис. 3. «Естественный» отбор автокатализаторов Xi при уменьшении и последующем увеличении концентрации «пищи» R. Выживает только автокатализатор Х3, у которого критическая концентрация пищи Rкр3 оказалась меньше, чем минимальный необходимый уровень пищи (светлая точка)

Рис. 4. Структура моносахаров состава С6, которые образуются в реакции Бутлерова

Рис. 5. Моносахарид рибоза — основа структуры нуклеотидов РНК и ДНК, а также аденозинтрифосфата (АТФ). Показаны структуры сходных нуклеотидов уридила (РНК) и тимина (ДНК)

Рис. 6. Схема эксперимента по исследованию реакции Бутлерова в стационарных условиях

-

Вообще говоря, проблема зарождения жизни некорректна с точки зрения нормальной науки. Действительно, речь здесь может идти лишь о создании более или менее правдоподобной и аргументированной гипотезы либо теории. Проверить же эту гипотезу экспериментально, как того требует серьезная наука, по понятным причинам никто и никогда не сможет... Тем не менее, такие гипотезы и теории существуют, о них спорят и пишут. В последние годы — даже российские химики, которым еще недавно было совсем не до того. В частности, об этой проблеме задумались химики из новосибирского Академгородка.

Все теории зарождения жизни можно разделить на две группы: одни постулируют зарождение жизни на Земле, другие — вне Земли. Причем последние появились именно потому, что ни одна из теорий земного происхождения жизни так и не объяснила, как появились первые молекулы РНК и ДНК, без которых современные формы жизни просто немыслимы. Самая известная и хорошо аргументированная гипотеза А.И. Опарина и Дж. Холдейна утверждает, что жизнь возникла в океанах, где перед этим сформировался насыщенный пребиотический бульон из различных органических соединений (рис. 1). Потом из этих соединений под действием вулканов, молний, УФ-излучения Солнца и прочих факторов начали образовываться первые биополимеры, затем фрагменты протоклеток и так далее. В 50-е годы прошлого века С. Миллер пытался подтвердить опытами, что из смеси простых газов в разряде молний могут синтезироваться сложные органические молекулы. Тем не менее ни эти, ни другие теории не объясняют, как в пребиотическом бульоне образовались первые молекулы нуклеотидов, то есть мономеры РНК и ДНК. Случайно они получиться не могли — для этого не хватило бы всех пяти миллиардов лет существования Земли, нуклеотиды слишком сложные молекулы. Теория внеземного происхождения жизни, конечно, временно позволяет расслабиться — ну занесли из космоса готовые молекулы РНК на метеоритах, и дело с концом. Но все-таки опять возникает недоговоренность — а в космосе-то первые молекулы РНК и ДНК откуда взялись?
По геологическим масштабам, жизнь на Земле возникла почти сразу после того, как появилась сама Земля. Ученые считают, что на это потребовалось не более 500–700 млн лет из 4,6 млрд лет существования Земли. В Институте катализа им.

Г.К. Борескова СО РАН (Сибирского отделения Российской Академии наук), расположенном в новосибирском Академгородке, начали проверять теорию, согласно которой образование первых молекул нуклеотидов, а следовательно, и происхождение жизни — явления далеко не случайные. И сейчас идет эксперимент, который уже дал очень интересные результаты (о них позднее). Причем почти одновременно физики из этого же института выдвинули и начали просчитывать новую гипотезу возникновения планет, опирающуюся отчасти на те же физико-химические принципы. И все потихоньку состыковалось и выстроилось в правдоподобную и стройную систему. Конечно, пока еще с множеством нерешенных вопросов.

Космические процессы зарождения жизни

Итак, образование планет Солнечной системы и возникновение жизни на Земле произошли практически в один момент во временных масштабах Вселенной. Поэтому, если бы удалось решить проблему планетообразования, это могло бы стать исходной точкой и для решения проблемы зарождения жизни. Ведь научные вопросы часто решаются комплексно. Но как получить данные о происшедшем событии, если известен лишь конечный результат? Этим занимаются сейчас физики Института катализа и нескольких других институтов СО РАН. Основной инструмент их работы — методы, разработанные для моделирования в лабораторных условиях ядерного взрыва. То есть физики вместе с математиками собирают достаточно надежные данные о каждом процессе, влияющем на картину взрыва, а потом моделируют его на компьютере. Чем мощнее компьютер, чем больше он учитывает процессов и параметров, тем более реальной получается картина. Проверить работу компьютера можно, сопоставив расчеты с наблюдением природных явлений — например, вспышек на Солнце. Естественно, на каждом этапе моделирования надо строго соблюдать все без исключения фундаментальные физические законы, в частности законы сохранения энергии, импульса и т. д.

Сначала сибирские ученые проанализировали наиболее популярные существующие теории образования планет — и остались неудовлетворены. Появилось новое предположение: формирование планет происходило в тех же условиях, в которых и каталитические химические реакции органического синтеза. И следующий шаг: именно каталитические реакции привели к возникновению жизни на Земле, а затем — к естественному отбору.

Мы уже давно свыклись с представлением о том, что планеты Солнечной системы зародились из первичного газопылевого облака, окружавшего Протосолнце около 5 млрд лет тому назад. При этом многие ученые предполагали, что планеты Солнечной системы сформировались при столкновении твердых тел. Тем не менее, согласно В.С. Сафронову, если тело величиной порядка тысячи километров столкнется с телом меньшего размера, осколки притянутся к крупному, а вот средние тела (несколько сот километров в диаметре) не могут ни укрупниться, ни поглотиться. Они просто разрушаются при ударе. Что же заставило систему самоорганизоваться и привело к образованию планет земной группы?
Таким механизмом должно быть развитие коллективной неустойчивости, одновременное объединение многих малых тел. Не будем рассматривать в этой статье физическую и математическую часть модели. Скажем только, что модель предполагает формирование солитонов (одиночных волн плотности материи) в околозвездном диске. А мы займемся чистой химией.

Огромное газопылевое облако, вращающееся вокруг Протосолнца, было не просто облаком, а огромным каталитическим реактором, в котором вовсю шли химические реакции и синтезировались разнообразные органические соединения. Почему каталитическим? А потому, что в этом реакторе находились мириады частиц допланетной пыли, содержавшей железо, никель и кремний, — именно они составляли, как полагают, основу первичного газопылевого облака. Там же в избытке находились и газообразные реагенты (основные компоненты межзвездного и межпланетного газа) — водород, угарный газ и т.д. В газопылевом облаке такого состава просто не могли не образовываться органические соединения! Более того, как выяснилось при численном моделировании образования планет, о котором шла речь выше, реакции образования таких соединений были не просто важными, они могли играть решающую роль! Действительно, для слипания твердых частиц «чистой» космической пыли при интенсивном ударе нужен «клей», а образующиеся органические молекулы, закрепляясь на поверхности твердых частиц, образовали необходимый липкий поверхностный слой. Именно он способствовал быстрому соединению пылинок, из которых формировались более крупные частицы, а затем и планетозимали (промежуточные образования) и далее протопланеты. Так, по-видимому, образовались и Земля, и все остальные планеты, астероиды и кометы, которые вращаются сейчас вокруг Солнца.

Надо отметить, что описанная система хорошо знакома специалистам — по классификации химиков-каталитиков глобальный космический реактор относится к разряду реакторов «с псевдоожиженным слоем катализатора». Давление и температура газообразных реагентов в зоне формирования планет были типичными для хорошо известных химических процессов. Другие важные характеристики глобального космического реактора также близки душе технолога — состав катализаторов, реакционной среды и т. п. Из водорода и угарного газа на железо- и никельсодержащих пылинках были обязаны синтезироваться углеводороды и кислородсодержащая органика — например, простые спирты и альдегиды. Все как в промышленности.

Понятно, что каталитическая активность космического материала — ключевой момент в уточнении теории образования планет. Недавно в Институте катализа мы экспериментально проверили, что вещество реальных метеоритов в самом деле катализирует эти реакции. Каменные и железо-каменные метеориты, которые мы использовали в эксперименте, по своему составу приближаются к веществам, распространенным в космосе. За 4,6 млрд лет своего существования они спеклись и имеют обычную непористую поверхность, но когда-то, в молекулярных облаках и околозвездном диске, межзвездная пыль состояла из частиц нанометрового размера. Поэтому мы испаряли метеориты при помощи лазера и получали порошки с размером частиц 3-4 нм (это примерно соответствует размеру активного компонента в промышленных катализаторах). Затем смотрели, получается ли что-нибудь из смеси угарного газа, водорода и гелия в присутствии метеоритной пыли при атмосферном давлении и температуре до 500°С. В наших экспериментах с достаточно высокими выходами синтезировались этилен и другие углеводороды.

Все это означает, что наши планеты сформировались там, где были условия для каталитического синтеза органических соединений, и что первичные органические соединения, из которых потом могла появиться жизнь, образовались уже на допланетной стадии эволюции Солнечной системы (рис. 2). Интересно, что значительная часть первичного «допланетного» органического вещества могла захватываться при формировании планет (хотя основная масса такого вещества, конечно же, разрушается и развеивается в космосе) и стать впоследствии одним из компонентов ископаемого органического сырья, которым мы сейчас пользуемся. Так это или не так — покажут дальнейшие исследования.
Еще один очень важный вопрос: насколько жестко предопределено образование планет? Оказалось, что самоорганизация вещества по нашей модели идет в одном направлении и поэтому предопределена. Но место появления уединенной волны повышенной плотности вещества, а следом и формирование планеты на данном расстоянии от Солнца — для нашей модели величины случайные. Правда, из общих соображений следует, что если волна плотности окажется на орбите Венеры, то все летучие вещества (вода, водород, органические соединения) там испарятся: планета появится, а жизнь на ней нет. На орбите Марса слишком холодно. Равно как и на орбите Сатурна — недавно выяснилось, что поверхность Титана (спутника Сатурна) состоит в основном из сжиженных легких углеводородов. Планета, на которой живем мы, попала в самую точку. Здесь есть вода, легкие газы и т. п.

Вероятность появления планет на различных расстояниях от Солнца, возможно, определится после дальнейших расчетов, в которых используют дополнительные физико-химические факторы, влияющие на поведение газопылевого облака. Может быть, тогда станет понятно, где проходит граница жизни — до марсианской орбиты или за ней. И это знание сбережет массу средств и сил.

Другие материалы рубрики


  • Личинки жуков-щелкунов (сем. Elateridae), или, как их еще называют за твердое цилиндрическое тело, проволочников, точат клубни, едят корни. Личинки хрущей (сем. Scarabaeidae) грызут корешки, и в лесах, где прошли лесозаготовки, не растут молодые деревца, так как их корни уничтожены хрущами. Достается и корням трав — там, где много хрущей, лесную траву можно оторвать от земли вместе с дерном.
    Личинки цикад (сем. Cicadidae) незримо копошатся в земле, тоже поедая корешки трав. В корнях деревьев живут некоторые усачи и короеды. Питаются корнями растений личинки некоторых комаров-долгоножек (сем. Tipulidae), когда нет другой подходящей добычи.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Некоторые ученые всю жизнь занимаются одним-единственным объектом и одной-единственной проблемой. Меня же все время носило из стороны в сторону. Одним из таких «заносов» было увлечение кошками. Не могу сказать, что я их страстный любитель... Но я посвятил этим домашним хищникам изрядную часть своего свободного времени, потому что их генетика оказалась безумно интересной. Да и знакомиться с наукой о наследственности намного увлекательнее на таком обаятельном объекте, чем на классической мушке-дрозофиле.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Пытаясь проследить пути расселения человеческих субпопуляций и изменение их численности за многие тысячелетия, ученые прибегают к данным о географической распространенности мутаций особого типа, которые часто бывают связаны с наследственными заболеваниями человека.
    Двое мужчин средних лет, проживающих за тысячи миль друг от друга и никогда не встречавшихся, могут обладать одним редким признаком: способностью усваивать железо настолько хорошо, что это преимущество оборачивается для них бедой — серьезным системным заболеванием, нередко с летальным исходом.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • В современном обществе особо популярной становится тема избыточного веса и возможных путей устранения этой проблемы. Известны сотни самых разнообразных диет, различные физические упражнения и даже хирургические вмешательства, призванные избавить человечество от этой напасти. Общей особенностью всех перечисленных «панацей» является их малая эффективность (если она вообще есть) и недолговечность позитивного результата. Чем же это вызвано? Прежде всего, тем, что жир — это не просто балластная часть организма, созданная для обезображивания нашего внешнего вида, а сложнейшая многофункциональная система, вырабатывающая огромное количество жизненно важных гормонов и влияющая почти на все физиологические процессы, протекающие в других органах (см. рис. 1). От «жирных» гормонов зависят и внешние формы организма, и артериальное давление, и пигментация тела, и настроение человека и многое-многое другое, так необходимое для полноценной жизни. Так что избавление от избыточного веса — проблема комплексная и многоотраслевая, которую нельзя свести к банальному постулату: «кушай — не кушай». Да и что такое лишний вес? Вопрос также не из легких. Постараемся внести ясность в эту животрепещущую проблему, так будоражащую умы всего прогрессивного человечества.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Человечество впервые за всю известную историю приблизилось к моменту, когда в авангарде мирового прогресса появился инструмент, способный объединить большинство естественных и технических наук, и через призму философского мировоззрения породить единую систему управления живой и неживой природой. Имя этого новшества: бионанотехнологии, а стоят они на перекрестках биологии, нанонауки, химии, физики, информатики, робототехники и т.п.
    Направление зародилось в 2004 году, когда голландский профессор технического университета г. Делфтса Сиз Деккер объединил углеродную нанотрубку с молекулой ДНК.
    Бионанотехнологии — революционное направление нанонауки, изучающее взаимодействие нанообъектов с живыми системами, получение наночастиц с использованием биореакторов и применение бионаноструктур для решения актуальных вопросов медицины, экологии, сельского хозяйства и других отраслей практической или теоретической деятельности.



  • Семена культурной сои, иногда называемые «соевыми бобами» (от англ. soya bean, soybean) — широко распространенный продукт питания, известный еще в третьем тысячелетии до н. э. Сою часто называют «чудо-растением» — отчасти благодаря сравнительно высокой урожайности и высокому содержанию растительного белка во многом аналогичном животному, в среднем составляющего около 40% от массы семени, а у отдельных сортов достигающего 48—50%. В связи с этим соя часто используется как недорогой и эффективный заменитель мяса, причем не только людьми с небольшим достатком, но и просто следующими диете с ограниченным употреблением мяса (например — вегетарианцами). Так же входит в состав некоторых кормов для животных.



  • Иммунитет — это не только выработка антител и активация фагоцитов. Растения и многие животные справляются с инфекциями с помощью пептидов, способных уничтожать патогенные микроорганизмы. Антимикробные пептиды растений, простейших, насекомых и высших животных, включая человека, близки по структуре. Это наводит на мысль, что они представляют собой древнейшую систему защиты организма от инфекции, которая сохранилась даже у животных с развитой иммунной системой практически в первозданном виде. Несмотря на свой «преклонный возраст», антимикробные пептиды эффективно борются с бактериями, что создает перспективы для их практического применения.



  • Не торопитесь отвечать на этот простой, как кажется, вопрос, потому что за вас на него ответил шведский невролог Йонас Фрисен: каждому взрослому человеку в среднем пятнадцать с половиной лет. Если по паспорту вам, например, шестьдесят, то хрусталики ваших глаз в среднем на 22 недели старше, мозг примерно ваш ровесник, а вот вашей коже всего две недели от роду.
    Из одной научно-популярной книги в другую кочует утверждение: наше тело почти полностью обновляется за семь лет. Старые клетки постепенно отмирают, их места занимают новые.
    Клетки действительно обновляются, но откуда взялась мифическая цифра «семь», никто толком не знает. Для некоторых клеток срок обновления установлен более или менее точно, а именно: 150 дней для клеток крови, за постепенным замещением которых можно проследить после переливания крови, и две недели для клеток кожи, которые появляются в ее глубинных слоях, постепенно мигрируют на поверхность, отмирают и отшелушиваются.



  • ...Сверхвозможности у «обычных» людей в отличие от гениев проявляются — если проявляются — при необходимости решения сверхзадач. При этом мозг оказывается в состоянии, в интересах оптимизации своей работы, использовать и условно-патологические механизмы, в частности — гиперактивации, естественно, при достаточной защите, не дающей превратиться могущественному помощнику в эпилептический разряд. Сверхзадачу может поставить жизнь, а вот решаться она может и самостоятельно, и с помощью учителей, и есть в этой жизни решения, когда за результат можно заплатить и высокую цену. Пожалуйста, не путайте с печально знаменитым «цель оправдывает средства».



  • Знаете ли вы, что наши клетки обладают памятью? Они помнят не только то, что вы обычно едите на завтрак, но и чем питалась во время беременности ваша мама и бабушка. Ваши клетки хорошо помнят, занимаетесь ли вы спортом и как часто употребляете алкоголь. Память клеток хранит в себе ваши встречи с вирусами и то, насколько сильно вас любили в детстве. Клеточная память решает, будете ли вы склонны к ожирению и депрессиям. И во многом благодаря клеточной памяти мы отличаемся от шимпанзе, хотя имеем с ними примерно одинаковый набор генов. И эту удивительную особенность наших клеток помогла понять наука эпигенетика.
    пигенетика — довольно молодое направление современной науки. И пока она не так широко известна, как ее «родная» сестра, генетика. Многие, возможно, вообще впервые слышат это слово. В переводе с греческого предлог «эпи-» означает «над», «выше», «поверх».