Глава IV
Начались синтезы
Что же происходило с органическими молекулами в период образования планет и как светимость протосолнца влияла на процессы образования органических соединений?
Начнем опять с первичной туманности, из которой родились Солнце и планеты. Она состояла из смеси газа и пыли: частичек силикатов, графита, льдов. Органические молекулы с самого начала, еще до разогрева туманности, присутствовали в ней и в газовой фазе, и на поверхности пылинок. Что это за молекулы и как они образовались?
Сейчас известно около 40 типов простых органических молекул, обнаруженных в газопылевых облаках. Для нас наибольший интерес представляют два соединения: сильнейший яд синильная кислота (цианистый водород) и формальдегид, простая молекула, состоящая из атома углерода, атома кислорода и двух атомов водорода.
Все дело в том, что это, как говорят химики, "ключевые" молекулы для синтеза более сложных соединений. Например, в химии хорошо известен так называемый синтез Штрекера, когда в водно-аммиачном растворе синильной кислоты и формальдегида просто при легком подогреве смеси образуются аминокислоты. Аминокислоты - основные блоки для создания белковой молекулы. Если подогреть водно-аммиачный раствор синильной кислоты, получается аденин - молекула, без которой невозможно построить ДНК - знаменитую двойную спираль Уотсона - Крика. Американский химик испанского происхождения X. Оро, которому впервые удалось получить аденин из цианистого водорода, показал, что занятия предбиологической химией могут дать хороший промышленный выход. Сейчас метод Оро очень широко применяется для промышленного производства аденина, молекулы, состоящей из 5 молекул синильной кислоты.
Формальдегид очень важен для образования простых сахаров, без которых, в свою очередь, невозможно получить нуклеиновые кислоты.
Реакции усложнения и превращения формальдегида и синильной кислоты идут не только в растворах. Они могли проходить и в нашей туманности, главным образом на поверхности кристаллов льда. Конечно, скорости этих реакций были в сотни тысяч раз меньше, чем при комнатных температурах. Да и концентрации исходных веществ (формальдегида и синильной кислоты) очень малы. Поэтому появления особенно сложных молекул в туманности вряд ли можно ожидать.
Ну а как же образовались "ключевые" соединения (их еще называют предшественниками)?
Дело в том, что туманность не изолирована от воздействия различных космических факторов. Предположим, что на расстоянии многих световых лет от туманности вспыхнула сверхновая звезда. И мощный поток ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-квантов устремился к туманности. Этот поток и стал тем стимулирующим фактором, который помог образоваться нашим предшественникам из смеси простых газов.
В самой туманности мы не вправе ожидать появления сложных молекул. Максимум, на что можно было бы рассчитывать, - на присутствие простейших аминокислот или же, например, аденина. Но, к сожалению, ни то, ни другое в газопылевых облаках не обнаружено.
Посмотрим теперь, что происходило на последующих этапах истории туманности. Мы помним, что при сжатии туманность прошла высокотемпературную стадию, причем в центральных частях диска температуры были очень высоки. На расстоянии от Земли до Солнца они достигали 2 тысяч градусов. Совершенно ясно, что никаким органическим молекулам не выдержать такой температуры. Но впоследствии, когда образовалось и стабилизировалось Солнце, туманность начала остывать. По времени это совпало с началом образования планет.
Основным газом в туманности был водород. Присутствовали также окись и двуокись углерода, азот и некоторое количество метана. Под воздействием ультрафиолетового излучения молодого Солнца снова начали образовываться предшественники - формальдегид и синильная кислота - и более сложные соединения: аминокислоты, основания нуклеиновых кислот.
"Отпечатки" этих процессов мы находим сегодня в древнейших метеоритах - углистых хондритах, возраст которых составляет 4,5–4,6 миллиарда лет, что как раз равно возрасту солнечной системы. Но нужно обязательно подчеркнуть, что и в углистых хондритах нет сложных, абсолютно необходимых для жизни соединений: белков, нуклеиновых кислот, жирных кислот. Есть только их составные части. Вдобавок эти составные части, например аминокислоты, намертво "запечатаны" в неорганическую матрицу метеорита.
Напомним, что на заключительных стадиях образования Земли на зародыш падали крупные тела с линейными размерами в несколько километров. Скорости соударения были порядка десяти километров в секунду. Следы таких ударов сохранились не только на Луне и Марсе, но и на поверхности нашей Земли. Знаменитый Аризонский кратер в Америке, кольцевые структуры на Украине - это следы чудовищных ударов, по сравнению с которыми взрыв атомной бомбы - сущий пустяк. При таких ударах почти все вещество метеорита превращалось в плазму. При остывании этой плазмы могли образовываться органические молекулы.
Выходит, синтез и распад органических молекул происходил на всех этапах развития прототуманности. И когда сформировались планеты, природе нужно было заново строить соединения углерода уже на поверхности молодой Земли. 4,5 миллиарда лет назад на нашей планете началась эра добиологической эволюции.
Посмотрим, что представляла собой молодая Земля. Жизни на Земле в то время не существовало. Это основное наше предположение. А что же было? Была твердая поверхность Земли - кора, была атмосфера, гидросфера и, самое главное, было Солнце с его мощным ультрафиолетовым излучением. Солнце - генератор энергии, которая стимулировала большинство химических реакций в атмосфере Земли.
Очевидность этого обстоятельства дала толчок для проведения огромного количества экспериментов по синтезам органических молекул под воздействием ультрафиолетового излучения в газовых смесях, предположительно моделирующих по своему составу первичную атмосферу Земли. Многие ученые считают, что 4,5 миллиарда лет назад она (атмосфера) состояла из водорода, метана и аммиака. Кислород появился позже за счет процессов фотосинтеза, то есть когда на Земле возникла жизнь.
Вот это и стало находкой для химиков-органиков. Советские биохимики А. Пасынский и Т. Павловская, американские ученые С. Фокс, X. Оро, С. Поннамперума, К. Саган, М. Кальвин и многие другие проделали классические эксперименты по синтезу аминокислот, оснований нуклеиновых кислот, сахаров и многих других биологически важных молекул. Все авторы использовали в качестве исходных соединений водород, метан, аммиак, пары воды.
Здесь стоит сказать о том, что результаты этих экспериментов на многие годы загипнотизировали геохимиков и планетологов. Именно в результатах, полученных специалистами по предбиологической химии, геохимики и планетологи видели доказательство тому, что на ранних этапах развития Земля обладала бескислородной атмосферой. Ведь кислород настолько активный окислитель, что в его присутствии синтезы органических соединений не происходят. Если, например, в реакционную смесь, содержащую водород и другие компоненты, необходимые для получения углеродсодержащих молекул (метан), добавить кислород и подвести необходимую энергию, то вместо того, чтобы занять свое "законное" место в органической молекуле, водород сразу же вступит с кислородом в реакцию образования воды.
Логика планетологов была такова. Раз жизнь на Земле возникла, атмосфера должна была содержать водород, метан и аммиак. Был океан, значит, были в атмосфере и пары воды.
Ну а дальше специалисты по предбиологической химии как будто бы все объяснили. Было ультрафиолетовое излучение Солнца, были грозы, а значит, и электрические разряды, было тепло от вулканов. Короче говоря в источниках энергии недостатка не ощущалось. И в системе "атмосфера - океан" варился знаменитый питательный бульон, из которого впоследствии произошли первые живые организмы. Еще в 1964 году американский астрофизик К. Саган произвел несложный расчет, в результате которого получил ошеломляющую цифру. На каждом квадратном сантиметре поверхности Земли за миллиард лет могло накопиться за счет химических реакций до сотен килограммов амино- и органических кислот. Что и говорить, для возникновения жизни условия более чем благоприятные.
Но дело обстоит совсем не так просто, как это представлял себе Саган. За последние годы опубликованы новые работы об эволюции атмосфер планет земной группы, и эти исследования показывают, что ранняя атмосфера Земли, как минимум, не была восстановительной (водородсодержащей). Более того, атмосфера ранней Земли без всякого участия живых систем, за счет чисто фотохимических процессов очень быстро стала окислительной, то есть в ней появился свободный кислород. А в подобной атмосфере образование органических соединений невозможно.
Что же тогда получается? Заколдованный круг? Но ведь жизнь-то на Земле возникла. А еще раньше появились молекулы, необходимые для построения живых систем. Кстати говоря, слабость оценок Сагана заключается не только в том, что он в качестве исходной посылки брал восстановительную атмосферу.
Вопросы, которые мы сейчас хотим обсудить, очень важны. Давайте по порядку.
Возьмем кусок древнего базальта или гранита. Истолчем его в ступке, нагреем и с помощью какого-нибудь чувствительного прибора будем анализировать выделяющиеся газы. Мы увидим, что главный компонент газовой фазы - пары воды, углекислота и азот. Водород и метан находятся в следовых количествах. Аммиака нет вообще. Кстати говоря, он отсутствует и в метеоритах. В какой-то мере состав газовой фазы, которую мы исследовали, отражает состав древней атмосферы.