Ю. Колесник - Современное состояние биосферы и экологическая политика
Элементы, из которых построена молекула воды, – кислород и водород – порознь представляют собой элементарные электростатические сбалансированные системы. Сведенные в одну молекулу два атома водорода и один атом кислорода формально ничего нового не внесли в молекулярную структуру воды. Суммарная масса ее молекулы и взятых порознь ее составляющих элементов равна 18 атомным единицам. Число элементарных частиц – протонов, электронов и нейтронов – тоже одинаково. Однако по свойствам молекула Н2О – это не просто сумма 2Н и О, а нечто новое, элементы которого определенным образом взаимосвязаны и организованы. Суть данного свойства заключается в том, что свойства целого (молекула воды) не сводятся к сумме свойств его частей. Искомая закономерность именуется эмерджентностью. Эти свойства возникают в результате взаимодействия компонентов, а не в результате изменения природы самих компонентов (Одум, 1986, с. 15–18). Аналогичное утверждение можно найти в работах отечественных ученых (Самарский, 1989, с. 9–29). Они считают, что результат «одновременного действия нескольких факторов на какой-либо объект неравнозначен сумме результатов, вызываемых теми же факторами, если они действуют по отдельности» (нарушение принципа суперпозиции). Здесь вполне уместны вопросы: а есть ли какой-либо реально ощутимый эффект эмерджентности системы? Есть ли какая-нибудь ощутимая разница в том, представляет ли собой вода определенным образом организованную совокупность взаимодействующих элементов (систему), или это просто огромное количество молекул Н2О?
Можно, в соответствии с таблицей Менделеева, рассчитать свойства и состояние «воды», не обладающей присущей ей структурной особенностью. Для этого нужно экстраполировать характеристики химических аналогов воды, соединений водорода с элементами той же подгруппы, что и кислород. Оказалось, что температура плавления воды вместо 0 С должна бы быть равна -95 С, а температура кипения вместо 10 °C должна быть -65 С. Следовательно, если бы вода была «нормальным» веществом, без водородных связей и обусловленной ими упорядоченности, она существовала бы на Земле только в виде пара, как сероводород. Если допустить, что модельная вода смогла бы обладать свойствами истинной жидкости, т. е. находиться в трех фазах и даже кипеть при 10 °C, то теплоемкость этой воды все же была бы значительно ниже истинной и Землю бы «лихорадило»: температура то очень быстро поднималась бы до 10 °C с плюсом, при этом испарялась бы вся масса воды, то так же быстро падала ниже 10 °C, со знаком минус, и океан превращался бы в лед (Лебедев и др., 1974, с. 9899).
Глава 3
Механизмы зарождения жизни на Земле
3.1. Аминокислоты
Сформировавшиеся физико-химические условия на первобытной планете можно отождествить с установкой С. Миллера, в которой он синтезировал аминокислоты из газов, существовавших в тот период. Единственная разница в экспериментах заключалась в том, что на Земле такой эксперимент осуществлялся в гигантских масштабах и в течение длительного времени.
Газы, высвобождающиеся из щелочных пород земной поверхности и при извержении вулканов, создали атмосферу, которая состояла из N2, H2, CO, H2O и некоторого количества CO2. Ультрафиолетовое излучение Солнца способствовало образованию цианистоводородной кислоты (HCN). Удивительно то, что облучение раствора HCN жесткой радиацией или пропусканием через него электрического разряда способствует синтезу NH3 и аминокислот, главным образом серина и глицина, а также и других соединений. В образующейся новой смеси, состоящей из воды, аммиака и HCN происходит синтез аденина и амидов. Облучение растворов метана, аммиака и водорода способствует образованию аминокислот, жирных кислот и пуринов, необходимых для синтеза нуклеиновых кислот РНК и ДНК (Проссер, 1977, с. 242–243).
Эти факты свидетельствуют о том, что зарождение жизни на Земле было не результатом воли «всевышнего» а естественным движением материи, обусловившим за счет удачного сочетания физико-химических процессов ее появление. В настоящее время в различных объектах живой природы обнаружено до 200 различных аминокислот. В организме человека их около 60, но в состав белков входят 20, называемых незаменимыми (природными). Достаточно веские аргументы позволяют утверждать, что все живое на Земле имеет в своей основе некую «таблицу Менделеева» простейших элементов – аминокислот. Они, подобно атомам неживой природы, остаются одними и теми же практически для всего живого – от бактерий и растений до человека. Следует отметить, что кроме аминокислот существует еще один вид «атомов» живого – восемь мононуклеотидов, из которых образуются нуклеиновые кислоты. Важно подчеркнуть, что оба вида «атомов» живого вещества были получены экспериментальным путем (Хазен, 1988, с. 112–114). Напомним некоторые общеизвестные истины из биохимии.
Аминокислоты – это органические кислоты, у которых атом водорода а – углеродного атома замещен на аминогруппу – NH2. В составе всех аминокислот имеются общие группировки вида – CH2 – NH2, -COOH, а боковые цепи аминокислот – радикалы (R) – различаются. Радикалы определяют структурные и функциональные особенности аминокислот.
В зависимости от способности вращать плоскость поляризованного луча и иметь стереоизомеры в природе встречаются два вида аминокислот – L-и D-типов (Ермолаев, Ильичева, 1989, с. 26–27). Оказывается, что большинство живых организмов имеют в своем составе L-аминокислоты. Почему? Можно полагать, что это связано с особенностями питания живых организмов, а, следовательно, строительством ими собственных белков. Выяснено (Проссер, 1977, с. 242–255), что аминокислоты, принадлежащие к L-ряду, лучше усваиваются, чем D-аминокислоты, которые, к тому же, являются токсичными. Только фенилаланин и метионин могут у большинства организмов усваиваться в D-формах. Действительно, прав был И. Ньютон, считавший, что «Природа не роскошествует излишними причинами». Эволюция «выбрала» L-вариант построения живого вещества.
Существуют ли еще какие-либо независимые наборы аминокислот, на основе которых могла бы образоваться сложная система миллионов видов живого?
Ответ на заданный вопрос можно проиллюстрировать следующими уникальными данными, приведенными в монографии А. М. Хазена (1989, с. 115–116).
На глубине 2600 м в подводном вулкане калифорнийской стороны Восточного Тихоокеанского хребта были обнаружены бактерии, способные жить при температуре +25 °C и давлении 265 атмосфер. При снижении температуры ниже 8 °C они погибали. В их состав, как и у всех обычных бактерий, входят белки, нуклеиновые кислоты и липиды. Но более 25 % аминокислот, образующих «атомы» этих бактерий, имеют структуру, не совпадающую с аминокислотами, обычными для живого на Земле. Источником питания для бактерий служат минеральные вещества, главным образом сера.
Там же обнаружены более высокоорганизованные формы живого (моллюски, погонофоры), которые значительно отличаются от всех обитающих на Земле существ. Однако эволюция избрала иной путь становления биосферы.
И это не случайно. Остановимся на этом вопросе детальней.
3.2. Комплексные соединения и живое вещество
Известно, что для нормального функционирования живого необходимо было распределить выполнение реакций в клетке таким образом, чтобы они совершались в определенной последовательности и в пространственно разделенных областях. Точнее, огромное количество тех или иных реакций не могут происходить в одном и том же месте, а поэтому клетка по своему составу должна быть разнородной, т. е. гетерогенной. По мере усложнения живого вещества его «ячейка», клетка, становилась все более совершенной.
Здесь уместен вопрос: является ли достаточным и необходимым условием для клеток наличие только белков, жиров и углеводов, из которых живые «машины» строят свое тело и без которых они не могут нормально функционировать?
Ответ однозначен: эти компоненты являются базовыми для живых систем. Они обеспечивают их строительным «материалом» и энергией. Но эволюция не остановила свой выбор только на данных органических веществах. Не меньшую роль в переходе неживого в живое сыграли металлы, которые запустили механизмы ускорения реакций в процессах адаптаций пробионтов к окружающей среде. Можно полагать, что соединение первичных форм органического вещества с металлами изменило саму суть существования этой формы материи. Действительно, внимательный анализ проблемы становления живого приводит к выводу, что необходимое сочетание прочности основных биологических структур и высокой химической активности, характерной для реакции в клетках, не может быть достигнуто, если для создания биологических машин пользоваться только органическими веществами (Николаев, 1986, с. 10–11). Официальная наука свидетельствует, что необходимым компонентом живых систем должны быть ионы металлов. Почему?
