Абиогенный синтез

Что такое абиогенный синтез

 

Происхождение жизни на Земле представляет собой один из самых загадочных вопросов, на который до настоящего времени нет однозначного ответа. Существует несколько теорий зарождения жизни на Земле.

 

Одной из которых является теория биохимической эволюции А.И. Опарина, основанная на абиогенном синтезе. Основой данной теории была идея о том, что миллиарды лет назад при формировании планеты первыми органическими веществами были углеводороды, образовавшиеся в океане из более простых соединений.

Абиогенный синтез представляет собой образование органических соединений, которые присущи живой природе, при отсутствии организмов и без участия ферментов, а происходящее при действии химической реакции между неорганическими веществами. Иными словами, живое образовалось из неживого.

 

Гипотеза абиогенного синтеза

 

По данным на сегодняшний день возраст Земли равен приблизительно 4,55 миллиарда лет. В соответствии с большим количеством гипотез в течение большого промежутка времени Земля была безжизненной и на ее поверхности, в атмосфере и океане происходил абиогенный синтез органических соединений, который привел к образованию первых примитивных организмов.

 

Так на нашей планете происходила длительная химическая эволюция, предшествовавшая биологической и охватившая временной интервал не менее 1 миллиарда лет.
Абиогенный синтез исходит из того, что первые образованные жизненные формы были крайне примитивными, постепенно становясь все более сложными. Со временем, когда атмосфера нашей планеты приобрела свой современный состав абиогенез стал невыполним. Жизнь на Земле стала появляться в результате репродукции другой жизни (биогенез).

 

 

Теория абиогенного синтеза

 

 

В двадцатом веке британским ученым Холдейном, Джоном Бёрдон Сандерсоном и русским биохимиком Александром Опариным были выдвинуты две схожие теории об условиях возникновения жизни на Земле. Сущность теорий заключалась в том, что органические молекулы способны образоваться из абиогенных материалов при наличии внешнего источника энергии.

 

 

 

 

Теория А.И. Опарина основана на том, возникновение жизни пошло из коацерватов, которые представляли собой мельчайшие самопроизвольно образованные шарообразные агрегаты липидных молекул, способные удерживаться вместе за счет электростатических сил. По мнению Опарина они представляли собой предшественника клеток.

 

 

Холдейн в своей теории указывал, что сперва формируются простые органические молекулы и исключительно в присутствии солнечного света они преобразуются во все более сложные, постепенно формируя клетки. Теории А.И. Опарина и Холдейна стали основой большинства исследований абиогенеза в более поздние времена.

 

 

 

 

В соответствии с теорией биохимической эволюции Опарина-Холдейна зарождение жизни на нашей планете осуществлялось несколькими этапами. В начале осуществлялся абиогенный синтез простых органических соединений. Дальнейший этап связан с возникновением биополимеров и установлением связей между ними.

 

Потом стали формироваться мембраны, способные отделять первые подобия живых организмов от окружающей среды. Произошло возникновение обмена веществ и энергии с окружающей средой. Далее появилась способность репродукции. Так постепенно осуществилась установка экологических связей и образование первых экосистем.

 

Теория абиогенного синтеза впервые была экспериментально подтверждена в 1950-1960-е годы.

 

Итак, теория абиогенного синтеза предполагает собой то, что жизнь на нашей планете возникла самостоятельно из неживой материи при существовании определенных условий.

 

 

 

 

На сегодняшний день основываясь на современных данных теория абиогенного синтеза подверглась существенным изменениям, получила расширение и дополнение. Так, большинство ученых в настоящее время считают, что образованию самовоспроизведения предшествовал процесс образования мембран и полноценного обмена веществ, который мог происходить одновременно с ними. Репродукция несет в себе сохранение свойств в ряду поколений организмов, является основой в естественном отборе и эволюции в целом.

 

Вслед за формированием Земли как твердого тела и ее охлаждения с течением времени происходит конденсация водяного пара в ее первоначальной атмосфере. Вода из осадков с растворенными в ней веществами начинала накапливаться в рельефных нишах.

 

 

 

 

В первоначальной атмосфере в большом объеме было содержание углекислого газа, сероводорода, метана, аммиака, паров воды, при этом практически отсутствовал кислород. В виду отсутствия озонового слоя Земля подвергалась сильнейшему ультрафиолетовому излучению. Важными источниками, образующими или разрывающими химические связи, были: сильное солнечное излучение; разряды электрической энергии; естественная радиоактивность; ветер; вулканическая деятельность.

 

Проблема абиогенного синтеза довольно сложна и должна рассматриваться лишь как одна из теорий происхождения жизни на планете Земля.

 

Особенности процесса абиогенного синтеза

 

Значительная часть ученых прошлого и настоящего времени считает, что абиогенный синтез может происходить только при наличии определенных обстоятельств. При осуществления данной операции происходит образование оптически неактивных или рацемических смесей.

 

На сегодняшний день процесс абиогенного синтеза возможен в специализированных лабораториях. За счет проведения данных лабораторных исследований осуществляется изучение многих биологически значимых мономеров. Нефть представляет собой один из наиболее существенных продуктов абиогенного синтеза. Учеными доказано, что перемещаясь, вещество проходит через весь слой осадочной породы, выделяя органическую смесь.

 

Большая часть исследователей для доказательства реальности осуществления процесса абиогенного синтеза использовала специальную методику. Сущность которой заключалась в промышленном процессе образования синтетического топлива. Однако, при дальнейшем исследовании нефти, ученые пришли к значительным расхождениям между составом природных и синтетических углеводородных смесей. Поскольку в синтетических углеводородных смесях по сути нет сложных молекул.

 

 

 

 

В условиях лаборатории абиогенный синтез происходит с использованием солнечного излучения, разряда электроэнергии или под воздействием повышенной температуры.

 

Абиогенный синтез органических веществ

 

 

В соответствии с научными взглядами А.И. Опарина зарождение жизни на нашей планете могло быть осуществимо исключительно в условиях древней атмосферы при отсутствии живых организмов.  В начале своего существования наша планета являлась раскалённым шаром.

 

При постепенном охлаждении земной поверхности начинала создаваться первичная атмосфера, в которой отсутствовал кислород и озон.

 

 

 

 

Дальнейшее снижение температуры приводило к формированию первичного океана. Возникновение простых органических соединений осуществлялось под воздействием таких видов энергии, как электрические разряды, ядерные реакции, солнечная радиация, извержения вулканов.

 

В связи с отсутствием свободного кислорода окисление образовавшихся веществ не могло возникнуть. Прошедшие синтез вещества с течением времени активно накапливались в древнем океане.  В результате через миллионы десятилетий это накопление способствовало образованию однородной массы, в которой по мнению Опарина началось зарождение жизни.

 

Данный этап биохимической эволюции нашел свое экспериментальное подтверждение Стэнли Миллером и Джорджом Оро и другими исследователями.

 

 

Этапы осуществления абиогенного синтеза

 

 

Большая часть ученых солидарна в том, что в настоящее время процесс абиогенного синтеза в не лабораторных условиях не осуществим. Исследователи считают, что это могло быть осуществимо около 3,5 миллиарда лет назад. Принято выделять два этапа абиогенного синтеза органических веществ.

 

На первом этапе происходит процесс формирования низкомолекулярных органических соединений, в число которых входят углеводороды. В дальнейшем углеводороды вступают в реакцию с парами воды.

 

Второй этап связан с возникновением синтеза простых соединений высокомолекулярных органических веществ (биополимеров). Синтез происходил при полимеризации, причина возникновения которой обусловлена воздействием повышенных температур и ионизирующим излучением.

 

Принято полагать, что наиболее значимыми для протекания процесса абиогенного синтеза обладали неорганические катализаторы, такие как: медь, глина, оксиды цинка, титана и кремния.

 

Условия для возникновения абиогенного синтеза

 

 

Условия возникновения абиогенного синтеза рассматривались в 1953 году аспирантом Стэнли Миллером. Сущность его идеи заключалась в том, чтобы оборудовать полуподвальное помещение лаборатории под древнейшую землю. При руководстве лауреата Нобелевской премии Гарольда Юри аспирант сконструировал несложный прибор, в состав которого входила колба шарообразной формы и множество трубочек.

 

 

 

 

В трубочках совершали циркуляцию сформировавшиеся вещества, охлаждаясь в течении времени, они поступали в колбу, в которой содержались газы. Данные газы (водяной пар, водород, аммиак, метан) и формировали атмосферу нашей планеты на этапе ее зарождения.

 

 

По мнению А.И. Опарина, Г. Юри и С. Миллера, в такой атмосфере осуществлялись процессы в древнейшие времена под воздействием излучения Солнца. Для подачи реакциям энергии, Стэнли Миллер задействовал нагретую на горелке колбу. Дополнительно для подобия создания вспышек молнии и электрического разряда применялся специальный прибор. Состав прибора представлял собой стеклянную трубку и два электрода. Так образовывался круговорот, после каждого из которых материал охлаждаясь, возвращался в колбу и заново повторялся.

 

 

 

 

В конечном итоге данных испытаний Миллер и Юри смогли доказать, что за несколько миллионов лет при воздействии электрических разрядов из молний в атмосфере нашей планеты имели возможность синтезироваться молекулы органических веществ. В дальнейшем, при попадании их с каплями осадков в однородную массу, из них появлялась возможность для формирования первейших живых микроорганизмов и их клеток.

 

Учеными доказано, что абиогенный синтез органических молекул возможен на Земле и в настоящее время. Примером может служить процесс вулканической деятельности. Однако, в вулканических выбросах возможно определить не только синильную кислоту,  являющуюся предшественником аминокислот и нуклеотидов.

 

Помимо этого, в вулканических выбросах найдено содержание аминокислот, нуклеотидов и даже таких сложных по строению органических веществ, как порфирины. Более того, абиогенный синтез органических веществ может осуществляться не только на нашей планете. Было доказано его осуществление в космическом пространстве. Так, образования простейших аминокислот были найдены в составах метеоритов и комет.

 

 

Абиогенный синтез биополимеров

 

 

При возникновении некоторых положительных обстоятельств из простых органических веществ осуществляется синтез биополимеров. При этом аминокислоты соединяются в полипептиды, полисахариды образуются из простых сахаров и нуклеиновые кислоты образуются из нуклеотидов. Карбоновые кислоты соединяясь со спиртами, образуют липиды, покрывающие поверхности водоёма жирной плёнкой.

 

 

 

 

Коллоидные комплексы, образующиеся сформировавшимися белками, подтягивают к себе молекулы воды. Так происходит появление коацерватов, представленных сгустками органических веществ, обособленных от остальной массы воды. В коацерваты не переставая происходит поступление органических соединений и в конечном итоге осуществляется синтез более сложных веществ. Возникает возможность сливания и увеличения в размерах.

 

Возникновение биополимеров и коацерватов в древних условиях нашей планеты нашло свое экспериментальное подтверждение в работах британского химика Лесли Илизер Орджела и японского химика Сиро Акабори, которые смогли получить простейшие белки и нуклеотидные цепи.