РОЛЬ ЛИТОСФЕРЫ В ОБЕСПЕЧЕНИИ ЖИЗНИ НЛ ЗЕМЛЕ
Кандидат геолого-минералогических наук М.А. ХАРЬКИНА
Вопрос о роли литосферы в обеспечении жизни на Земле - один из тех, на который с научной точки зрения можно дать лишь ответ, бесконечно стремящийся к окончательному, однозначному. Чем больше фактов узнают учёные, тем полнее становится картина мира, той или иной детали мира, каждая деталь освещает другие, и их свет очень ярок. Но можно ли предположить, что удастся осветить всё до мельчайших деталей и сказать, что об этом известно всё? Сомнительно. А когда речь идёт о таком сложном вопросе, как вопрос происхождения жизни, учёные могут лишь предполагать различные возможности, основываясь на ныне известных фактах. Цель настоящей статьи - сделать обзор современных представлений о происхождении жизни и рассмотреть литосферу как возможное место перехода от неживой материи к живой.
Прежде чем перейти к проблеме происхождения жизни, нужно сначала сформулировать, что такое жизнь. Всем известны свойства живого со школы: живой организм растёт, размножается, обменивается с окружающей средой веществом, поддерживает определённое внут-| реннее состояние (гомеостаз) и умирает £ тем или иным образом. Жизнь - это яв-
1 ление природы, особая форма существо-§ вания материи. Сущностью жизни явля-« ется постоянная самоорганизация путём ^ её самовоспроизведения на основе на-| следственной информации, адаптации и
2 увеличения размерности собственного § пространства1.
§ Литосфера - это верхняя жёсткая обо-£ лочка Земли, сверху граничащая с атмос-| ферой и гидросферой, которые частично
1 Снакин В.В. Природные ресурсы и окружающая среда. М.: НИА-Природа, РЭФИА. 2001.
в неё проникают. Традиционно литосфера рассматривалась геологами с позиции поиска полезных ископаемых, а со второй половины ХХ века и как основание инженерных сооружений. В экологической геологии, новом научном направлении, возникшем на рубеже веков, литосфера рассматривается как среда обитания биоты. В настоящее время разработано учение об экологических функциях литосферы, участвующих в энергетическом и вещественном жизнеобеспечении биоты. В рамках этого учения выделены ресурсная, геодинамическая, геохимическая и геофизическая экологические функции литосферы2.
Гипотезы происхождения жизни на Земле. О происхождении жизни существует несколько гипотез: жизнь занесена на Землю из космоса, жизнь - результат эволюции материи, жизнь - результат акта божественного творения. Последняя гипотеза отрицает теорию Дарвина о происхождении видов и достижения палеонтологии. В научной среде она не популярна и здесь не будет рассматриваться.
Существует два подхода к рассмотрению жизни как результата эволюции материи: (1) развитие проходило в пределах живой материи ("всё живое - только от живого") и (2) живые существа происходят не только от живых существ, но и из неживых. Роль литосферы в последнем варианте эволюции материи несомненно велика.
В 1924 г. Александр Иванович Опарин, опубликовал статью "Происхождение жизни"3, в которой он высказывал пред-
2 Экологические функции литосферы / В.Т. Трофимов, Д.Г. Зилинг, Т.А. Барабошкина и др., под ред. В.Т. Трофимова. М.: Изд-во МГУ. 2000.
3Опарин А.И. Происхождение жизни. М.: Московский рабочий. 1924.
44
© М. А. Харькина
положение о том, что условия на Земле на ранних стадиях её истории способствовали образованию первичного океана, а в нём - органических соединений, которые в отсутствие кислорода под воздействием температуры, давления, электрических разрядов, ультрафиолетового излучения и других факторов превратились в образования, обособленные от окружающей среды, способные к биохимическому естественному отбору и ставшие прародителями клеток.
Теория Опарина базировалась на представлении, что всё начиналось с белков, и на возможности в определённых условиях спонтанного химического синтеза мономеров белков (аминокислот) и белковоподобных полимеров (полипептидов) абиогенным путем.
Отметим, что условия на ранней Земле отличались от современных. Первоначально количество воды на земной поверхности было относительно невелико. Мировой океан появился в начале архея, но его воды из-за выделяемых вулканами кислых газообразных продуктов (HCl, H3BO4, H2S, CO2) характеризо-
Рис. 1.
Схематичное представление пути происхождения жизни согласно белково-коацерватной теории А.И. Опарина (опубл. Спириным, см. сноску 5).
АБИОГЕННЫЕ АМИНОКИСЛОТЫ
ПОЛИПЕПТИДЫ транспептидация
БЕЛКИ
с уникальными трёхмерными структурами
~У _ У
Образование Каталитические надмолекулярных активности, структур, ФЕРМЕНТЫ разделение фаз -1-
У _
КАТАЛИТИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ КОАЦЕРВАТЫ
- У
Ассимиляция,
рост, размножение У ~ КЛЕТКИ
вались кислой реакцией. Лишь в середине архея состав воды древних океанов стал приближаться к современному4. Кислоты нейтрализовались, подвергаясь воздействию силикатов осадочных отложений и других соединений щелочных и щёлочноземельных элементов (К, Са, Mg). Отличался от современного и состав атмосферы, возникшей позже литосферы и являющейся по отношению к ней вторичной. Характерный для современной атмосферы молекулярный кислород практически отсутствовал. Только небольшое его количество могло возникнуть при распаде паров воды под действием коротковолновых ультрафиолетовых лучей. Весь имеющийся в атмосфере кислород поглощался ненасыщенными в отношении него горными породами. До образования биогенного кислорода ранняя атмосфера Земли была лишена свободного кислорода и носила восстановительный характер.
В теории А.И. Опарина всё было хорошо продумано, кроме одной проблемы, на которую долго закрывали глаза почти все специалисты в области происхождения жизни: как могли копироваться белковые молекулы и как могла передаваться информация последующим поколениям живого вещества?
По мнению академика А.С. Спирина5, все начиналось вовсе не с белков, а с РНК - рибонуклеиновой кислоты, полимера родственного ДНК. РНК обеспечивает возможность воспроизведения полимера, его микроструктуры. Поэтому только нуклеиновые кислоты, но не белки, могут быть генетическим материалом, то есть воспроизводимыми молекулами, повторяющими свою специфическую микроструктуру в поколениях. Существует несколько типов РНК:
• матричные РНК отвечают за процесс транскрипции;
• транспортные РНК перемещают к рибосоме аминокислоты (рибосома - важнейший немембраннный органоид живой
4 Опарин А.И. Материя ^ жизнь ^ интеллект.
М.: Наука. 1977.
5Спирин А.С. Биосинтез белков, мир РНК и происхождение жизни // Вестник РАН. 2001. Т. 71, № 4.
АБИОГЕННЫЕ РИБОНУКЛЕОТИДЫ * ;
ОЛИГОРИБОНУКЛЕОТИДЫ, трансэстерификация
I ~
ПОЛИРИБОНУКЛЕОТИДЫ
I
Каталитические активности (рибозимы)
I
Самопроцессирующиеся и самореплицирующиеся
молекулы РНК
* -
Синтез белка i
КОАЦЕРВАТЫ
КЛЕТКИ
Рис. 2.
Схематичное представление пути происхождения жизни согласно современной концепции первичности мира РНК (см. сноску 5).
клетки сферической или слегка эллипсоидной формы, диаметром 10-20 нм, состоящий из большой и малой субъединиц; рибосомы служат для биосинтеза белка из аминокислот по заданной матрице на основе генетической информации,предоставляемой матричной РНК, или мРНК, этот процесс называется трансляцией);
• рибосомные РНК отвечают за процесс трансляции;
• микроРНК выполняют регуляторную функцию и функцию репрессии (пресечения действия)генов.
Сейчас так называемая центральная догма молекулярной биологии может быть изображена следующим образом: ДНК ^ РНК ^ белок. Смысл этой догмы состоит в том, что генетическая информация, записанная в ДНК, реализуется в виде белков, но не непосредственно, а через посредство родственного полимера - рибонуклеиновую кислоту (РНК).
Академиком В.Н. Пармоном6 выдвинута гипотеза об одновременном образовании органического вещества и планет солнечной системы. Смысл гипотезы в
6 Пармон В.Н. Новое в теории происхождения
жизни //Химия и жизнь. 2005. № 5.
том, что газопылевое облако, вращавшееся вокруг Протосолнца, было своего рода химическим реактором, в котором происходило интенсивное образование органических веществ. Более того, именно благодаря этим веществам материя из облака сформировалась в планеты. Считается, что если тело порядка 1000 км в диаметре столкнётся с телом меньшего размера, его осколки притянутся, но при столкновении с телом диаметром порядка нескольких сотен километров не смогут ни укрупниться, ни поглотиться. Органические молекулы стали клеем, способствовавшим быстрому слипанию пылинок, из которых образовались крупные частицы, а потом и астероиды и планеты. Пылинки протопланетного пылевого облака содержали в избытке железо, никель и кремний. Такая комбинация веществ характерна для катализаторов синтеза углеводородов в реакции Фи-шера-Трошпа. Это реакция, проходящая в присутствии катализатора, нужна для получения углеводородов, в том числе нефти. Исходными реагентами являются водород и угарный газ, которые также в избытке присутствовали в протопланет-ном облаке. Сразу после того, как планеты сформировались, на Земле начался физико-химический процесс, породивший жизнь.
Не вдаваясь в подробности этой космической теории, можно сказать, что участие литосферы в становлении и развитии жизни на Земле очевидно. Состав первородных пылинок (железо, никель и кремний) близок к составу литосферы, а физико-химические процессы, породившие жизнь, происходили на поверхности и в верхних горизонтах литосферы.
Литосфера - как возможное место перехода от неживой материи к живой. Где образовалось живое вещество? На этот счёт существует несколько точек зрения, включая космическую. Если остановиться на позиции, что жизнь сформировалась на Земле, то, упрощая сложные научные формулировки, можно назвать две версии: (1) переход произошёл в процессе работы вулканов ("на вулкане") и (2) переход произошёл "на глине".
Приверженцем первого "вулканического" способа перехода от неживой мате-
рии к живой является Е.К. Мархинин7. Он писал: "Вулканические извержения были первым шагом, который природа сделала на пути от неживой материи к живой, так как именно вулканы явились теми гигантскими хими
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.