CC BY
113
АСТРАХАНСКИЙ ВЕСТНИК ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ
№ 1 (23) 2013. с. 113-127.
УДК 628.1.033+663.64
ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ ВОДЫ И ЕЕ ТЕМПЕРАТУРА В ПРОЦЕССЕ ЭВОЛЮЦИОННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ И ЖИВОЙ МАТЕРИИ
Игнат Игнатов,
Научно-исследовательский центр медицинской биофизики (НИЦМБ), 1111, София, ул.
Н. Коперника, 6, Болгария mbiophCa dir. bg
Олег Викторович Мосин Московский государственный университет прикладной биотехнологии, 109316, Москва, ул. Талалихина, д. 33 mosin-oleg@yandex.ru
дейтерий, тяжелая вода, гидросфера, эволюция
В статье обсуждается значение воды и изотопный состав водной среды в процессе эволюционного происхождения жизни. Рассмотрен синтез наиболее важных органических молекул аминокислот, протеинов и нуклеиновых кислот из неорганических молекул, а также возможные реакции, протекающие в первичной водной гидросфере. Методом ИК-спектроскопии исследованы образцы горячей минеральной, морской и горной воды из различных источников Болгарии. Высказано предположение, что в условиях первичной бескислородной атмосферы, лишенной озонового слоя, под воздействием геотермальной энергии, коротковолнового излучения Солнца и мощных искровых разрядов, в гидросфере древней Земли могла образовываться и накапливаться тяжелая вода (D2O), физико-химические свойства которой значительно отличаются от свойств обычной воды. Этот факт может наложить существенный отпечаток на представления о ранних этапах эволюции жизни и ее возникновения в условиях повышенных температур и повышенного содержания дейтерия.
ISOTOPIC COMPOSITION OF WATER AND ITS TEMPERATURE IN THE EVOLUTIONARY ORIGIN OF LIFE AND LIVING MATTER
I. Ignatov
Scientific Research Center of Medical Biophysics (SRCMB), 1111, Sofia, N.
Kopernik, 6, Bulgaria mbioph@dir.bg
О.У. Mosin
Moscow State university of applied biotechnology, 109316, Moscow,
Talalikhina, 33 mosin-oleg@yandex.ru
deuterium, heavy water, hydrosphere, evolution
In the present paper the essence of water and isotopic structure of water during a process of origin of life is investigated. Synthesis of the most important organic molecules such as amino acids, proteins and nuckleic acids from inorganic molecules in conditions of an oxygen-free atmosphere of ancient earth together with possible reactions accompanying their synthesis is considered. It was performed experiments for the research of hot mineral, sea and mountain water from Bulgaria with IR spectroscopy. It was proposed an assumption, that in conditions of the primary oxygen-free atmosphere, deprived an oxygene-ozone layer, under influence of geothermal energy, short-wave radiation of the Sun and powerful spark discharges, in hydrosphere of the ancient Earth heavy water (D2O) could be formed and collected, which physical and chemical properties considerably differ from properties of usual water. This fact can imprint an essential impact on representations about early stages of evolution of life and its occurrence in conditions of the increased temperatures and the increased contents of deuterium.
ВВЕДЕНИЕ
Природная распространённость изотопа водорода дейтерия (D) составляет 0,015 ат.% D (от общего числа всех атомов водорода) [1]. Источником дейтерия во Вселенной являются вспышки сверхновых звёзд и термоядерные процессы, идущие внутри звёзд. Возможно, этим объясняется тот факт, что мировое количество дейтерия повышается в период глобальных потеплений и изменений климата. Гравитационное поле Земли недостаточно сильное для удержания лёгкого водорода, и наша планета постепенно теряет водород в результате его диссоциации в межпланетное пространство. Водород улетучивается быстрее тяжелого дейтерия, способного накапливаться в гидросфере Земли. Поэтому в результате этого природного процесса фракционирования изотопов H/D в процессе эволюции Земли должно происходить накопление дейтерия в поверхностных водах, в то время как в атмосфере и в водяном паре содержание дейтерия низкое. Таким образом, на планете происходит масштабный природный процесс разделения изотопов H и D, играющий существенный роль в поддержании жизни.
Соотношение D/H (изотопные сдвиги, 5, ppm) по международному стандарту SMOW, соответствующему стабильной по изотопному составу воде Мирового океана, составляет: D/H = (155,76±0,05) . 10-6 (155,76 ppm) [2]. По международному стандарту природной воды из Антарктики SLAP соотношение D/H в воде составляет D/H = 89 . 10 6 (89 ppm).
Для природных вод чаще всего характерны отрицательные отклонения от SMOW на (1,0—1,5) 10-5, в отдельных случаях до (6,0-6,7) 10-5, но встречаются и положительные отклонения до 2,010-5. В среднем в природных водах соотношение D/H составляет 1:5700. Дейтерий в природных водах распределен неравномерно: варьируя от 0,015 ат.% D для воды из Антарктического льда, до 0,02-0,03 ат.% D для речной и морской воды. Талая вода и горная вода, полученная за счет таяния ледников содержит на 3-5% меньше дейтерия, чем речная вода. В среднем, в 1 тонне речной воды содержится 150-300 г. дейтерия. Воды других подземных и поверхностных источников содержат разное количество дейтерия от 5 = +5,0 D,%, SMOW (Средиземное море) до to 5 = -105 D,%, SMOW (река Волга).
Раннее авторами было высказано предположение, что первичная вода на ранних стадиях эволюции содержала больше дейтерия и он был распространен неравномерно в атмосфере и гидросфере [3]. Как известно, первичная атмосфера Земли обладала восстановительными свойствами и состояла, в основном, из смеси газов - CO, Н2, N2, NH3 и CH4. В условиях восстановительной атмосферы отсутствовал защитный кислородно -озоновый слой, экранирующий поверхность Земли от жесткого коротковолнового солнечного излучения, несущего большую энергию, способного вызвать фотолиз и радиолиз воды. Процессами, сопровождающими накопление дейтерия в гидросфере
признаны радиационное излучение, вулканические геотермальные процессы и электрические разряды в атмосфере. Эти природные процессы могли явиться результатом обогащения гидросферы дейтерием в форме HDO, которая испаряется медленнее обычной воды, а конденсируется быстрее. Формирование HDO происходит в смесях D 2O-H2O за счет реакций диссоциации и изотопного (H-D) обмена: H2O + D2O = 2HDO. Поэтому при низких концентрациях дейтерий присутствует в воде в форме HDO, а при высоких - в форме D2O. Строение молекул D2O такое же, как молекул Н20, с очень малым различием в значениях длин ковалентных связей и углов между ними. D2O кипит при 101,440С, замерзает при 3,820С, имеет плотность при 200С 1,1053 г/см3, причём максимум плотности приходится не на 40С, как у Н20, а на 11,20С (1,1060 г/см3). Эти эффекты отражаются на энергии химической связи, кинетике и скорости химических реакций в D 2O. Протолитические реакции и биохимические процессы в D2O значительно замедлены. Однако существуют и такие реакции, скорость которых в D2O выше, чем в Н20. В основном это реакции, катализируемые ионами D30 или Н3О или OD- и ОН-. Согласно теории абсолютных скоростей разрыв С-Н-связей может происходить быстрее, чем С-D-связей, подвижность иона D30+ меньше, чем подвижность Н3О+, константа ионизации D2O меньше константы ионизации H2O. Это означает, что в первичной воде самоорганизующиеся дейтерированные структуры могли существовать дольше во времени, чем протонированные формы. Существуют достаточные основания предполагать, что в ту эпоху существовал процесс структурирования в водной среде органических молекул, поскольку структурирующее свойства и стабилизирующее воздействие D2O на химические связи из-за изотопных эффектов D несколько более выражены, чем у H2O [4]. Самые большие изотопные эффекты в разнице констант скоростей химических реакций с соотношением k^/kd = 6-8 наблюдаются в D2O для C-H/C-D, N-H/N-D и O-H/O-D связей [5].
Дейтерированные клетки различных микроорганизмов, адаптированные к максимальным концентрациям D2O в ростовых средах (95-98 об.% D) являются удобными объектами для прогнозирования условий эволюции и адаптации, а также изучения структуры и конформации клеточных природных соединений и молекулярной организации клетки методом ЯМР-спектроскопии. В процессе роста в D2O в клетках синтезируются молекулы протеинов и ДНК, атомы водорода в углеродных скелетах которых почти полностью замещены на дейтерий. Такие дейтерированные макромолекулы претерпевают структурно-конформационные изменения, необходимые для их функционирования в D2O.
Интерес к дальнейшему использованию дейтерированных клеток микроорганизмов в исследованиях на их основе механизмов клеточной адаптации к D2O и молекулярной эволюции, предопределил направление наших исследований. Целью настоящей работы являлось изучение изотопных эффектов дейтерия в биологических системах с D2O и прогнозированию условий первичной гидросферы (температура, значение рН, изотопный состав), в которых зародились первые формы жизни.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Объекты исследования и методы
Исследования проводились с клетками прокариот и эукариот, реализующими метилотрофный (облигатные и факультативные метилотрофные бактерии - Brevibacterium methylicum, Methylobacillus flagellatum), хемогетеротрофный (Bacillus subtilis), фотоорганогетеротрофный (галобактерия Halobacterium halobium) и фотосинтетический (сине-зеленая водоросль Chlorella vulgaris) пути ассимиляции субстратов, и с образцами воды различного происхождения (Болгария).
Образцы воды для их исследования методом ИК-спектроскопии были взяты из различных источников Болгарии:
1 - минеральная вода местечка Рупайт (Болгария);
3 - морская вода (курорт Варна, Болгария);
4 - горная вода (Тетевен, Болгария);
Также был исследован сок кактуса Echinopsispachanoi методом ИК-спектроскопии.
Для приготовления ростовых сред использовали D2O (99,8 ат.% D), DQ (95,5 ат.% D) и [0]метанол (97,5 ат.% D), полученные из Российского научно-исследовательского центра “Изотоп” (Санкт-Петербург, РФ). Неорганические соли предварительно перекристаллизовывали в D20, D2O дистиллировали над KMnO4 с последующим контролем изотопной чистоты 1НЯМР-спектроскопией на приборе Brucker WM-250 (“Brucker”, ФРГ) (рабочая частота 70 МГц, внутренний стандарт Me4Si).
Для выращивания клеток и изучения адаптации использовали жидкие и агаризованные (2%-ный агар) ростовые среды со ступенчато увеличивающейся концентрацией D2O (от 0; 24,5; 49,0; 73,5 до 98% D2O). Выращивание метилотрофов и хемогетеротрофов проводили при 34-35 0С в колбах Эрленмейера вместимостью 250 мл с наполнением средой до 50 мл в условиях интенсивной аэрации, используя в качестве источников дейтерия D2O и [0]метанол. Фотоорганогетеротрофы и сине -зеленые микроводоросли выращивали при 38 0С при освещении лампами дневного света ЛБ -40. Бактериальный рост определяли по способности к образованию отдельных колоний на поверхности твердых агаризованных (2%-ный агар) сред, а также по величине ОП суспензии клеток, измеренной на спектрофотометре Beckman DU-6 (“Beckman”, США) при X 620 нм.
Уровни включения дейтерия определяли на импульсном масс -спектрометре VG-70 SEQ (“Fisons VG Analytical”, США), снабженным цезиевым источником Cs+ на глицериновой матрице с ускоряющим напряжением 5 кВ и ионным током 0,6-0,8 мА и 1НЯМР-спектроскопией на приборе Brucker WM -250 (“Brucker”, ФРГ) (рабочая частота 70 МГц, внутренний стандарт Me4Si).
ИК-спектры образцов воды регистрировали на Фурье -ИК спектрометре Brucker Vertex (“Brucker”, ФРГ) (спектральный диапазон: средний ИК - 370-7800 см-1; видимый -2500-8000 см-1; разрешение - 0,5 см-1; точность волнового числа - 0,1 см-1 на 2000 см-1).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Мы исследовали изотопные эффекты дейтерия в прокариотических и эукариотических клетках различных таксономических групп микроорганизмов, реализующих метилотрофный, хемогетеротрофный, фотоорганотрофный и биосинтетический пути ассимиляции субстратов (облигатные и факультативные метилотрофные бактерии, хемогетеротрофные бактерии, галобактерии, синезеленые водоросли) методами 1Н-ЯМР-, ИК- и масс спектрометрии. Для адаптации клеток к Б20 разработан метод ступенчатой адаптации за счет рассева исходных клеток на твердые (2%-ный агар) питательные среды при ступенчатом увеличении градиента концентрации Б20 (от 0; 24,5; 49,0; 73,5 до 98% Б20) и последующей селекции устойчивых к Б20 клеток. Выросшие на средах с низким градиентом концентрации Б2О клетки переносили на среды с большим градиентом концентрации, вплоть до 98% Б2О. В результате на максимально дейтерированных средах с 98% Б2О получены адаптированные к Б2О клетки, весь биологический материал которых вместо водорода содержит дейтерий. Уровень выживаемости клеток на 98% Б2О составил не более 40%.
Показано, что эффекты, наблюдаемые при адаптации клетки к D20 носят комплексный многофакторный характер и связаны с изменениями морфологических, цитологических и физиологических параметров - величины лаг-периода, времени
клеточной генерации, выходов биомассы, соотношения синтезируемых аминокислот, белков, нуклеозидов, сахаров и липидов при росте в D2O, а также с уровнем эволюционной организации исследуемого объекта. Общей особенностью изученных микроорганизмов при росте в D2О является пропорциональное увеличение продолжительности лаг-периода и времени клеточной генерации при уменьшении выходов микробной биомассы. Полученные свидетельствуют о том, что клетка реализует особые адаптивные механизмы, способствующие функциональной реорганизации работы жизненно-важных систем в D2О. Наиболее чувствительными к замене Н+ на D+признаны аппарат биосинтеза макромолекул и дыхательная цепь, т. е. те клеточные системы, использующие высокие скорости образования и разрыва водородных связей. Данный факт позволяет рассматривать биологическое воздействие D 2О как комплексное воздействие, действующему одновременно на функциональное состояние большого числа систем: метаболизм, биосинтетические процессы, транспорт веществ, структуру и функции макромолекул. Также возможно, что в процессе адаптации к D 20 изменяется соотношения основных клеточных метаболитов. Кроме того, присутствие дейтерия вызывает физиологические, морфологические и цитологические изменения в клетках изученных микроорганизмов, что в конечном итоге приводит к формированию в D20 крупных атипичных клеток, состоящих из плотно упакованных мембран, наподобие мезосом, имеющих в 2-3 раза более толстую клеточную стенку; чем протонированные клетки с неравномерным распределением ДНК [6, 7]. Полученные данные, в целом, подтверждают устойчивое представление о том, что адаптация к D2О является фенотипическим явлением, поскольку адаптированные к D2O клетки возвращаются после их переноса на обычную водную среду к нормальному росту после некоторого лаг-периода. В то же время эффект обратимости роста на Н20/020-средах не исключает возможности того, что определенный генотип детерминирует проявление одного и того же фенотипического признака в средах различного изотопного состава.
Как показали наши исследования, чувствительность различных биологических объектов к D2O различная. Клетки животных способны выдерживать до 25-30% Б20, растений - 60% Б20, а клетки простейших микроорганизмов - 90% Б20 (рис. 1).
Содержание дейтерия в воде, %
Рис. 1. Выживаемость различных организмов в воде с различными содержаниями дейтерия (по данным экспериментальных исследований авторов)
В процессе клеточной адаптации к D2O наиболее важными для структуры макромолекулы являются динамические короткоживущие водородные (дейтериевые) связи. Они формируются между соседними атомами дейтерия (водорода) и гетероатомами О, С, N, S и D2O из окружающей среды и играют существенную роль в поддержании пространственной структуры макромолекул и в межмолекулярных взаимодействиях. Замещение атомов водорода дейтерием изменяет конформацию и стабильность водородных (дейтериевых) связей в макромолекулах протеинов и ДНК, способствующих поддержанию их структуры и стабильности. Связи, сформированные атомами дейтерия различаются по прочности и энергии от аналогичных водородных связей. Различия в нуклеарной массе атома H и D могут служить причиной различий в синтезах нуклеиновых кислот, которые могут приводить к структурным различиям и к функциональным изменениям в клетке. Ферментативные функции и структура синтезируемых белков также изменяются при росте клеток в D2O, что может отразиться на процессах метаболизма и деления клетки. Другое важное свойство определяется пространственной структурой D 2O, имеющей тенденцию сближать гидрофобные группы макромолекул, чтобы минимизировать их эффект на водородную (дейтериевую) связь в присутствии молекул D2O. Поэтому структура макромолекул белков и нуклеиновых кислот в D20 несколько стабилизируется [8]. При помещении клеток биологических объектов в D 2O, из них не только удаляется протонированная вода за счет реакции обмена H20-D20, но и происходит быстрый изотопный (H-D) обмен в гидроксильных (-ОН), сульфгидрильных (-SH) и аминогруппах (-NH2) всех органических соединений, включая белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. Известно, что в этих условиях только ковалентная С-Н связь не подвергается изотопному обмену и вследствие этого только соединения со связями типа С-D могут синтезироваться de novo [9].
100
90
80
70
60
Биологические эксперименты с D2O дают возможность лучше прогнозировать условия, при которых зародилась жизнь. Маловероятно, что жизнь могла возникнуть в хаотической неинформационной воде. Живые организмы и вода являются сложными, самоорганизующимися системами с характерной структурой. Самыми благоприятными для зарождения жизни признаны минеральные воды, взаимодействующие с СаСО3, а затем морские воды [10, 11]. Циркулируя в полостях, микротрещинах и каналах, воды карстовых источников обогащаются Са(НСО3)2, активно взаимодействующим с органическим веществом и могут содержать информацию о жизни в более поздние геологические периоды. При этом самоорганизация первичных органических соединений в водной среде поддерживалась термальной энергией магмы, вулканической деятельностью и солнечной активностью.
Нами были проведены эксперименты по исследованию минеральной, морской и горной воды из Болгарии ИК-спектроскопией методом дифференциально неравновесного энергетического спектрального анализа (ДНЭС) относительно контроля -«деионизированной» воды (рис. 2, кривые 1-5, таблица). В ходе эксперименты были исследованы образцы воды из карстовых источников. Также методом ДНЭС были исследованы ИК-спектры сока кактуса (рис. 2, кривая 1). Кактус был выбран в качестве модельной системы, потому что растение содержит около 90 масс.% воды. Полученные данные продемонстрировали, что наиболее близким к ИК -спектру сока кактуса являлся ИК-спектр минеральной воды, контактирующей с СаСО3 (рис. 2, кривая 2). Аналогичный ИК-спектр имеют карстовые воды (рис. 2, кривая 4). При этом наиболее близкий к ИК-спектру сока кактуса (рис. 2, кривая 1) имел ИК-спектр карстовых вод, взаимодействующих с минеральной водой. Так, ИК-спектры сока растений, минеральная вода и вода карстовых источников, взаимодействующих с СаСО 3, имели значения пиков ИК-спектров при -0,1112; -0,1187; -0,1262; -0,1287 и -0,1387 эВ, соответственно. Подобные пики в ИК-спектре между соком растений, горной и морской водой детектировались при -0,1362 эВ. ИК-спектр контрольного образца деионизированной воды (рис. 2, кривая 5) существенно отличался от ИК-спектра морской минеральной и горной воды. Методом ДНЭС были измерены величины средней энергии (ДЕН...0) водородных Н...О-связей между молекулами Н20 в процессе формирования кластерных ассоциатов формулы (Н20)п, составляющие -0,1067±0,0011 эВ.
Рис. 2. Дифференциальные неравновесные энергетические спектры (ДНЭС) образцов воды различного происхождения: 1 - сок кактуса; 2 - минеральная вода местечка Рупайт (Болгария); 3 - морская вода (курорт Варна, Болгария); 4 - горная вода (Тетевен, Болгария); 5 - деионизированная вода (контроль)
Таблица 1.
Характеристики ИК-спектров (ДНЭС-метод) воды различного происхождения
-Е (еУ) Сок кактуса -Е (еУ) Минеральная вода Рупайт -Е (еУ) Морская вода ЦІ11 ст-1
0,1112 0,1112 - 11,15 897
0,1187 0,1187 - 10,45 957
0,1262 0,1262 - 9,83 1017
0,1287 0,1287 - 9,64 1037
0,1362 - 0,1362 9,10 1099
0,1387 0,1387 - 8,95 1117
Примечание: Функция распределения по энергиям Дf измеряется в электронвольтах (эВ-). Показано при каких значениях спектра -Е в эВ наблюдаются самые большие локальные максимумы этой функции
Согласно полученным данным, при изменении температуры воды средняя энергия водородных Н...0 связей в ассоциатах молекул Н20 изменяется. Эти данные свидетельствуют о том, что возникновение жизни зависит как от структуры и свойств воды, так и от внешних факторов - температуры и значения рН. Данным условиям наиболее лучше удовлетворяет взаимодействующая с СаСО3 минеральная вода. Затем по качеству следует горная вода. В теплых и горячих минеральных водах ИК -пики в
неравновесном энергетическом ИК-спектре более выражены по сравнению с ИК -пиками, полученными в той же воде с более низкой температурой. Это показывает на большую энергию для сохранения самоорганизованных структур во времени. Спектральный диапазон находился в среднем ИК-диапазоне от 8 до 14 мкм. Предполагается, что существует окно прозрачности земной атмосферы для электромагнитной радиации в среднем ИК-диапазоне. В этом интервале энергия излучается от Солнца к Земле, и от Земли в окружающее пространство.
Вероятность происхождения жизни является наиболее большой в теплой и горячей воде с определенной структурой. При рассмотрении природных процессов самоорганизации существует интересный феномен, найденный в карстовых источниках местечка Златна Панега, Тетевен (Болгария). Обитающие там сине-зеленые водоросли окружены пузырьками диаметром 3-5 мм, время существования которых составляет от нескольких часов до дней. Вода, ИК-спектр которой аналогичен ИК -спектру сока растений, имеет тенденцию сохранять самоорганизацирующие структуры. При добавлении к раствору пектинов катионов Са2+, раствор принимает желатинизорованную структуру, поскольку катионы Са2+ обладают способностью связывания с молекулами пектина с формированием комплексов. Очевидно, эти комплексы играют существенную роль в объединении различных компонентов клеточной мембраны и влияют на ее компактность и прочность.
В этой связи важны следующие реакции:
(1) СО2 + 4Н2Б + О2 = СН2О + 4Б + 3Н20
(2) СаСО3+ НОН + СО2 = Са(НСО3)2
(3) С02 + ОН' = НСО3'
(4) 2НС03- + Са2+ = СаС03 + С02 + Н20
Уравнение (1) показывает, что некоторые хемосинтетические бактерии используют энергию, полученную в результате окисления Н^ до S. Уравнение (2) связано с одним из самых распространенных процессов в природе - формированием Са(НСО3)2 из СаСО3 в присутствии Н2О и СО2. При наличии гидроксил ОН" ионов СО2 превращается в НСО3" (3 уравнение). Уравнение (4) показывает процессы, сопровождающие формирование строматолитов - древнейших известковых (доломитовых) ископаемых докембрийского периода.
Экспериментальные данные подтвержают, что жизнь возникла в горячей минеральной воде с повышенным содержанием дейтерия. Это также может служить подтверждением возможного пути перехода от синтеза малых органических молекул за счет энергии УФ-излучения Солнца к более сложным органическим молекулам протеинов и нуклеиновых кислот. Молекулы протеинов построены из одной или нескольких полипептидных цепей, состоящие из большого числа различных а-аминокислот, связанных друг с другом посредством пептидной (-С0-ЫН-) связи. Их последующая конденсация в полипептидные цепи может произойти в определенных условиях, после их образования. Важным фактором в реакции конденсации двух молекул аминокислот является выделение молекулы Н2О. Поскольку реакция поликонденсации аминокислот сопровождается дегидратацией, при удалении Н2О из системы скорость химической реакции увеличивается. Этот факт свидетельствует о том, что раннее развитие жизни происходило вблизи действующих вулканов, поскольку в ранние периоды геологической истории вулканическая деятельность происходила более активно, чем в последующие геологические времена. Дегидратация сопровождает не только полимеризацию аминокислот, но и объединение других блоков в более крупные органические молекулы, а также полимеризацию нуклеотидов в нуклеиновой кислоты. Такое объединение всегда связано с реакцией конденсации, при которой от одного блока "отщепляется" протон Н+, а от другого - гидроксильная группа ОН" с образованием молекулы Н2О.
Рис. 3. Реакции конденсации и дегидратации, катализируемые HCN и ее производными, приводящие к образованию из отдельных молекул более крупных органических молекул. Верхние три уравнения: конденсация и последующая полимеризация аминокислот в протеины, углеводов в полисахариды и кислот и спиртов в липиды. Нижнее уравнение - конденсация аденина с рибозой и Н3РО3, приводящая к образованию нуклеотида [14]
Впервые возможность существования реакций конденсации-дегидратации в условиях первичной гидросферы под воздействием синильной кислоты (НСК) и ее производных - цианамида (НЫСК2) и дицианамида Н№(СК)2, доказал Кальвин в 1965 году [12]. НСК, НКСК2 и НЫ~(СК)2 обладают дегидратирующей способностью и способностью катализировать процесс связывания молекулы Н2О первичной гидросферы [13]. На присутствие НСК в первичной гидросфере указывают и ранние эксперименты С. Миллера. В присутствии НСК и цианамидов конденсация отдельных блоков, сопровождаемая дегидратацией, происходит при нормальных температурах в сильно разбавленных водных растворах (рис. 3). Реакции поликонденсации аминокислот в присутствии НСК и ее производных зависят от кислотности водных растворов, в которых они протекают [14]. В кислых водных средах (рН 4-6) эти реакции не идут, тогда как щелочные условия (рН 8-9) способствуют их протеканию. В настоящее время не
существует однозначного мнения, имел ли первичныи океан щелочной состав, но вероятно, что именно таким значением рН обладала озерная и минеральная вода, соприкасавшаяся с базальтом, и эти реакции могли происходить при контакте воды с базальтовыми породами.
В синтезе органических молекул могли использоваться другие источники энергии, в т.ч. геотермальные. Так, в растворах формальдегида с гидроксиламином, формальдегида с гидразином и в водных растворах, содержащих НС^ после нагрева реакционной смеси до 95 0С в конце опыта обнаруживались аминокислоты [15]. В других экспериментах продукты реакции полимеризовались в пептидные цепи, что является важным этапом на пути к неорганическому синтезу белка. В реакционной смеси с раствором HCN в водном КНз также образовывались более сложные соединения, входящие в состав нуклеиновых кислот - азотистые основания пурины и пиримидины (рис. 4) [16].
Рис. 4. Предполагаемые механизмы образования пуринов - аденина, гуанина и ксантина из водной смеси КН3 и HCN (вверху) и аденина из водной смеси NHз-HCN (внизу) при +95 0С. (суммарная реакция: 5HCN = аденин). Промежуточные продукты синтеза - 4-аминоимидазол-5-карбоксамидин и 4-аминоимидазол-5-карбоксамин детектировались в растворе
В модельных условиях первичной гидросферы безводную смесь аминокислот подвергали воздействию температур от 600С до 1700С с образованием коротких белковоподобных соединений, обозначаемых термическими протеиноидами. Наилучшие результаты по поликонденсации получались со смесями аминокислот, содержащими аспарагиновую и глутаминовую кислоты, относящиеся к числу незаменимых аминокислот, встречающихся во всех современных организмах. Термические протеиноиды состоят из крупных молекул с молекулярной массой до 300000, состоящих из тех же аминокислот, что и природные белки. По количественному составу они содержат 18 из 22 аминокислот, обычно встречающихся у современных организмов, что соответствует общему определению белка [17]. С природным белком протеиноиды сходны и по ряду других важных свойств: по связыванию полинуклеотидов, по пригодности в пищу бактериям и крысам, по способности вызывать реакции, сходные с теми, которые катализируются ферментами в живых организмах. Синтетические протеиноиды способны каталитически расщеплять глюкозу [18] и оказывать действие аналогичное действию меланоцитстимулирующего гормона [19]. Другим важным свойством протеиноиноидов является их гетерогенность: т. е. последовательность аминокислот в их пептидных цепях не случайна, а, напротив, закономерна. При промывке
горячей смеси протеиноидов водой или водными растворами солей, в водной среде образуются элементарные мембраноподобные микросферы с диаметром 5-10 мкм. [20]. По морфологическим особенностям микросферы напоминают мембрану клетки, которая может быть двойной.
Образование протеноидных микросфер из смеси искусственных протеинов важно, поскольку дает материал о следующем этапе эволюции жизни. Это этап от разрозненных органических молекул к группам организованных молекул - коорцерватам, собранным в отдельные структуры и отделенными от окружающего мира примитивной мембраной -аналогом мембраны клетки, что было впервые продемонстрировано выдающимся Российским ученым академиком А. И. Опариным [21].
С учетом вышеназванных факторов происхождение жизни выглядит следующим образом. Начальным этапом эволюции, по -видимому, было образование в первичной гидросфере и насыщенной водяными парами атмосфере при высоких температурах аминокислот и азотистых соединений - аналогов нуклеиновых кислот. Такой синтез возможен в условиях восстановительной атмосферы при наличии в водной среде H 3PO3 и воздействии электрических разрядов, ультрафиолетового излучения и высоких температур. Следующим этапом является поликонденсация аминокислот в термические протеиноиды при температурах 65-1700С в присутствии H3PO3 и фосфатов при наличии в водной смеси достаточных количеств аспарагиновой и глутаминовой кислот. Затем в смеси термических протеиноидов при воздействии на них водой или кислыми водными растворами (дождем) образуются протеиноидные микросферы - предшественники первых клеток, обладающие каталитической активностью. Способность термических протеиноидов к выполнению некоторых функций, сходных с функциями ферментов живых организмов, выражается в том, что они способны в присутствии катионов Zn2+ расщеплять АТФ, т. е. обладают слабой ферментативной активностью [22]. Впоследствии у микросфер могла появиться способность к синтезу РНК, которые могли случайным образом кодировать короткие белки. Подтверждением того, что жизнь образовалась в горячей воде служат недавние исследования Т. Сугавары, который, воздействуя на водную смесь органических молекул, ДНК и протеинов при +950С, получил т.н. протоклетки, обладающие элементарной мембраной [23].
В 2010 г. Д. Вардо описал ископаемые строматолиты Йеллоустонского национального парка США [24]. Были изучены микроорганизмы, формирующие строматолиты в горячей воде аналогично древним организмам в зонах вулканической активности, нагреваемых магмой. Этот факт является подтверждением нашей гипотезы, основанной на биофизических исследованиях происхождения жизни в теплых и горячих минеральных водах и гейзерах с повышенным содержанием дейтерия. В июне 2010 г. сообщение на данную тему было опубликовано авторами на конгрессе Euromedica в Ганновере (Германии). В сентябре 2010 г, американские ученые Стокбриддж, Льюис, Yung Юань и Wolfenden опубликовали статью “Возникла ли жизнь в горячей воде?”, в которой была продемонстрирована вероятность протекания более быстрых биохимических реакций в горячей воде.
В 2011 г. группа ученых из Лаборатории геологии в Лионе (Франция), под руководством Мари-Лор Понс, исследовали некоторые из самых старых скал планеты и обнаружили минерал серпентин. Еще раньше считалось, что первые органические формы появились вблизи гейзеров. Французские ученые показали, что вода в Гренландии была богата карбонатами, имела щелочной показатель рН, а температура находилась в пределах 100-170°C. [25]. Геотермические и вулканические процессы в гейзерах могли
происходить и в море. Эти новые результаты являются подтверждением возможного зарождения жизни в горячей минеральной воде. Существенным фактом является и то, что процесс возникновения первых форм жизни был связан с карбонатами.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные данные свидетельствуют о том, что первичная вода на начальных этапах эволюции имела повышенную температуру и содержала больше дейтерия, и это является существенным фактом относительно термоустойчивости и стабильности дейтерированных макромолекул в поддержании жизни в условиях повышенных температур. Поскольку характер земной атмосферы впоследствии изменился с восстановительного на окислительный, условия на Земле изменились, что способствовало очистке гидросферы от дейтерия. Определенную роль в этом процессе могли играть карстовые породы. Очевидно, если вода содержит меньшее количество дейтерия, развитие жизни может происходить быстрее, чем в присутствии D2O. Если бы на Земле не начался естественный процесс очистки гидросферы от дейтерия, процесс эволюции замедлился. Нам представляется выбор бактерий в качестве объектов исследования наиболее целесообразным, поскольку прокариоты как стоящие на низком уровне эволюции организмы, наиболее примитивны и более приспособлены к изменчивым условиям окружающей среды.
Литература
1. Linsky J.L. D/H and nearby interstellar cloud structures, Space Science Reviews, NY: Springer Science, Business Media, 2007, V. 130, p. 367; Linsky, J.L. et al. What is the total deuterium abundance in the local Galactic disk? // Astrophysical Journal, 2007. - V. 647. - P. 1106.
2. Lis G., Wassenaar L.I., HendryM.J. High-Precision Laser Spectroscopy D/H and 18O/16O Measurements of Microliter Natural Water Samples // Anal. Chem., 2008. - V 80 (1). - P. 287-293.
3. Мосин О.В. Дейтерий, тяжелая вода, эволюция и жизнь // Водоочистка, водоподготовка, водоснабжение, 2009. - № 8. - C. 64-70.
4. Лобышев В.Н, Калиниченко Л.П. Изотопные эффекты D2O в биологических системах. - М.: Наука, 1978, 215 с.
5. Мосин О.В, Складнев Д.А., Швец В.И. Исследование физиологической адаптации бактерий на тяжёловодородной среде // Биотехнология, 1999. - № 8. - C. 16-23.
6. Мосин О.В., Игнатов И. Изотопные эффекты дейтерия в клетках бактерий и микроводорослей // Вода: химия и экология, 2012. - № 3. - C. 83-94.
7. Mosin, O. V., Shvez, V. I, Skladnev, D. A., Ignatov, I. Microbial synthesis of deuterium-labeled L-finilalanin facultative methylotroph bacterium Вrevibacterium methylicum in medium containing different concentrations of heavy water // Biopharmaceutical journal, 2012. - №. 1 - P. 32-43.
8. Vertes A. Physiological effects of heavy water. Elements and isotopes: formation, transformation, distribution. - Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., 2004, 112 p.
9. Мосин О.В, Складнев Д.А., Швец В.И. Методы получения белков и аминокислот, меченных стабильными изотопами 2Н, 13С и 15N // Биотехнология, 1996. - № 3. - C. 12-32.
10. Ignatov I. Origin of Life and Living Matter in Hot Mineral Water / Conference on the Physics, Chemistry and Biology of water, Vermont Photonics, USA, 2012.
11. Мосин О. В., Игнатов И. Структура воды и физическая реальность // Сознание и физическая реальность, 2011. - Т. 10. - № 6. - C. 16-32.
12. Кальвин М. Химическая эволюция. - М.: Мир, 1971, C. 48-50.
13. Mathews C.N., Moser R. Peptide synthesis from hydrogen-cyanide and water // Nature, 1968. - V. 215. -P. 1230-1234.
14. Abelson P. Chemical events on the"primitive earth. // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S., 1966. -V. 55. - P. 1365-1372.
15. Harada I., Fox S.W. Thermal synthesis of natural ammo-acids from a postulated primitive terrestrial atmosphere // Nature, 1964, - V. 201. - P. 335-336.
16. Ого J. Prebiological organic systems, in: S. W. Fox (ed.), The Origin of Prebiological Systems. - NY: Academic Press, 1965, P. 137-162.
17. Fox S. W., Harada K., Woods K.R., Windsor Ch.R. Amino Acid compositions of proteinoids // Archives of Biochemistry and Biophysics, 1963. - V. 102 (3). - P. 439-445.
18. Fox S.W., Krampitz G. Catalytic decomposition of glucose in aqueous solution by thermal proteinoids // Nature, 1964. - V. 203. - P. 1362-1364.
19. Fox C.W., Wang C.T. Melanocytestimulating hormone: Activity in thermal polymers of alpha-ammo acids // Science, 1968. - V. 160. - P. 547-548.
20. Nakashima T. Metabolism of proteinoid microspheres / in: Origins of Life and Evolution of Biospheres, 1987. - V.20(3-4). - P. 269-277.
21. Опарин А.И. Пути начально формирования обмена веществ и искусственное моделирование этого формирования в коауерватных каплях / в кн: С. Фокс (ред.), Происхождение предбиологических систем. -М.: Мир, 1966, 137 с.
22. Мосин О.В., Игнатов И. Осознание воды как субстанции жизни // Сознание и физическая реальность, 2011. - Т. 16. - № 12. - C. 9-20.
23. Sugawara T. et al. Self-reproduction of supramolecular giant vesicles combined with the amplification of encapsulated DNA // Nature Chemistry, 2011. - Vol. 1127. - P. 775-780.
24. Ward D. First Fossil-Makers in Hot Water // Astrobiology magazine, 2010. - №1. http://www.astrobio.net/exclusive/3418/first-fossil-makers-in-hot-water
25. Pons M.L. Early Archean serpentine mud volcanoes at Isua, Greenland, as a niche for early life // Proc. US National Acad. Sciences, 2011. - Vol. 108. - P. 17639-17643.
