10831 (Фотосинтетическая теория возникновения жизни)

5

Автор – МИФТАХОВ Зубаер Мударисович,
(биолог)

ФОТОСИНТЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ

(Теория возникновения жизни, основанная на первоначальности фотосинтеза на природных комплексных соединениях металлов и коррелятивности передачи признаков по наследству)

Ключевые моменты

– В древнейшем океане не могло быть никакого “первичного бульона” из готовых органических веществ;

– Жизнь возникла не в океане, а в пресноводном большом проточном озере;

– Зарождающаяся жизнь с самого начала должна была непрерывно подпитываться новыми дозами энергии и вещества, притом такое питание не должна была быть слишком мутагенной;

– Органическое развитие началось с фотосинтеза на природных комплексных соединениях металлов;

– Воспроизведение себе подобных в долгий первоначальный период носил коррелятивный характер (т.е. основывался на воспроизведении всего лишь немного похожих на себя);

– Жизнь возникла быстро, т.е. за очень короткое время обрела способность к активному обмену веществ и к размножению;

– Первые клетки представляли собой всего лишь мешочки с раствором органических полимеров в озерной воде.

Дефицит кислорода на древнейшей Земле. Невозможность “первичного бульона”

Вначале был только водород, более сложные химические элементы возникли только во время взрывов сверхновых звезд. Слой новых элементов в такой звезде бывает похож на тонкую скорлупку, так что, в образовавшейся после взрыва туманности водород продолжает составлять подавляющее большинство массы. При сгущении этой туманности в новую звездную систему начинаются химические реакции, и почти все они бывают реакциями соединения с водородом: образуются вода (H₂O), аммиак (NH₃), метан (CH₄), сероводород (H₂S) и т.д., а металлы образуют очень непрочные гидриды, по сути более похожие на растворы водорода в металле (или наоборот).

Когда из такой туманности образовалось и загорелось наше Солнце, легкий водород из протопланетных сгущений под действием давления света вытеснился на далекие окраины Солнечной системы, большая часть его, видимо рассеялась в межзвездное пространство, а оставшаяся сгустилась в гигантские планеты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун). Зарождающаяся Земля наверняка тоже была окружена толстым слоем водородной атмосферы; водород также интенсивно выделялся из центрального, в основном металлического сгустка, но рано или поздно, в космический масштабах очень скоро, весь этот водород улетучился в космос из-за своей необычайной легкости и подвижности.

Если не вдаваться в уже давно доказанные, не особенно касающиеся нашей темы геологические подробности, а говорить самым упрощенным образом – первоначальная Земля представляла собой большой железный шар, намоченный сверху сероводородной водой. Но вот Земля нагрелась энергией собственного уплотнения, расплавилась, и тут началась бурная реакция воды с металлом, с образованием оксидов (а также сульфидов и т.д.) и с выделением водорода. Постепенно толстый слой новых соединений отделил металлическое ядро от поверхностной воды (точнее пара), что спасло ее от окончательного израсходования. (Скажем попутно, что Марс, вероятнее всего, лишился воды именно из-за слишком сильного перемешивания своих недр вследствие малой силы притяжения.)

Однако, железо при таких бурных реакциях окисляется не полностью, не на все свои три валентности, а только на две, образуя в основном диоксид железа (FeO), который, в свою очередь, легко растворяется в воде с образованием дигидроксида железа Fe(OH)₂. – Вот это вещество как раз и является фатальным для возможного органического развития в первичном океане! Также фатальным и для “классических” “коацерватных” теорий возникновения жизни, берущих как первооснову для всего сущего так называемый “первичный бульон”. Дело в том, что в таком ядовитом, агрессивном растворе просто не могло существовать никакого “бульона”.

Рассмотрим более подробно. Раствор Fe(OH)₂, чем являлся первичный океан – это смесь зеленовато-синего, “бутылочного” цвета, обладающая весьма сильными основными, и главное – восстановительными свойствами. Недаром она ядовита для всего живого. Ее не до конца окисленные атомы железа стремятся “отобрать” кислород у всех других соединений, где только этот кислород хотя бы слегка “шатается”, т.е. недостаточно крепко связан. При удачном же стечении прочих обстоятельств, например при “помощи” солнечного света, двухвалентное железо может оторвать кислород даже от молекулы углекислого газа. Первоначальные органические молекулы океана (возможно принесенные еще с космоса, а также синтезированные во время гроз) в такой агрессивной среде очень скоро должны были потерять весь кислород, а заодно и серу. Остались бы одни только нефтеподобные насыщенные углеводороды. Хотя, их существование тоже является вопросом относительно недолгого времени – ведь соединение типа -С-С- тоже склонно “поделить” с двухвалентным железом молекулу воды, отдав ему кислород и соединив себе два атома водорода, тем самым разделившись надвое. Это энергетически выгодно... Такая реакция, правда, происходит не сразу, не бурно, молекулы “вынуждены” долго поджидать подходящего удобного момента. Но, как медная статуя медленно вступает в “невозможную” реакцию с кислородом воздуха и покрывается патиной, также медленно, но верно “испарятся” из “бутылочного” океана, в конце концов, все органические вещества. Из органики в нем останется разве только мизерное количество растворенного метана.

Напрочь отметаем, поэтому, все теории космического происхождения первичных органических веществ. Они там синтезируются, это доказано, но в горячем железном котле древнейшей Земли от них не осталось и следа.

Также исключаем из поля внимания первичный океан. Дигидроксид железа из него, как видно из геологических данных, удалилось только после достаточно сильного развития жизни, после возникновения уже т.н. “железных” бактерий. Именно в результате деятельности которых образовались огромные массивы осадочных железных руд в Австралии и в Курской магнитной аномалии. Хотя и они, возможно, являются только малой частью всего первоначального железа (может даже вторичными), основную же роль должен был играть молекулярный кислород, выделенный в атмосферу более ранними живыми (а возможно и полуживыми) существами.

Но, может быть, “первичный бульон” мог постепенно, в течение миллионов лет, накопиться в непроточных озерах? Источником новых веществ для него могли бы служить грозовые разряды... Да, некоторое накопление могло иметь место. Но, такое “убежище” для “первичного бульона” очень уж шаткое, зыбкое... Во-первых, интенсивность гроз, как и других атмосферных явлений, пропорционально температуре, а для тонкого органического развития она уже тогда должна была ненамного отличаться от нынешнего. К тому же, почти все новые вещества от грозы, кроме разве азотных, очень скоро нейтрализуются обратно. Во-вторых, геология молодой Земли не могла очень уж долго держать в нетронутом состоянии непроточное озеро. А в-третьих, это пожалуй самое главное – ураганы и смерчи физически отрывают воду из океана, пыль океанических солей постоянно витает в атмосфере, – двухвалентное железо могло таким образом понемногу попадать в любую точку Земли и подавлять слишком медленное накопление органических веществ. Конечно, жизнь могла начать развиваться и на малых концентрациях (далее об этом и будет идти речь), но дождаться “бульона” и “коацерватов” на привнесенных только извне материалах, все же, не представляется сколько-нибудь реальным. Пришлось бы слишком уж сильно “притягивать за уши”.

Свет – единственный реальный источник энергии для раннего органического развития

Очень важным является также энергетическая сторона вопроса. Непрерывное подпитывание все новыми порциями энергии – питание – является фундаментальным условием не только живой жизни, но и вообще всяких сколько-нибудь длительных химических процессов. Потому что все “самостоятельные” реакции стремятся к стабилизации, к нейтрализации, при этом еще распыляют изрядную долю энергии на выделение тепла. Какие бы ни были сложны и многообразны вещества в предполагаемом “первичном бульоне”, поэтому, без постоянной подпитки извне он очень скоро превратился бы, даже в химическом смысле слова, в мертвую жижу, без каких-либо внутренних изменений и потенциального запаса энергии. Хорошим примеров для иллюстрации этого служит обыкновенная рыбная консервная банка – там есть полный набор веществ для возникновения жизни, но консерва не только не оживает, она не меняется никак, хоть в электронный микроскоп посмотри. (Разве что с годами стремится стать однородным студнем.) Некоторые теоретики, особенно напирающие на внеземное происхождение первичной органики, часто напрочь забывают эту сторону вопроса.

К чести других, более разумных, – они стараются привлечь в свои теории хоть какие-то источники подпитки. Популярнее всего, пожалуй, грозы. Но такое призрачное “питание”, притом океана, сразу начинает требовать от органических молекул первичной жизни многих миллионов лет поджидания своей доли квантов, к сожалению. Не говоря уже о вышесказанном двухвалентном железе...

А жесткое космическое излучение еще хуже – оно скорее будет разрушать нежную органику, чем подпитывать ее свободными радикалами. Правда, на этой основе можно выдумать хорошенький сюжет для фантастики: якобы где-то под рентгеновской звездой находится большое озеро, в нем вечная пещера, а в пещере живут существа и питаются обрывками рентгеновской бомбардировки...

Есть, правда, и более реалистичные гипотезы, прятающие новую жизнь от жесткого излучения под песок, в толщу глины, или в далекие глубины... Природа многогранна, и такой вариант вроде бы заслуживает рассмотрения... Только вот, химические продукты жесткого излучения вряд ли будут менее агрессивными и разрушительными, чем само такое излучение. Кроме того, кто сказал, что древнейшая Земля изнывала под жестким излучением? На деле могло быть немного ультрафиолета, но и оно под большим сомнением – ведь озоновый слой атмосферы, служащий экраном от него, в основном образуется из-за разрушения молекул воды в высших слоях тем же самым жестким излучением. Он, вероятнее всего, был с самого начала времен.

Есть даже гипотезы, привлекающие энергию тихого скрежета сдавленных горных пород – тоже не самый худший запасной вариант у Господа Бога...

“Черные курильщики” еще туда же... Это, впрочем, весьма серьезно, почти всем условиям соответствует. Хотя, постойте, мы ведь уже исключили океан из поля внимания из-за “проклятого” двухвалентного железа... Так что, извините, отпадает...

Но есть еще всеми ясно видимый, идеальный во всех отношениях источник энергии – это обыкновенный солнечный свет. Он достаточно мягок, чтобы не разрушить даже самые нежные химические связи, особенно свойственные живому, и в то же время – несет в себе высокие заряды энергии, способные выбить электрон из орбиты атома и образовать свободный радикал, требуется только соответствующий, особый уловитель этой энергии. В наше, настоящее время, как широко известно, такими уловителями являются молекулы хлорофилла у зеленых растений, а в них ключевыми элементами “ловли” служат атомы никеля.

Возникает отсюда естественный вопрос – а не существуют ли и в неживой природе подобные же уловители, пусть даже гораздо более примитивные, низкоэффективные? Ведь их существование дало бы ключ к разрешению очень многих теоретических проблем, связанных и с накоплением органических веществ, и с подпиткой все новыми порциями энергии зарождающуюся жизнь., и с ее размещением в наиболее удобных, теплых местах, и со скоростью эволюции...

Они существуют... Более того, буквально валяются под ногами на каждом шагу.

Фотосинтез на комплексных соединениях – самый первый шаг к жизни

Дело в том, что все цветные вещества, по сути, непосредственно близко взаимодействуют со светом, раз так “неравнодушны” к малым изменениям частоты колебаний света (одних частот отражают, а других поглощают). При этом большинство тут же возвращаются в исходное положение, каждый по-своему “разделавшись” с лучом. Но есть и так называемые флоуресценты и люминесценты, которые достаточно надолго поглощают квант энергии от света, перенося свой электрон на более высокий уровень, а потом, много погодя, излучают этот квант уже в виде собственного спектра. (Сувениры, сделанные с их применением, очень долго светятся в темноте после погашения лампочки.) Водные растворы солей меди, хрома, никеля, железа, кобальта ярко светятся своим особым светом: в них электроны атома металла довольно сильно перетянуты в сторону молекул воды и легче возбуждается от фотона, “заряженный” электрон при этом весьма долго “блуждает” в водном комплексе, прежде чем излучить лишнюю энергию обратно. Но есть и более сложные комплексные соединения, вроде “красной кровяной соли”, которые способны передать возбужденный электрон в новые, устойчивые химические связи, то есть являются эффективными катализаторами. Кстати, по той самой причине весьма ядовитые... При удачном стечении обстоятельств они, хотя и редко, могут и воду с углекислым газом соединить (если, например, их молекулы тоже окажутся заранее несколько возбужденными, или столкнутся в непосредственной близости к облаку возбужденного светом электрона). Такие реакции, правда, нетипичны, их не покажешь на уроке химии, но они все же постоянно происходят. ...А для интересующего нас вопроса как раз важно не количество, а принципиальное наличие таких реакций, ведь времени у нас, вернее той древней природы, практически не ограничено. Миллион таких реакций в стакане раствора в день, к примеру, – полное ничто по степени вероятности и количеству, – но для “эксперимента” природы даст миллион опытных образцов! (На самом деле будет далеко не только миллион.)

Итак, в нашей теории мы предполагаем, что путь к возникновению жизни начался в каком-то мелком светлом водоеме, дно которого выстилали цветные пески. Атомы металла из них понемногу растворялись в воде, не это не так важно – они могли просто выступать на поверхность песчаных крупинок (для атомов и молекул – целые континенты, однако). Водоем этот, скорее всего – пресноводное озеро, чистое от ядовитого железа, проточное, чтобы избавляться от тысячелетних накоплений таких ядов, но весьма крупное, чтобы в его мелких заливах достаточно долго держались частицы зарождающейся жизни. Для этой цели сейчас хорошо подходили бы Великие озера Америки, или Ладога, может и Байкал, хотя там маловато мелководий. Таких много, и в древнем мире их должно было быть не меньше. Вот в таких местах и должны были происходить те самые единичные, случайные реакции фотосинтеза. В результате их должны были образоваться самые разные, случайные новые вещества. Если взять для примера упомянутую уже реакцию воды и углекислого газа, то при этом образуются метиловый спирт и молекула кислорода, оба очень активные реагенты для дальнейших процессов. Но это лишь самый наглядный пример, на самом же деле в той воде должны были присутствовать метан, аммиак, сероводород, соли фосфора и очень многие другие вещества, которые могли образовать и более эффективные комплексные соединения с металлами, и большое разнообразие активных веществ со “схваченной” долей энергии. Недостатка с вариантами у природе там наверняка не было.