Том 1 (Р. Эккерт - Физиология животных - механизмы и адаптации в 2-х томах), страница 7

Эксперименты, впервые поставленные Стенли Миллером в1953 г., показывают, что некоторые молекулы, необходимые для возникновенияпримитивных форм жизни, в частности аминокислоты, пептиды, нуклеиновыекислоты, образуются при воздействии электрических разрядов, подобныхмолнии, на "атмосферу", состоящую из метана, аммиака и воды; эта простаясмесь, как полагают, идентична по составу первичной атмосфере, которуюимела Земля около 4 млрд. лет назад. По-видимому, эта первичная атмосфераизмениласьзапоследующиегеологическиеэпохиврезультатежизнедеятельности растений, осуществляющих фотосинтез, которые ивыделили то огромное количество кислорода, что присутствует в атмосфере внаши дни, и которые способны использовать неорганический азот при синтезебиологическихазотсодержащихсоединений.Образованиепростыхорганических молекул в экспериментально созданных условиях, сходных стеми, которые, как полагают, были характерны для первичной атмосферы,позволяет думать, что такие молекулы могли накапливаться в древних мелкихморях, образуя органический "бульон", в котором жизнь и прошла свои первыестадии эволюционного развития.В какой мере происхождение жизни зависело от "надлежащих" условий?Могла ли появиться на Земле другая разновидность жизни, если бы химическиеи физические условия были тогда совершенно иными? А что, если бы атомауглерода не было вообще? Как мы вскоре увидим, возникновение жизни в томвиде, в котором она существует в настоящее время и в котором мы можемвообразить, зависит в значительной степени от конкретных условий среды.Иными словами, жизнь либо не возникла бы вовсе, либо очень сильноотличалась бы от теперешней, если бы некоторые фундаментальные свойстваматерии были не такими, какие они есть.Было время, когда между учеными-виталистами и механистами - велисьожесточенные споры.

Виталисты были уверены, что в основе жизни лежитособое "жизненное" начало, отсутствующее в мире неодушевленной материи, амеханисты утверждали, что жизнь в конечном счете можно объяснить спомощью законов физики и химии. Еще в начале XIX в. естествоиспытателиполагали, что по своему химическому составу живая материя принципиальноотличается от неживой. Согласно точке зрения виталиста, "органические"вещества могли произойти только из живых организмов, и это отделяло их17Рис. 2.1. Структура молекулы мочевины.таинственным образом от неорганического мира. Этому представлению пришелконец в 1828 г., когда Фридрих Вёлер синтезировал молекулы мочевины,органического вещества (рис.

2-1), из цианата свинца и аммиака. РеактивыВёлера имели неорганическое происхождение. Этот успешно проведенныйорганический синтез положил начало продолжающимся до сего временихимическим и физическим исследованиям, призванным выяснить механизмытех процессов, которые протекают в живом организме. Сейчас мы в состояниивоспроизвести в изолированных бесклеточных системах практически всереакции синтеза и метаболизма, обычно протекающие в живых клетках.Большинство современных биологов разделяют ту точку зрения, чтохарактер биохимических и физиологических процессов в живом оранизмеопределяется исключительно физическими и химическими свойствамихимических элементов и соединенийсоставных частей живой системы.

Напервый взгляд это утверждение может показаться слишком большимупрощением: свойства живых систем кажутся нам настолько удивительными исложными, что это никак не согласуется с представлением об организмах как опростых смесях химических элементов и соединений. Такое возражение,конечно, отчасти справедливо. Живые системы-это не просто "бульоны" изхимических соединений, а высокоорганизованные структуры, построенные изсложных молекул.

Множество самых разных макромолекул в живой клеткеучаствует в осуществлении нужных химических реакций и их регуляции.Наружная и внутренняя клеточные мембраны обеспечивают структурнуюорганизацию живой клетки, разделяя ее на компартменты и субкомпартменты лизосомы, митохондрии и т.д. (рис. 2-2). Кроме того, они фиксируют молекулыв такой взаимной пространственной ориентации, которая необходима для ихфункционирования. Клетки организованы в ткани, ткани-в органы, а последниево взаимодействующие системы. Таким образом, организм обладаеторганизационной иерархией (см.

рис. 1-1), в которой каждый следующий, болеевысокий, уровень придает все большую функциональную сложность всейсистеме. Мы начнем с самого элементарного, химического уровня, а затемперейдем к более сложным.Рис. 2.2. Основные структурные элементы животной клетки. (Flickinger et al., 1972.)18Рис. 2.З. Периодическая таблица. Здесь разные ряды по горизонтали отвечают разному числуэлектронных оболочек.1917 :: 18 :: 19 :: Содержание19 :: 20 :: 21 :: Содержание2.1. Атомы, связи и молекулыНа рис.

2-3 изображена периодическая система химических элементов, изкоторых состоит любое вещество. В табл. 2-1 приведены основныесоставляющие твердой земной коры, тела человека и морской воды в порядке ихраспространенности в соответствующей среде. Как видно из таблицы, примернона 99% тело человека состоит из водорода, кислорода, азота и углерода. Этохарактерно для любых организмов. Является ли преобладание этих элементов вживых системах просто делом случая или существует рациональное объяснениеих доминирования в любом из столь большого многообразия оранизмов,возникших в процессе эволюции за прошедшие 3 млрд.

лет?Джордж Уолд, внесший большой вклад в создание химической теориизрения, утверждал, что господство в биологических системах водорода,кислорода, азота и углерода вовсе не случайно, а неизбежно вытекает изнекоторых фундаментальных свойств этих элементов на уровне атомов-свойств,которые делают их особенно пригодными для создания химических основжизни. Расмотрим кратко те факторы, которые влияют на химическое поведениеатомов, а затем вернемся к тезису Уолда.Структура атома гораздо сложнее и тоньше, чем та модель, которую мыздесь опишем; для наших целей достаточно рассмотреть самые существенные еечерты. Каждый атом представляет собой плотное ядро из протонов и нейтронов,окруженное "облаком" электронов, число которых равно числу протонов в ядре.Поскольку число отрицательно заряженных электронов равно числуположительно заряженных протонов, каждый атом в своем основном состояниив целом электронейтрален.

Электроны не занимают строго определенных орбит,но их статистическое распределение в пространстве таково, что ониоказываются в некоторых точках пространства с большей вероятностью, чем вдругих. Такое распределение имеет вполне систематический характер, так что ватомах, содержащих один или дваТ а б л и ц а 2 - 1 . Сравнение химического состава тела человека схимическим составом морской воды и земной коры.

Содержание химическихэлементов выражено в процентах от общего числа атомов1)19Рис. 2.4. Атомы водорода и гелия имеют по одной электроннойоболочке. У атома водорода она не заполнена, а у атома гелия - заполнена (два электрона).Рис. 2.6. И у водорода, и у кислорода внешние оболочки не заполнены.электрона (это атомы водорода и гелия), траектории электронов фактическиобразуют единственную "оболочку" ядра (рис. 2-4). В атомах, содержащих оттрех до десяти электронов (Li, Be, В, С, N, О, F, Ne), первая оболочка заполненадвумя электронами; остальные электроны занимают вторую оболочку, внутрикоторой заключена первая.

Вторая оболочка может содержать до восьмиэлектронов. В атомах, имеющих более десяти протонов и соответственно десятиэлектронов, образуется третья оболочка, в которой может разместиться довосьми электронов, и так далее (рис. 2-5).Когда во внешней оболочке атома находится максимально возможное дляданной оболочки число электронов (2-в первой оболочке, по 8-во второй итретьей, 18-в четвертой и т.д.), т.е. когда она уже не может больше принять ниодного электрона, атом является чрезвычайно стабильным и неохотно вступает вреакции с другими атомами. Именно таковы все благородные газы (например,гелий и неон), которые расположены в крайнем правом столбце периодическойтаблицы. .У большинства элементов, однако, внешние электронные оболочки незаполнены, поэтому они способны вступать в реакции с другими атомами. Уводорода, например, в его единственной электронной оболочке находитсятолько один электрон из двух возможных, а у кислорода в его внешней оболочке-только шесть электронов вместо восьми (рис.

2-6). Таким образом, обаатома - водород и кислород-стремятся к обобществлению электронов с тем,чтобы внешние их оболочки были заполнены и атомы приняли болееустойчивую конфигурацию.Число электронов во внешней оболочке во многом определяет физическиесвойства и реакционную способность атомов, однако на химические свойстваатома заметно влияют и другие его физические характеристики. Одной из нихявляется величина (или масса) атома. Чем тяжелее атом (т.е. чем большепротонов и нейтронов содержит ядро), тем больше электронов окружает ядро.Когда электронов становится больше десяти и образуется третья электроннаяоболочка, валентные электроны, т.е.