Фолсом - Происхождение жизни - 1982 (947300), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Рнс. 7,6. Геологические и бнологнческне событнн на одной и той гке временнбй шкале. Сарпзодакие демли Лтмкфера переса иппдии Пелкие пруды паразоданае содременньы континаепод после раскола Птиеи )» ранняя нимииескаа здазюция Строматплиты Гпердые изж-тлмззм . йдУцтглид Прзавоюаюидаятд дтиюги геенне здолюция зб ГЛАВА Т единственные в своем роде структуры дают наилучшее в настоящее время одпозяачяое доказательство существования таких форм жизни, как яодоросли. Древнейшие из известных строматолитов встречаются в системе Булавайо (Южная Родезия), их возраст от 3100 до 2УОО млн. лет, Эти данные приводят пас к убеждению, что эволюция протоклеток продолжалась в течение огромного периода времени, начиная от первых протоклеток около 4500 млн.
лет назад и достигая наивысшей точки примерно через 1500 млн. лет, когда появились бактерии и сине-зеленые водоросли. В эту раннюю эпоху у протоклеток появились и эволюционировали генетический и белоксинтезирующий аппараты, а также обусловленный этими двумя аппаратами наследуемый обмен веществ. Для того чтобы представить во времени главные события, имеющие как биологическое, так и геологическое аначение, мы нанесли их на временную шкалу (рис. 7.6).
В упомянутый выше период в течение 1500 млн. лет протоклетки подвергались разнообразным испытаниям, результатом которых было возникновение истинно биологических форм, г-- 8 Органические автоматы А Фотолиз метана под действием ультрафиолета. Показанная здесь реакционная камера изготовлена из нержавеющей стали и покрыта золотом для того, чтобы ее поверхность была как можно менее реакционноспособной. Через систему кранов из камеры откачивается воздух, и вводится туда метан или другие еазьь. Пучок ультрафиолетового света попадает внутрь камеры через окно ив фторида магния, пропускающего зсе излучение с длиной волны выше Пд нм. Йсточник ультрафиолетового излучения (не показан) — гигантская дуговая ареоновая лампа в Псследозательском центре НАСА в Эймсе.
Поскольку многие нродукты этой реакции нелетучи, они стремятся сконденсироватъся на поверхности окна иг фторида магния. Поэтому для поддержания этих продуктов в газообразном состояниии окно подогревается назревателъной лентой. [С любезного разрешения д-ра Дуайера (Пенс лъванский университет).~) 4 — 266 Меньшую степень сложности автомата можно Скомпенсиуть вать ва счет соответствуюиуево повышения сложности инстуукциа.
Джоя фов Неймана Рассмотрев вероятные пути возникновения протоклеточных структур, мы еще не обсуждали ни их деятельности, ни их возможности к эволюции. Эта глава будет посвящена теоретическому анализу свойств и требований к конструкции простейших модельных органических автоматов, а также взаимосвязи между модельными системами и вероятными событиями з ходе возникновения первых протобионтов.
Считают, что автомат является устройством, способным к самопроизвольным действиям. Человеческий организм и бактериальная клетка — природные автоматы изумительной сложности; искусственные механические сооружения, такие, как вычислительная машина или телефонный коммутатор, тоже автоматы,по гораадо более просто устроенные, В этой главе мы поставим мысленный эксперимент, задачей которого будет создание простейшего из возможных органических автоматов с учетом з качестве граничных условий наших представлений о биологии клетки и знаний о характере внешней среды 4000 млн. лет назад. Как мы увидим, эти автоматы могут быть крайне простыми, но только в том случае, если окружающая среда имеет сложный характер. Первое граничное условие: биологическая клеточная теория.
Для того чтобы отграничить часть внешней среды, требуется грапица раздела фаз, или мембрана. В водных системах граница раадела фаз должна быть гидрофобной. Нанося липиды на поверхность воды при перемешивании, можно получить сферулы, возникающие в результате самосборки липидов. Действительно, как показано в опытах с коацерватами Опарина, протеиноидными микросферами Фокса и органическими микроструктурами, полученными мною, частично гидрофобный материал в водных системах способен к самосборке с образованием сферических частиц. Второе граничное условие: энергия и ее рецепторы. Что касается энергии, то здесь, видимо, имеется широкий Органические АвтомАты 99 Рис. 8Л. Скелет порфириновоа молекулы. Порфирины различаютси оргапичесннмп функциональными группами, присоеннненнымв в положениих 1 — 8, и способностью к комплексообразованию с разными ионами металла, свнзываюп<имисв с четырьми ниррольными азотами. нс сн н н н н нс набор возмон<ностей — от использования потенциальной химической энергии солнечного происхождении, заключенной в малых органических молекулах, до непосредственного использования солнечной энергии.
Разберем последний случай (которому я отдаю предпочтение), поскольку солнечная энергия являлась и является преобладающей формой доступной энергии. В настоящее время и в последующие 2500 млн. лет наиболее высокоэнергетической частью солнечного спектра будет коротковолновое ультрафиолетовое излучение. Этот вид энергии является достаточно мощным для непосредственного образования и разрушения химических связей мен<ду биоэлементами и легко поглощается разнообразными органическими соединениями.
Поэтому использование в качестве энергии солнечного ультрафиолетового излучения очень удобно. Чтобы эта энергия не была утрачена, необходимо использовать специальные рецепторы ультрафиолета. Обычно рецепторы моделируют по типу тех, которые используются фотосинтезирующими организмами, т. е. по типу порфиринов. Порфирины представляют собой плоские сопряженные системы, построенные из четырех молекул пиррола, удери<иваемых вместе метиленовыми мостиками. Порфирины различаются мен<ду собой заместителями, расположенными с внеп<ней стороны пиррольных групп (рис. 8.х), и обладают целым рядом общих полезных свойств.
Все они поглощают нак видимое, так и ультрафиолетовое излучение и служат поэтому превосходными рецепторами энергии. Все они гидрофобны и очень плохо растворяются в воде: в основном онн прнсоединя- 4Ф 1бб глАВА 8 ются к гидрофобным границам раздела фаз органического автомата. Все они образуют комплексы с ионами металлов. Четыре атома азота пирролы1ых колец смотрят внутрь, и их пространственное расположение и заряд способствуют удержанию попов металлов, валентность которых монгет меняться. Это позволяет такому металлооргапическому рецептору переносить электроны, переходя прн этом из одного состояния в другое.
Порфирины могут образовываться путем сочетания пирролов, которые легко получить в экспериментах по имитации химичоской аволюцип. Третье граничное условие: устойчивая внешняя среда. Сложное строение биологических систем позволяет им приспосабливаться и меняющимся внешним условивм и в свою очередь изменять их. Для органических автоматов мы долнгны допустить наличие постоянных внешних условий. Это допущение поможет нам перенести потенциальную сложность автомата в область инструкций — в саму внешнюю среду. Поэтому при создании внешней среды мы обеспечим: $) постоянный н пеограниченный приток всех необходимых малых органических молекул в постоянных концентрациях; 2) постонкный приток энергии излучения и постоянные физические параметры, такие, как температура, рН и содержание солей.
Допустим, что в нашей простой системе присутствуют молекулнрные предшественники мембран, порфирины и еще один внд малых молекул — молекулы-мишени, типичные представители малых молекул, участвующие в процессах биосннтеза. На рис. 8.2 представлен обобщенный вид простого органического автомата. При объединении всех составных частей нашей системы произойдет следующее. Рецепторы энергии — порфирины — будут поглощать ультрафиолетовое излучение. В ходе атого процесса влектроны рецептора перейдут на более высокий энергетический уровень и обеспечат протекание необходимых реакций либо непосредственно, либо путем создания протонного градиента.
В случае непосредственного участия можно представить себе малую молекулу- мишень, скажем аминокислоту, которая должна активироваться для того, чтобь> связаться с молекулой другой аминокислоты. В случае протонного градиента можно предположить, что высокоэнергетические электроны вы- Огглническиг АВтОИАты 101 носюояииии ноток оолиечиого улаарафиолееобога излучения и ггаласе орелгииииние егибиигиил или нео1ланичииое лгтмагблм-.ииигпиг ° Лбоорбцробанные неолемрги норгририноб Рнс„8.2.
Простейший органический автомат. Постоянный поток ультрафнолетового кллучення падает на сферу, отделенную от окружиощей среды фазовой гранкпей к несущую на своей поверхности рецепторы н молекулы-мишени. качиваются из сферулы наружу (хотя такой механизм может быть и неэффективным). Это приведет к установлению греднента заряда, который обеспечит проведение химической раооты — полпмеризацию пли активацию молекул-лшшеней. Итак, наши малые молекулы-мишени активпровались и полимеризовались благодаря превращению энергки излучения с помощью рецептора н высокоэнергетических электронов в потенциальную химическую энергию. Это 102 ГЛАВА 8 будет происходить как ва внутренней, так и иа наружной поверхности сферул. Объем, заключенный внутри сферул, конечен, тогда как внешний объем можно во всех практических случаях считать бесконечным, поскольку мы считаем внешнюю среду неизменной.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
