4. Значение воды для возникновения и сохранения жизни
H2O — химическое соединение, присутствующее при обычных условиях во всех трёх агрегатных состояниях.
Для жизни, как мы её знаем (или определяем), нужна вода как универсальный растворитель. Вода имеет комплекс качеств, которые делают жизнь возможной. Нет данных, что жизнь может возникать и существовать независимо от воды и принято считать, что только наличие воды в жидкой фазе (в определённой области или на определённой планете), делает вероятным возникновение там жизни.
Для синтеза сложных молекул и соблюдения граничных условий автокаталитических реакций между ними (что обеспечивает принципиальную возможность перехода от химической эволюции к эволюции живого вещества), важны следующие характеристики воды:
Вода находится в жидком состоянии при температуре, в которой стабильны органические молекулы и их синтез возможен только в водных растворах.
Вода необходима как деполяризующий растворитель для химических реакций, так как она делает возможным гомогенное перемешивание, а имея высокую теплоёмкость, принимает выделяющуюся при реакциях теплоту и предоставляет в распоряжение протоны для катализов.
Высокая удельная теплоемкость воды, сосредоточенной в океане и особенности характеристики спектрального поглощения водяных паров (при их значимых долях в объёме атмосферы) обеспечивают стабилизацию глобальных колебаний температуры и осмотических процессов (локально могут возникать большие различия), что создаёт предпосылки к планетарно-уравновешенному климату, неблагоприятные изменения которого (для живого вещества), вызванные как энтропийными процессами, так и внешними неблагоприятными факторами, могут быть в определённых пределах скомпенсированы жизнедеятельностью самой биосферы, как целого, изменяющей интенсивность испарения воды, и тем самым, планетарного альбедо и, что может быть ещё более важно — изменяя концентрацию в атмосфере водяного пара, главного по значению парникового газа.
Вода и водяной пар поглощают вредное для макромолекул ультрафиолетовое облучение. Однако оно проникает через замёрзшую воду (лед) до определённой глубины.
Вода, в которой растворены вещества, например, морская вода, образует при вымораживании области разных концентраций веществ, которые окружены мембранами льда (см. гипотеза морского льда). Ограничение от внешней среды и повышенная концентрация веществ считаются необходимыми для образования биологически активных молекул.
Особенность термодинамики воды (при нагревании от 0 до 3,98 °С вода сжимается) предотвращает замерзание водоёмов до дна — холодная вода, как менее плотная, остаётся на поверхности и замерзает, а подо льдом вода имеет положительную температуру, что сохраняло жизнь на Земле в эпохи глобальных оледенений.
5. Эксперимент Миллера — Юри
Это известный классический эксперимент, в котором симулировались гипотетические условия раннего периода развития Земли для проверки возможности химической эволюции. Фактически это был экспериментальный тест гипотезы, высказанной ранее Александром Опариным и Джоном Холдейном, о том, что условия, существовавшие на примитивной Земле, способствовали химическим реакциям, которые могли привести к синтезу органических молекул из неорганических. Был проведён в 1953 году Стэнли Миллером и Гарольдом Юри. Аппарат, спроектированный для проведения эксперимента, включал смесь газов, соответствующую тогдашним представлениям о составе атмосферы ранней Земли, и пропускавшиеся через неё электрические разряды.
Эксперимент Миллера — Юри считается одним из важнейших опытов в исследовании происхождения жизни на Земле. Первичный анализ показал наличие в конечной смеси 5 аминокислот. Однако более точный повторный анализ, опубликованный в 2008 году, показал, что эксперимент привёл к образованию 22 аминокислот.
Идея эксперимента Миллера была простой: в полуподвальной лаборатории он воспроизвел атмосферу древнейшей Земли, какой она была по мнению ученых, и со стороны наблюдал за тем, что происходит. При поддержке Юри он собрал простой аппарат из стеклянной сферической колбы и трубок, в котором испарявшиеся вещества циркулировали по замкнутому контуру, охлаждались и вновь поступали в колбу. Миллер заполнил колбу газами, которые, по мнению Юри и русского биохимика Александра Опарина (1894–1980), присутствовали в атмосфере на заре формирования Земли, — водяным паром, водородом, метаном и аммиаком. Чтобы сымитировать солнечное тепло, Миллер нагревал колбу на бунзеновской горелке, а чтобы получить аналог вспышек молний — вставил в стеклянную трубку два электрода. По его замыслу, материал, испаряясь из колбы, должен был поступать в трубку и подвергаться воздействию электрического искрового разряда. После этого материал должен был охлаждаться и возвращаться в колбу, где весь цикл начинался вновь.
После двух недель работы системы жидкость в колбе стала приобретать темный красно-коричневый оттенок. Миллер провел анализ этой жидкости и обнаружил в ней аминокислоты — основные структурные единицы белков. Так у ученых появилась возможность изучать происхождение жизни с точки зрения основных химических процессов. Начиная с 1953 года с помощью усложненных вариантов эксперимента Миллера—Юри, как стали его с тех пор называть, были получены все виды биологических молекул — включая сложные белки, необходимые для клеточного метаболизма, и жировые молекулы, называемые липидами и образующие мембраны клетки. По-видимому, тот же результат мог бы быть получен и при использовании вместо электрических разрядов других источников энергии — например, тепла и ультрафиолетового излучения. Так что почти не остается сомнений в том, что все компоненты, необходимые для сборки клетки, могли быть получены в химических реакциях, происходивших на Земле в древнейшие времена.
Ценность эксперимента Миллера—Юри состоит в том, что он показал, что вспышки молний в атмосфере древней Земли за несколько сот миллионов лет могли вызвать образование органических молекул, попадавших вместе с дождем в «первичный бульон» (см. также Теория эволюции). Не установленные до сих пор химические реакции, происходящие в этом «бульоне», могли привести к образованию первых живых клеток. В последние годы возникают серьезные вопросы по поводу того, как развивались эти события, в частности подвергается сомнению присутствие аммиака в атмосфере древнейшей Земли. Кроме того, предложено несколько альтернативных сценариев, которые могли привести к образованию первой клетки, начиная от ферментативной активности биохимической молекулы РНК и кончая простыми химическими процессами в океанских глубинах. Некоторые ученые даже предполагают, что происхождение жизни имеет отношение к новой науке о сложных адаптивных системах и что не исключено, что жизнь — это неожиданное свойство материи, возникающие скачкообразно в определенный момент и отсутствующее у ее составных частей. В наши дни эта область знаний переживает период бурного развития, в ней появляются и проходят проверку различные гипотезы. Из этого водоворота гипотез должна появиться теория о том, как же возникли наши самые далекие предки.