Buch lesen: "Код жизни. Как случайность стала биологией", Seite 12

Да будет свет и сера

Чтобы понять, что было дальше, нам придется вернуться к тому, какой была обстановка на планете, где происходили все эти предбиологические химические реакции. Поднимаясь на поверхность из подземной тьмы, грунтовые воды несли груз реакционноспособных углерод-азотистых соединений в реки и ручьи, а те впадали в мелкие озера и пруды – и там на эти соединения впервые падал солнечный свет. Ультрафиолетовое излучение служило щедрым источником энергии, мощности которого хватало на самый широкий ассортимент химических превращений. Реакции были разные – простые и сложные, созидательные и деструктивные. Откуда мы знаем, каким будет воздействие ультрафиолетового света, полезным или вредным? Что оно запустит, плодотворный синтез или реакцию, которая уничтожит все полезное? Понять это – непростая задача, и для ее решения необходимо сочетание тщательных экспериментальных измерений с подробным теоретическим моделированием. Неудивительно, что эти исследования еще продолжаются и в них участвует много ученых. Однако даже по неполным результатам мы можем заметить некоторые важные тенденции и усвоить несколько уроков. Пожалуй, самое важное для нас свойство ультрафиолетовых фотонов – их энергия. Высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение (коротковолновое, близкое к рентгеновскому) обычно самое разрушительное: каждый фотон несет достаточно энергии, чтобы разбить молекулы на фрагменты. Напротив, фотоны ультрафиолетового света с меньшей энергией (с большей длиной волны, ближе к видимому свету) не в состоянии разбить химические связи, поэтому они в меньшей степени влияют на ход химических реакций. А вот в промежуточном диапазоне все становится интереснее, поскольку фотоны среднего ультрафиолетового диапазона разбивают некоторые химические связи, но не все. В итоге одни соединения разрушатся, другие изменятся, а третьи сохранятся в прежнем виде, и эти процессы будут сложными и нередко непредсказуемыми, так как все зависит от конкретного спектра ультрафиолетовых фотонов, от интенсивности излучения, от деталей химической среды. С учетом всех этих оговорок нам следует тщательно изучить, как интенсивность ультрафиолетового облучения влияла на синтез полезных соединений на молодой Земле (и влияла ли вообще).

Среди самых простых и самых продуктивных следствий ультрафиолетового облучения значится и хорошо изученный процесс поглощения ультрафиолетового фотона комплексом ферроцианида: атом железа в комплексе приходит в возбужденное состояние и один из его электронов отделяется. Сначала он улетает на большой скорости, но затем, столкнувшись с несколькими молекулами воды, замедляется. В конце концов (в реальности через несколько наносекунд, а одна наносекунда – это одна миллиардная доля секунды) его окружает оболочка из молекул воды. Такой «гидратированный электрон» относительно стабилен – в том смысле, что обычно проходит несколько миллионных долей секунды, прежде чем его поглотит какая-нибудь другая молекула. Если вода содержит растворенный циановодород, электрон может присоединиться к нему и запустить последовательность реакций, которая в конце концов превратит циановодород в формальдегид и аммиак. Вероятно, вы заметили одно любопытное обстоятельство: по не вполне понятным причинам в предбиологических реакциях участвуют в основном вещества, которые мы сегодня считаем вредными и ядовитыми. Формальдегид, вырабатываемый в результате первоначального фотохимического процесса, очень быстро реагирует с ближайшей молекулой циановодорода, и получается простой циангидрин (гликолонитрил). Десятилетиями эту молекулу считали бесполезным тупиковым продуктом, поскольку она относительно стабильна и нереакционноспособна. В результате стали считать, что ее формирования следует избегать любой ценой, чтобы не расходовать ценный циановодород, превращая его в непродуктивный мусор.

Группа Сазерленда и здесь совершила понятийный прорыв, показав, что цианогруппа молекулы гликолонитрила тоже может поглощать гидратированный электрон. Затем происходит аналогичная последовательность реакций, и на этот раз получается простейший сахар – уже знакомый нам гликольальдегид с двумя атомами углерода: мы встречались с ним, когда пытались получить 2AO. Выходит, мы только что получили двухуглеродный сахар из формальдегида, знаменитого своей токсичностью, то есть из простейшего альдегида с одним атомом углерода (альдегиды – это органические соединения, в которых углерод связан двойной связью с кислородом). Этот простой сахар сам по себе служит полезным исходным материалом для построения более сложных молекул, в том числе более крупных сахаров. А затем та же череда реакций, которая превратила формальдегид в двухуглеродный сахар, может повториться, и тогда двухуглеродный сахар, прореагировав с другой молекулой циановодорода, превратится в трехуглеродный сахар глицеральдегид, который недавно помог нам превратить 2AO в РАО.

Только не пугайтесь сложных названий химических веществ. Суть в том, что реакции, которые мы описали, – потрясающее научное открытие, причем по целому ряду причин. Прежде всего, трехуглеродный сахар – важнейший метаболит в современной живой материи, одна из главных молекул на пути распада глюкозы на мелкие фрагменты. При этом вырабатывается энергия, обеспечивающая клеточные процессы. Далее глицеральдегид (трехуглеродный) и его маленький предшественник гликольальдегид (двухуглеродный) – это исходные материалы, которые нужны нам, чтобы приступить к созданию нуклеотидов с их пятиуглеродным сахаром рибозой.

Интересно, что этот процесс превращения циановодорода в простые сахара становится еще производительнее, если призвать на помощь своего рода «переработку вторсырья». Когда цианидный комплекс железа возбуждается под воздействием ультрафиолетового излучения и испускает электрон, он превращается в окисленную форму, так называемый феррицианид (т. е. гексацианоферрат (III)). Если этот феррицианид не превратится обратно в ферроцианид, производство гидратированных электронов застопорится, когда ферроцианид израсходуется. Однако сернистый газ SO₂ (диоксид серы) растворяется в воде и дает сульфит и бисульфит, способные переработать феррицианид обратно в ферроцианид. Откуда берется SO₂? Этот вопрос заставляет нас вспомнить, как важно учитывать геологическое окружение, в котором идут все эти реакции. Если мы учтем, что в этом окружении, скорее всего, шла вулканическая активность, нам сразу станет понятно, что испускаемые вулканические газы вполне могут содержать большое количество диоксида серы. Извержение газов, растворенных в расплавленной породе под высоким давлением, может проходить весьма зрелищно, когда магма подходит к поверхности и давление снижается. Вспомним извержение вулкана Пинатубо в 1991 году, когда сернистого газа выделилось так много, что из-за помутнения атмосферы на всей Земле два года регистрировалось похолодание. Как выяснилось, без участия серосодержащих химических соединений невозможно было бы превращать циановодород в простые сахара в ходе предбиологических реакций. Сегодня весь этот процесс называют цианосульфидной окислительно-восстановительной фотохимией, и это название подчеркивает, как важна в нем синергия циановодорода, серы и ультрафиолетового света.