Самая главная особенность этого реактора — это возможность быстрого переноса вещества внутри реактора путем обмена телами с наработанным веществом на каталитически активных поверхностях, а также и сложным органическим веществом при десорбции в газ и вновь адсорбции на тела из газовой фазы. Важны и процессы слипания — разрушения тел при их столкновениях между собой. Вот именно этот реактор, место и время я хотел бы предложить для «мира РНК». При быстром перемещении первичных тел внутри реактора должно неизбежно происходить их смачивание и высушивание. Смачивание происходит в зонах, где начинает конденсироваться вода. При развитой внутренней поверхности рыхлых и пористых первичных тел вода проникает по порам внутрь тел. При уходе первичных тел из областей конденсации воды происходит испарение воды в условиях атмосферы из водорода и гелия. При надлежащем подходе такой процесс может быть воспроизведен экспериментально и методами математического моделирования. В то же время внутри сгустка температура меняется незначительно даже при протекании экзотермических реакций, характерных для превращений сложных органических соединений, к примеру, синтеза Фишера-Тропша, по причине замечательно высокой теплопроводности водорода и гелия, из которых состоит в основном окружающий газ. Высокая теплопроводность должна выровнять любые температурные неоднородности и снизить колебания температур, несмотря на окружающую разреженную среду вокруг реактора. Эффект здесь может быть примерно такой, как в холодном плотном молекулярном облаке, которое окружено горячим корональным газом. Таким образом, это весьма сложный реактор для синтеза химических соединений, реактор высокого внутреннего давления и кипящего катализатора. Про эти реакторы известно, что высокие давления повышают эффективность синтезов целевых продуктов органического синтеза, как это и делается в химической промышленности. Далее встает вопрос об эффективности химических процессов на начальных стадиях абиогенного синтеза органических соединений. Первые стадии наиболее важны с точки зрения общего выхода конечных предбиологических соединений и общей массы биосферы.

В созданном реакторе могут происходить самые разнообразные явления. При протекании химических реакций вместе с диффузией и теплопроводностью возникают процессы самоорганизации (Пригожий, 1985), бифуркации, периодические и хаотические химические реакции. Другая идея — возникновение отбора среди автокатализаторов, что было предложено В.Н. Пармоном (2002) независимо от более ранней работы (Эбелинг и др., 2001). В цитированном выпуске журнала ВХО напечатана статья об отборе среди автокаталитических систем (Руденко, 1980). В рамках этих идей в ИК СО РАН исследовалась автокаталитическая реакция Бутлерова и реакция дегидрирования легких алканов, в частности, этана в газовой фазе. Последняя реакция была выбрана из-за высокого содержания алканов на поверхности Титана, спутника Сатурна.

В реакции Бутлерова интерес представляет возможность селективного синтеза рибозы. У нас в институте изучили механизм этой реакции. Мы выяснили, что в отличие от устоявшихся представлений об автокаталитичности этой реакции ее механизм является цепным с вырожденным разветвлением цепей (Симонов и др., 20076) без какого-либо отбора среди автокатализаторов. В реакции образуются до 57 групп продуктов. И наш вывод по этой реакции состоит в том, что избирательный синтез рибозы невозможен. Другая идея состояла в использовании катализатора, который бы включал в себя фосфор. Оказалось, что из низших моносахаридов в присутствии катализаторов могут образовываться жизненно важные углеводы с суммарным выходом до 59 %. Причем основные компоненты, которые ведут реакцию, это появляющиеся из-за распада углеводов гликолевый и глицериновый альдегиды. Мы также показали, что в исходно чистом формальдегиде никаких синтезов не происходит. В реагентах со следами Сахаров синтезы идут. В чистых, без затравок — нет (Симонов и др., 2007а).

Далее мы задались вопросом, можем ли мы получить эти затравки при протекании фотохимических реакций. Для этого мы исходный раствор формальдегида подвергли излучению ArF-ультрафиолетового лазера с длиной волны излучения 193 нм. Это примерно 6.3 эВ. В экспериментах было получено, что реагент, конечно, начинает разрушаться. Но необходимая затравка из гликолевого и глицеринового альдегидов получается, а при некоторых условиях и с весьма высокими выходами 4-5 % (Pestunova et al., 2005). Здесь ничего удивительного нет. Из большого числа работ по высокоэнергетическому воздействию на простейшие реагенты, в том числе электронными или ионными пучками, в разных условиях, скажем, и в ледяной матрице, эти соединения были получены. Мы также попытались в одном реакторе объединить фотоинициацию реакций и каталитический синтез Сахаров из формальдегида. Это у нас получилось с выходами С₅-углеводов до 40 %. В целом синтез идет из формальдегида (Pestunova et al., 2008).

Инжиниринговая компания «АДВЕНТА», специализирующаяся на продаже такого технологического оборудования, как магнитный сепаратор, магнитный фильтр, пакетировочный пресс, пресс компактор, железоотделитель, приглашает к сотрудничеству организации и частных лиц. Более подробную информацию о предлагаемом компанией оборудовании Вы сможете найти по адресу www.bazent.ru.

Развитие такого явления в околозвездном протопланетном диске на предельно коротких по астрофизическим меркам временах очень сложно наблюдать, зато можно рассчитать, промоделировать методами вычислительной физики (Снытников и др., 2004). Но для этого нужно научиться решать сложную систему уравнений математической физики. Эта система включает в себя уравнение Больцмана для функции распределения в шестимерном фазовом пространстве с самосогласованном гравитационным полем. Для гравитационного поля имеется уравнение Пуассона, а для газовой компоненты — газодинамические уравнения. Система для численного решения очень сложна и требует ресурсов суперкомпьютеров. При числен ном моделировании мы сталкиваемся со сложными математическими проблемами, главная из которых состоит в необходимости решать не просто нестационарную задачу, а задачу на самоорганизацию, физически неустойчивую в линейном приближении. Для решения этой проблемы были разработаны новые методы и подходы, более подробно можно ознакомиться с ними в наших публикациях (Snytnikov, Knksheva, 2007).

Рис. 8. Логарифм поверхностной плотности пылевой (слева) и газовой (справа) компоненты протопланетного диска без учета химической реакции.

Результаты ряда вычислительных экспериментов можно увидеть на рис. 8. В результате развития гравитационной неустойчивости в околозвездном диске формируются сгустки, причем за времена всего несколько десятков оборотов — лет. Сгущения могут двигаться и в обратную сторону по отношению к общему направлению движения. Тем самым эти сгустки представляют собой волны плотности, нелинейные солитоноподобные структуры. Но в таких структурах коагуляция может протекать на существенно более коротких временах по сравнению со средними условиями в диске. Расчеты выполнены по разным программам с разными алгоритмами решения уравнений, что входит в условие получения достоверных результатов вычислительных экспериментов. На рис. 9 представлены кадры из фильмов с логарифмом плотности по частицам и газу в случае, когда на температуру газа оказывает влияние экзотермическая реакция образования молекулы водорода из его атомов на твердых частицах.

Рис. 9. Логарифм поверхностной плотности пылевой (слева) и газовой (справа) компоненты протопланетного диска с учетом химической реакции.

Рис. 10. Распределение логарифма плотности частиц по экваториальной плоскости диска — фоновый график. Слева вверху — аналогичная величина с увеличением для нижнего сгустка. Справа вверху -распределение логарифма плотности газа в том же самом сгустке плотности. Внизу — изменение массы твердой фазы на единицу площади (поверхностная плотность) для нижнего сгустка.

В варианте без учета этой реакции сгустки сколлапсированного вещества появляются в диске, а при дополнительном тепловыделении такие сгустки отсутствуют. Это показывает, что на ранних этапах при большом содержании атомарного водорода или при высоких температурах структуры могут не возникать. Параметры среды в солитоно-подобных волнах сильно отличаются от средних значений в диске. Так, на рис. 10 приведен график с распределением плотности по твердой фазе в сгустке. Эта плотность в максимуме на 4-6 порядков выше фонового значения. Более точно я сказать не могу, так как в самом сгустке эту амплитуду мы считаем с низкой точностью. В самих сгустках давление по газу также во столько же раз отличается от фона. Если принять удаление сгустка от протозвезды за астрономическую единицу с абсолютным значением давления 10^-4
атмосферы, то в сгустке мы получили давление до ста атмосфер.

Попробуем взглянуть на сгусток с точки зрения химических технологий с их реакторами и охарактеризуем его с использованием классификации химических реакторов (Слинько, 1980). Это реактор с кипящей твердой фазой в газе. Частицы-катализаторы поступают из диска в реактор. Они некоторое время, порядка суток, ведут реакции в сгустках, а затем снова выходят в зону с низким давлением и высокой радиацией от протозвезды, где освобождаются от летучих соединений. Происходит регенерация поверхности. Известно, что реакторы с кипящим катализатором относятся к одному из самых эффективных реакторов химических технологий. Правда, они редко встречаются на реальном производстве по причине своей дороговизны, сложности в управлении, истирании катализаторов и внутренних поверхностей. Но природа на эти обстоятельства могла не обращать своего внимания.

Не секрет, что вкус и аромат свежемолотого кофе имеет более насыщенный и яркий оттенок в сравнении с быстрорастворимым. Именно поэтому в арсенале истинного ценителя этого бодрящего напитка должна присутствовать кофемолка, способная за считанные секунды измельчить душистые кофейные зерна. Я советую Вам обратить свое внимание на кофемолку BOSCH MKM 6003, которую Вы сможете приобрести на сайте nsk.terminal.ru всего за 820 рублей.

Что происходило с пылью, которая двигалась вместе с газом при своей массе примерно в 1 % от газа? Заметим, что пылинки имеют сложную слоистую структуру. В среднем если диаметр пыли составляет сотню нанометров, то внутреннее ядро из тугоплавких оксидов кремния, магния, железа составляет несколько нанометров. Далее идут слои из веществ в порядке их летучести. Летучие органические соединения, вода, метан находятся на поверхности. Под поверхностью находятся указанные выше сложные органические соединения, причем их больше обнаруженных количеств в молекулярных облаках. В молекулярных облаках регистрируют соединения в газовой фазе, в то время как львиная доля органических соединений сконденсирована на пылинках и составляют эти пылинки. Еще надо отметить, что при вращении газа с пылью вокруг протозвезды значения центрифужного параметра достигает огромных по земным меркам значений в 1000-2000 для пыли относительно газа. (В земных условиях этих значений пока не достигли). Поэтому при поступлении газа и пыли с периферии околозвездного диска пыль начинала накапливаться в диске. При своем движении из холодных внешних областей диска во внутренние разогретые области пылинки теряли свою шубу из органических соединений. Ядра пылинок очищались. Но на ядрах могли происходить и гетерогенные реакции синтеза органических соединений из СО, водорода, соединений азота, если такие наночастицы обладали каталитической активностью. Состав наночастиц можно восстановить, исходя из распространенности элементов во Вселенной. Он приведен в наших предыдущих работах (напр., Снытников, 2007а) вместе с составом газа. Фактически это составы классических катализаторов для синтеза Фишера-Тропша получения сложных углеводородов из СО и водорода и синтеза аммиака из азота и водорода. Надо подчеркнуть, что все окружающее нас вещество, вся Земля и тяжелые элементы Солнца находились в виде этих наночастиц. При этом в наночастицах из тысяч атомов в качестве активного центра работал или был оттестирован на работоспособность не просто какой-либо элемент, а каждый атом даже самого редкого элемента!! Это поддерживает утверждение о необходимости для биоценоза всех элементов (Меклер, 1980). К примеру, отдельные атомы вольфрама, молибдена, ванадия и так далее, влияют на свойства наночастицы. На важность этих элементов для становления биосферы вновь было обращено внимание (Dobretsov et al., 2008; Федонкин, 2008). Отбор в протопланетном диске по активности катализаторов был осуществлен на этом этапе в совершенно невообразимых для химических технологий масштабах. Но для конечного продукта, биоценозов, каталитическая суперактивность наночастиц разрушительна.

Конечно, нужно было экспериментально подтвердить это предположение о высокой каталитической активности наночастиц состава природной распространенности элементов. Для этого в Институте катализа СО РАН была построена установка (Snytnikov et al., 2007), на которой методом лазерного испарения были приготовлены наночастицы из природных минералов и метеоритов, в частности, из метеорита Царев. Образцы наноматериалов были отданы в две независимые лаборатории Института катализа СО РАН для определения их активности в реакции синтеза углеводородов из СО и водорода. Все приготовленные наноматериалы оказались активны в этой реакции (Хасин, Снытников, 2005). А один из образцов показал активность, не уступающую активности промышленного катализатора. Далее, все это означает, что в указанных условиях протопланетного диска наночастицы синтезировали большое количество различной органики. И все неорганические частицы с диаметром в сантиметры, на которых обычно заканчивается укрупнение неорганических материалов (на больших масштабах неорганические материалы в условиях диска плохо соединяются между собой), реально были погружены в органическую связку, матрицу или пропитаны органическими соединениями, клеем. Фактически, это были кусочки пластилина, которые в столкновениях между собой могли легко слипаться. Тогда характерный масштаб, на котором заканчивается обычный рост частиц, составляет не сантиметры, а метры. Тем самым на этой уже относительно поздней стадии диска с температурой порядка 300-500 К на земном радиусе мы имеем газ и набор метровых в диаметре тел, двигающихся слабостолкновительно вокруг протозвезды. Слабостолкновительно означает, что тела могут столкнуться между собой на временах, сравнимых со временем одного оборота вокруг протозвезды. Такие столкновения происходят с космическими скоростями, большими скорости звука в твердом теле, и они приводят к дроблению тел.

Отметим, что органической компонентой и гетерогенными каталитическими реакциями в околозвездных дисках многие исследователи обычно пренебрегают, уделяя основное внимание газовой компоненте (Маров и др., 2008). Это справедливо в расчетах температуры и давления газовой компоненты по диску. Но в эволюции пылевой компоненты безусловно важную роль сыграли, в частности, реакции полимеризации на наночастицах с появлением комплекса разных полимеров. В качестве примера можно указать полиэтилен, мономер которого этилен синтезируется из СО и Н₂ наряду с другими углеводородами и молекулами воды.

Далее мы задались следующим вопросом, и в этом мы также были оригинальны по сравнению с исследователями московской и других школ (Маров и др., 2008). Существует ли физический механизм, который за предельно быстрые времена порядка нескольких лет приводит к формированию зародышей планет из первичных тел метрового размера? Почему год или несколько лет? Ответ прост, А.С. Спирин в своем выступлении на нашем совещании потребовал для синтезов «мира РНК» часы, возможно, несколько суток. Но диск функционирует миллион лет, и нужно связать астрофизические и химические времена. Отсюда, имеются ли в протопланетном диске существенно более быстрые процессы, чем процесс, определяющий этот миллион лет существования диска? Ответ на этот вопрос оказался «да». Но для ответа пришлось рассматривать гравитационную неустойчивость в двухфазной среде из газа и первичных тел, в которой из последних формируются зародыши планет. Данный вид неустойчивости отличается от неустойчивости Тоомре, которую анализировали М.Я. Маров и др. (2008). Мы рассмотрели длину Джинса в такой среде и показали, что при эффективной энергии, характеризующей разброс тел по скоростям, близкой к температуре газа, длина Джинса может уменьшиться на много порядков (Снытников, 20076). Возникает условие гравитационного собирания многих первичных тел в зародыши планет. Этот процесс коллективный и бесстолкновительный. Определенный и изученный аналог такого процесса можно найти в физике ускорителей элементарных частиц. Он известен как охлаждение легкими электронами тяжелых протонов. В изучаемом процессе при трении тел о газ разброс тел по скоростям снижается, и в какой-то момент времени возникают условия для гравитационного коллективного коллапса тел в газе.

Решили собственными силами создать качественный сайт, но в процессе осознали, что это очень сложное и кропотливое занятие, которое является непосильной для Вас задачей? Значит, пришло время вбить в поисковую строку вашего любимого поисковика «web студия» и перейти на сайт www.diogenes.ru, квалифицированные специалисты которого в кратчайшие сроки и с учетом всех ваших пожеланий разработают полностью функциональный сайт.

Рис. 6. Распад облака при развитии неустойчивости Джинса: бесстолкновительная динамика, иллюстрирующая формирование звезд; компьютерное моделирование: а и 6- два момента времени.

Дегидрированием этана получают в мире основное количество этилена в относительно мягких условиях. Точно так же и мы должны воспользоваться этим подходом. Однако надо помнить, что водород с гелием, углерод, азот и кислород — самые распространенные элементы во Вселенной. И сложность здесь в том, что на поверхности или вообще на Земле по этим элементам имеется огромная нехватка. Поэтому нам необходимо привлечь дополнительные данные по образованию мантии, ядра, коры на ранних этапах (Адушкин и др., 2008), чтобы ответить на вопрос, когда и в каких процессах Земля потеряла эти элементы. Или же потеря произошла на этапе формирования протопланеты и Солнечной системы? И очень важно, что в наших целях мы должны в первую очередь иметь дело с соединениями и потоками массы именно из этих пяти элементов. Таким образом, исходное сырье для абиогенного синтеза пребиотических соединений надо находить в плотных молекулярных облаках.

Эти облака представляют собой место зарождения звезд вместе со своими околозвездными дисками. В околозвездных дисках формируются планеты. Околозвездные протопланетные диски интенсивно изучаются астрофизическими методами. В настоящее время обнаружено много звезд, имеющих планеты. Звезды в молекулярных облаках формируются при развитии гравитационной неустойчивости. Она возникает, если температура и плотность облака зададут такой длину Джинса, которая станет меньше характерного размера молекулярного облака. Облако с массой в десятки тысяч масс Солнца начинает распадаться на отдельные сгустки числом несколько тысяч и более, которые становятся зародышами звезд. Рис. 6 иллюстрирует этот процесс нашим компьютерным пространственно трехмерным моделированием (Кукшева, Снытников, 2007). К этим результатам надо относиться только как к иллюстрации, так как расчеты проведены для физически бесстолкновительной модели, в то время как распад молекулярного облака на начальных этапах происходит в газодинамических условиях. И только на более поздних временах сгустки переходят к бесстолкновительной динамике. Тем не менее, расчеты дают представление о возникновении сгустков, их взаимодействии с поглощением друг друга и даже дисковых структур. В правом нижнем углу рис. 6 имеется место, где возникла вращающаяся структура или же двойная система.

Итак, молекулярные облака распадаются на отдельные сгустки. Гравитационный коллапс ведет к звездообразованию в сгустках. Результатом коллапса становится протозвезда вместе с вращающейся структурой вокруг нее, которая и получила название околозвездного аккреционного диска. Диск, начиная с определенного момента времени оседания пыли к экваториальной плоскости, становиться достаточно тонким, а звезда типа нашего Солнца примерно за один миллион лет набирает основную свою массу. При этом за вторую половину этого времени звезда набирает ориентировочно половину своей массы.

Рис. 7. Основные этапы смены внешних условий для абиогенного синтеза органических соединений на Земле.

Отсюда у нас есть основание считать, что через протопланетиый диск прошла эта масса и что природа в этот временной интервал пользовалась солнечными значениями масс и их соответствующими потоками.

В дисках могут сформироваться планеты. В современной Солнечной системе помимо планет обнаружено много тел естественного происхождения. Их число в последнее время с развитием наблюдательных методов только возрастает. И сейчас, спустя 4.56 млрд. лет от своего зарождения, в Солнечной системе множество астероидов движется между орбитами Марса и Юпитера. Как же возникла такая система как Солнечная?

Основные этапы ее возникновения приведены на рис. 7 с точки зрения смены внешних условий для абиогенного синтеза органических соединений (Снытников, 20076). Как уже выше было сказано, на первом этапе в молекулярном облаке происходит гравитационный коллапс. В отдельном сгустке он идет за времена 10⁴-10⁵ лет, в результате чего формируется протозвезда-кокон с массой менее 0.1 массы Солнца. Протозвезда продолжает набирать массу и по достижению 0.1 массы Солнца в ядре протозвезды зажигаются термоядерные реакции. Вокруг протозвезды формируется тонкий аккреционный диск, через который на протозвезду примерно 1 млн. (максимум — 10 млн.) лет продолжает поступать вещество. Возрастающее излучение от звезды и солнечный ветер сдувает окружающее вещество молекулярного облака и водород с гелием из протопланетного диска. К этому времени в диске сформировались зародыши будущих планет, планетезимали, и возник рой первичных тел Солнечной системы. Из роя первичных тел и зародышей планет по последним оценкам (Маров и др., 2008) за времена масштаба 60 млн. лет в столкновительных процессах аккумуляции тел на протопланеты произошло превращение последних в планеты. На следующем этапе происходили дифференциация вещества Земли и преобразование земной коры. В это же время продолжалась дегазация с затуханием своей интенсивности. Образцы пород, с которых начинается геологически документированная летопись на Земле, имеют возраст 3.8-3.9 млрд. лет. Мало кто сейчас сомневается в том, что к этому времени на поверхности Земли уже существовала биосфера из микроорганизмов. Поэтому, если жизнь зародилась в Солнечной системе, то для этого наиболее подходят этап протопланетного аккреционного диска или этап роя первичных тел и формирования планет.

Вернемся к околосолнечному диску. По современным данным (Маров и др., 2008) среднее по углу квазистационарное давление водорода и гелия на земном радиусе от протозвезды составляло до 10^-4 атмосфер и выше, уменьшаясь к орбитам современных Юпитера и Сатурна до 10^-6 атмосфер. Температура газа падала от примерно 1000 К на астрономической единице к 100 К на удалении орбиты Сатурна. Околосолнечный диск представлял собой термодинамически открытую систему, которая поглощала энергию протозвезды, а на ранних этапах и аккреционной оболочки. Эта энергия переизлучалась в остаточное окружение молекулярного облака и космос. На фоне этого потока энергии движение газопылевой массы на прото-солнце осуществлялось в турбулентном режиме с возможностью самоорганизации при переходе от одного режима к другому, более высокоорганизованному (Климонтович, 1990).

Следующий выпуск вышеупомянутого журнала за тот же год (Журнал ВХО, 1980. № 5) был посвящен проблемам химической промышленности и науки. В этом выпуске рассматривалось развитие химических технологий, создание химических заводов для многотоннажных синтезов и небольших производств, задачи разработки новых и модернизации действующих реакторов, их классификация, защита окружающей среды. Используя изложенные в этом журнале подходы, попытаемся посмотреть глазами химиков-технологов на научную проблему о происхождении жизни (рис. 4). Зададимся простым вопросом. Если у нас есть готовая продукция в виде биополимеров известного (CH₂0)_l06(NH₃)₁₆H₃P0₄ состава на поверхности Земли, то какой я должен создать химический завод, сколько должен взять исходного сырья, как я должен организовать выброс отходов и их утилизацию для получения определенного биогеохимиками количества продукции. Не поддержания на Земле на длительных временах в тысячи и миллионы лет заданной массы биополимеров определенного состава в био-, гео-и фотохимических циклах в биоценозах, а именно их получения. Нужно еще учесть, что есть времена «выпуска заводом продукции» и есть химические времена, времена пребывания реагентов в реакторах и передвижения реагентов из реактора в реактор.

Рис. 4. Происхождение жизни как первичное производство биополимеров.

Эти времена синтезов органических соединений составляют сутки, максимум, что можно себе представить — годы, десятки, но не тысячи лет. За тысячи и более лет скорее происходит деструкция, разложение органических соединений. Далее, один из важнейших вопросов — куда мы должны девать отходы? Не менее важный вопрос с точки зрения реакторов и химических технологий — как подводится, используется и отнимается энергия в комплексе эндо- и экзотермических реакций? Такая постановка вопроса не рассматривалась ранее, не исключение и упомянутые выпуски журнала ВХО им. Д.И. Менделеева, посвященные происхождению и эволюции жизни. На мой взгляд, это перспективный методологический подход к изучению проблемы абиогенного синтеза пребиотического вещества, поскольку происхождение жизни выходит за рамки последних 3.9 млрд. лет, которые геологически документированы для Земли. Кроме того, химические технологии требуют как экспериментальную демонстрацию своих процессов последовательно на лабораторном, пилотном и опытно-промышленном уровнях, так и проведения количественных инженерных расчетов. Все это возвращает далекие от реальности идеи и фантазии на прокрустово ложе базовых законов сохранения в балансовых соотношениях.

Итак, «проблема химического завода» — рис. 5. На «планете бактерий» (Заварзин, 2008) углерода биологического органического вещества несколько единиц на 10¹⁸ г. Если я добавлю сюда воду, азот, то получаю число примерно 10¹⁹ г состава ((CH₂0)_l06(NH₃)₁₆H₃P0₄)_n. Л.М. Мухин (1980) утверждал, что выходы в синтезах нуклеотидов, Сахаров и других важных компонентов составляют значения в 0.01 % по массе. Обычно выходы полинуклеотидов при переходе к «миру РНК» также указываются в 0.01 %. Мной не найдены литературные сведения о возможных выходах продукции при переходе от «мира РНК» к простейшим клеткам и далее к «планете бактерий». И я принял (но здесь требуется уточнение, стоит вопрос) то же самое значение 0.01 % по массе, что соответствует двум стадиям самоорганизации в этом переходе. А теперь собираем все порядки. Итого на трех основных этапах выход составил 10^-12, двенадцать порядков! Для того чтобы на поверхности Земли получить 10¹⁹ г бактерий, в качестве сырья на входе «химического завода» нужно иметь 10³¹ г углерод-азот-кислородного сырья. А если по космической распространенности элементов я добавлю еще два порядка по массе водорода и гелия, то необходимое общее количество сырья на входе «завода» 10³³ г, что всего в два раза меньше массы современного Солнца. Число астрономическое.

Рис. 5. Проблема «химического завода».

В учебниках по химическим технологиям написано, что нужно делать, чтобы уменьшить это число, количество исходного сырья. Для этого мы должны кардинально увеличить выходы особенно на первых стадиях, решив как минимум две проблемы. Во-первых, найти наиболее эффективные синтезы с катализаторами. И, во-вторых, создать для них экономичные реакторы, которые еще должны быть согласованы по массо- и теплообмену по всей цепочке синтезов. Мы должны согласовать абсолютно всю цепочку синтезов от сырья из простейших соединений до конечной продукции клетки и «планеты бактерий». Если у нас возникнет затор в одном хотя бы месте, то это будет означать, что вся цепочка, весь «завод» не работает. В этом случае на временах в миллиарды лет заведомо происходит как деструкция наработанных полупродуктов, так и разрушение самого «завода». Что еще мы можем сделать с точки зрения химических технологий? Мы можем сменить исходное сырье и вместо инертных, трудно активируемых молекул — СН₄, СО₂, N₂, — использовать реакционноспособные соединения. Тогда их нужно найти. И зададим еще один, возможно, самый главный, или ключевой, вопрос. А может, и нет ничего страшного в этом числе 10³³ г, и в происхождении жизни действительно участвовало вещество, по массе сравнимое с Солнцем? Положительный ответ переводит проблему происхождения жизни из геохимии в астрохимию и астрофизику.

Современный космохимический ответ на вопрос об исходных высоко реакционноспособных соединениях на первый взгляд очень прост. Даже вся Земля, а не только ее атмосфера и поверхность с привнесенным метеоритным дождем, не имела и не имеет указанной массы исходного вещества для первичного абиогенного синтеза органических соединений. А вот молекулярные облака и околозвездные диски сразу предоставляют необходимое сырье. В его состав помимо метана, воды, диоксида углерода входят многие активные и в обычных условиях неустойчивые соединения, которые идентифицированы астрофизиками и астрохимиками. Среди этих соединений можно отметить цианводород, формальдегид, аммиак, монооксид углерода, формамид и другие молекулы и многие радикалы. Поэтому здесь не надо придумывать никаких молний, вулканов и тому подобных плазмохимических, электродуговых, фото- и прочих реакторов с их экстремальными условиями, к примеру, расплавленных лав или суперкритических сред для активации инертных соединений. А при этом — с разрушением сложных молекул и стерилизацией среды. Это примерно так же, как нас заставили бы производить этилен из метана, вместо того, чтобы воспользоваться другим источником сырья — этаном в составе добываемого природного газа.

Если волею судеб Вас занесло на адриатическое побережье Балканского полуострова, то Вам определенно точно понадобиться карта Черногории туристическая, которая поможет Вам не заплутать, прогуливаясь по живописным улочкам этого европейского государства.

Хотите побаловать близких изысканным кулинарным шедевром, приготовленным своими собственными руками? Тогда, просто вбейте в поисковую строку Яндекса запрос “торт черепаха рецепт”, который непременно приведет Вас на сайт www.vdvoem.su, уже ставший путеводителем по миру кулинарии для тысяч гурманов со всей России и ближнего зарубежья.

АСТРОКАТАЛИЗ — АБИОГЕННЫЙ СИНТЕЗ И ХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ НА ДОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЭТАПАХ ФОРМИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

© 2009 г. В.Н. Снытников

Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН

Биосфера на Земле появилась в результате самоорганизации вещества при возникновении Солнечной системы. С использованием методов изучения самоорганизации и на основе имеющихся естественнонаучных данных выяснено, что основными этапами химической эволюции в становлении биосферы являются «холодная предыстория жизни» в плотных молекулярных облаках, «допланетный хемоценоз», «мир РНК» в околосолнечном диске и первичные биоценозы из протоклеток (жизнь) на допланетных телах. Масса первичной биосферы на поверхности ранней Земли оценена в 2.4×10¹⁹ кг по углероду. Деструкция первичной земной биомассы и биогеохимические циклы привели за 2.5 млрд. лет к «планете бактерий» с 2.0×10¹⁵ кг биоты в протерозое с кислородной атмосферой. Установлены основные параметры — давление, температура, состояние каталитической твердой фазы — на этих этапах возникновения жизни. Показано, что абиогенный синтез пребиотического вещества осуществлялся в Солнечной системе в грандиозных масштабах с участием практически каждого атома всех элементов в наночастицах — катализаторах. Отбор среди каталитически активных наночастиц происходил по способности синтезировать высокомолекулярные соединения в допланетном диске. Допланетная химическая эволюция шла с участием автокатализаторов, начиная уже с таких простых веществ как этилен и гликолевый альдегид. Первичный синтез автокатализаторов осуществлялся через внешнее высокоэнергетическое воздействие, к примеру, посредством ультрафиолетового излучения.

Проблема происхождения жизни — это крупнейшая проблема, которая нам досталась в наследство от XX в. В первую очередь мне было интересно ответить на вопрос, что изменилось в исследованиях по этой проблеме и в чем было максимальное продвижение за последние 30 лет. Почему взят отрезок времени именно в 30 лет?

Дело в том, что в 1980 г. два вышедших подряд выпуска журнала Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева (Журнал ВХО, 1980. № 3-4) были полностью посвящены происхождению и эволюции жизни. В № 3 напечатана одна из последних статей А.И. Опарина. В этих же номерах был затронут практически тот же круг вопросов, который обсуждался и на совещании «Проблемы происхождения жизни» в 2008 г. Кроме того, два автора тех выпусков — Л.М. Мухин и НС. Кардашев — участвовали в наших заседаниях.

Рис. 1. Примеры структурообразующих систем с биоценозами. S_e — экспортируемая энтропия, S_i — производство энтропии в системе в неравновесных процессах.

Первое, что обращает на себя внимание — интенсивное изучение дальнего и ближнего космоса. Это уже нашло свое отражение в выступлениях на нашем совещании. Второе. На сегодня весьма сильно развиты информационные подходы, что ранее проходило под термином «кибернетика». Третье. Стало редким обсуждение проблем термодинамики и второго закона возрастания энтропии для изолированных систем. Почему? По моему мнению, интерес переместился в область нелинейных неравновесных процессов в открытых системах (Эбелинг и др., 200I). Кроме того, найдено несколько полезных и важных примеров, на которых на качественном уровне можно понять эти проблемы. Остановимся здесь чуть подробнее.

Рассмотрим либо замкнутую систему, либо открытую систему, в которую попадает поток энергии. Ровно тот же поток энергии уходит из этой системы. Но приходит энергия с большей температурой, чем та, с которой энергия уходит. В этом случае система экспортирует энтропию. Примеры таких систем известны достаточно хорошо (рис. 1). Прежде всего, это наша Земля, на которую падает излучение от Солнца с температурой 6000 К. В свою очередь Земля излучает энергию в космос, который имеет температуру 2.7 К. Излучение Земли в космос определяется в основном атмосферой. Меньшую часть излучает поверхность Земли. Взяв для оценки значение 300 К температуры поверхности, мы получаем величину энтропии dS_e/dt=-6·10¹⁴ Вт/К, которую Земля непрерывно экспортирует в космос в единицу времени. Еще один пример это литосфера Земли. Через нее высокотемпературная энергия из ядра Земли выходит на охлаждаемую атмосферой поверхность Земли. Приведем соответствующую оценку для экспорта энтропии dS_e /dt=-10¹¹ Вт/К для литосферы. И последний пример — обычные вулканы и подводные «черные курильщики», для которых эта величина не столь значительна.

Тем самым, повторю давно сделанный вывод из термодинамики, что Земля как физическое тело — это замкнутая система, теряющая энтропию на временах своего существования. Биосфера на ее поверхности и на глубине это открытые системы. Во всех указанных примерах в системах возможна самоорганизация (развитие, усложнение) в границах, которые определяются балансом между экспортом энтропии и ее ростом внутри в неравновесных процессах. Интересный и тут же возникающий вопрос. Связанные сегодня между собой биоценозы в наземных, глубинных подземных и в подводных вулканических системах имеют одного родоначальника или же они возникли и развивались автономно друг от друга?

Рис. 2. Самоорганизация в системе при возникновении новой структуры с разрушением исходной.

Следует отметить еще одно направление исследований, в котором имеется значительное продвижение. Это проблемы самоорганизации в приложениях к различным объектам, начиная космологическими явлениями и вплоть до событий социальных и исторических. Происхождение и эволюция биосферы — одна из таких проблем. Задачи в этой области являются принципиально нестационарными, динамическими. Часто исследования ведутся на качественном, описательном уровне, хотя основы для количественных моделей уже заложены (Эбелинг и др., 2001).

С общефизической точки зрения подход к решению проблемы самоорганизации, как выше было уже отмечено, состоит в рассмотрении открытой системы. Открытая система в квазистационарном состоянии подстраивается под приход и уход энергии или соответствующей массы. Насколько полно выполняется баланс между приходом и уходом зависит от конкретного объекта. Примером может служить биосфера с неполной замкнутостью цикла по углероду. Если приход энергии компенсирует ее потери, то и система может оказаться стабильной по своему внутреннему состоянию даже при значительном экспорте энтропии. При изменении внешних условий или внутренних параметров прихода-ухода энергии система двигается к состоянию, в котором начинают развиваться неустойчивости (рис. 2). Неустойчивое состояние означает, что все обычно небольшие и затухающие флуктуации, присутствующие в этой системе, начинают резко усиливаться и достигают макроуровня. Из этих макросостояний остаются только те, которые соответствуют новым условиям, внешним и внутренним. Происходит отбор и, конечно, он естественный.

Исходная система может перестроиться вся в целом с потерей исходного состояния, как схематично показано на рис. 2. Но перестройка может пройти и так, что внутри исходной системы может возникнуть какое-то новое состояние или новый уровень (рис. 3). В этом случае считается, что в исходной системе произошло усложнение. В литературе иногда встречается термин «упорядочивание» (Климонтович, 1990; Галимов, 2008) в смысле возникновения коллективного согласованного движения в противоположность хаотическому. Приведу примеры такого сорта усложнений.

Барионы имеют массу в 4 % от всей гравитирующей материи. Тяжелые элементы среди всех барионов с большей, чем у водорода и гелия, атомарной массой. Таких тяжелых элементов во Вселенной около 1 % среди барионов.

Рис. 3. Самоорганизация в системе при возникновении новых структур с сохранением исходной.

Звезды относительно всей видимой материи во Вселенной — всего-то 0.5 %. Масса планет в Солнечной системе (СС) — масштаба 0.1 % от системы. И если брать примеры уже из биологии, то, прежде всего можно привести трофические цепи. Число их уровней невелико, в «Биологическом словаре» (1993) указано 4-5. А вот предельная энергия, которую один уровень может передать другому без своего разрушения, не превышает 10 %.

Итак, характерная масса нового состояния для одного этапа в процессах самоорганизации в природе составляет примерно 1 % исходной системы. Последовательная цепь возникающих новых состояний от, ограничим себя, синтеза барионов до зарождения и эволюции биосферы представляет собой развитие в природе. Хотя бы из-за охлаждения нашей расширяющейся Вселенной это развитие однонаправлено. Так, тяжелые элементы при стабильном протоне не распадаются. Поскольку новые состояния формируются через неустойчивость (кризис), то смысл и использование терминов типа «устойчивое развитие» должны определяться отдельно.

ФАКТОРЫ, ОГРАНИЧИВАЮЩИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЕ, СУЩЕСТВОВАНИЕ И ЭВОЛЮЦИЮ ЖИЗНИ НА ПЛАНЕТАХ, ПОДОБНЫХ ЗЕМЛЕ

В марте 2009 г. на орбиту спутника Земли выведен аппарат «Кер1ег» (США), предназначенный для поиска экзопланет, обладающих комфортными для возникновения жизни условиями. «Комфортность» физических условий понимается применительно именно к нашей, амино-нуклеино-кислотной форме жизни. В качестве вероятной среды обитания приняты гипотетические планеты, аналогичные группе Земли. Планеты-гиганты (газо-жидкой природы), если не принимать всерьез некоторые фантастические гипотезы, требованиям земной биосферы не удовлетворяют. Однако таким требованиям могут отвечать спутники планет-гигантов.

В литературе обычно приводятся следующие ограничения: с одной стороны, существование жидкой воды, с другой — конденсация углекислого газа (что в подавляющем большинстве случаев не позволяет развиться парниковому эффекту). С учетом последнего, такая зона охватывает интервал планетных орбит от уровня «саморазгоняющегося» парникового эффекта (для Солнечной системы это случай Венеры), до, примерно, орбиты Марса. Оба ограничения, по существу, температурные. Коагуляция белков происходит при температурах >65 °С; следовательно в комфортных зонах температурный интервал должен быть 273<Т<340 К.

Можно напомнить, что в моих работах (Ксанфомалити, 1995, 2008; Ksanfomality, 2002) были сформулированы наиболее очевидные факторы, ограничивающие возникновение, существование и эволюцию жизни на планетах земного типа. Масса планеты или спутника накладывает дополнительные ограничения при переходе к многоклеточным формам. Это ограничения энергетического характера, зависящие от уровня гравитации. Энергетически выгодны небольшие размеры организмов, так как их энерговооруженность обратно пропорциональна примерно квадрату характерных линейных размеров. С другой стороны, достаточно сложные животные не могут быть маленькими. Но слишком крупные виды вынуждены существовать в эволюционном тупике, образуемом положительной обратной связью энергетика-масса-пища. Ограничения очевидны, и о них природа ясно говорит зоологией: животных, больших, чем синие киты и гигантские рептилии, на Земле не было.

Уровень гравитации планеты должен быть умеренным, а период вращения не слишком длительным; слишком долгая ночь приведет к глубокому падению температуры окружающей среды. По тем же причинам эксцентриситет орбиты должен быть умеренным, а наклон экватора к плоскости орбиты не слишком большим.

Эволюция жизни земного типа требует, чтобы атмосфера планеты обладала способностью отфильтровывать внешнюю жесткую радиацию. Вместе с тем, атмосфера должна пропускать к поверхности фотоны с энергией Е = 1-3 эВ, а плотность лучистой энергии должна быть достаточной, например, для поддержания фотосинтеза. Для поддержания жизни земного типа, планета, наряду с притоком лучистой энергии, должна обладать наличием других (химических) источников энергии, например, окислительной среды и окисляемых материалов.

Если исходить из гипотезы возникновения жизни в водоемах, необходимы открытые водные пространства и наличие континентов или крупных островов. В атмосфере должен присутствовать водяной пар.

Для развития жизни земного типа планета должна обладать достаточно близким и массивным спутником, который вызывает приливы и побуждает морские организмы осваивать сушу.

Планета должна обладать вулканизмом и/или тектоникой плит. В районах активного вулканизма значительно увеличивается концентрация в водных растворах веществ, необходимых для существования жизни.

История планеты должна включать эпохи интенсивного выпадения крупных метеоритов или другие космические катастрофы, которые стимулируют обновление видов и появление среди них наиболее приспособленных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Планета Земля представляет собой уникальное сочетание физических свойств, необходимых для возникновения, существования и эволюции жизни. Возможно ли подобное сочетание на планетных системах других звезд — станет ясным не раньше, чем планеты земной группы будут там реально обнаружены. Перечисленные выше требования образуют странный многомерный лабиринт, причем лишь узкие интервалы многих параметров и их сочетания могут обеспечить условия, необходимые для возникновения амино-нуклеино-кислотной формы жизни и ее эволюции в разумные формы. Анализ условий на других телах Солнечной системы показывает, что Земля действительно обладает свойствами, не повторяющимися ни на одной из других планет земной группы.

Самым действенным двигателем интернет торговли праву считается контекстная реклама, благодаря которой о предлагаемой вашим предприятием продукции узнают тысячи потенциальных покупателей. Более подробно о плюсах и минусах контекстной рекламы Вы сможете узнать, посетив сайт компании AD|LABS-Украина, который находится по адресу adlabs.com.ua.

Вода в жидкой фазе на поверхности Марса

После первых измерений с аппаратов «Viking» возникла и стала быстро развиваться идея о том, что водные запасы Марса сконцентрированы в подпочвенной мерзлоте (и полярных шапках) планеты (Soderblom, Wenner, 1978; Carr, 1979, 1981, 1996; Squires et al., 1992; Clifford, 1993). Часто утверждается, что жидкая вода, необходимая для жизни и метаболизма, не может существовать на поверхности Марса и никогда там не появляется (Hecht, Vasavada, 2006). Присутствие жидкой воды на поверхности многие авторы считают исключенным не только из-за низких средних температур на Марсе (Т≈220 К), но и по причинам, определяемым термодинамическими свойствами системы [лед-вода-водяной пар]: при давлении 6.1 мб и ниже, вода кипит при любой температуре, допускающей ее жидкое состояние. Разумеется, парциальное давление водяного пара (p_aq = n_aq кТ), из-за малого отношения смеси, составляет ничтожную долю давления атмосферы Марса, состоящей почти полностью из углекислого газа. Сама величина 6.1 мб, принятая для «средней» поверхности планеты, соответствует тройной точке диаграммы состояния воды [лед-вода-водяной пар] при 0.01 °С, и была выбрана как удобная абстракция для среднего давления у референтной эквипотенциальной поверхности.

Данная тема активно обсуждалась в печати. Мной указывалось (Ксанфомалити, 2003): реальные значения давления атмосферы у поверхности Марса, с его большими перепадами высот z, лежат в широких пределах, как это следует из барометрической формулы:

где H(z) — шкала высот атмосферы, H(z) = kT/mg (здесь к — постоянная Больцмана, m — средняя молекулярная масса и g — ускорение свободного падения на уровне 6.1 мб). Из формулы следует, что давление составляет 0.6 мб на вершинах неактивных вулканов области Фарсида (высота до z=24 км относительно уровня 6.1 мб), 9 мб в глубоких частях каньона Кондор (z=- 4 км) и 10 мб на дне впадины Эллада. Таким образом, своеобразный «запрет по давлению», т. е. широко распространенное мнение о том, что вода вообще не может существовать в жидком виде на поверхности Марса, неверен. Запрет не носит абсолютного характера, поэтому определенные образования на поверхности планеты могут иметь природу, связанную с водой. (Другое дело, что бюджет жидкой воды на Марсе весьма ограничен). На рис. 7 показаны области существования льда, пара и воды на Марсе. Небольшая центральная часть диаграммы с горизонтальной штриховкой указывает на зону возможного существования воды в жидком виде на поверхности Марса.

На сайте www.nafutbolke.com Вы найдете яркие и креативные футболки с прикольными рисунками, которые не позволят Вам слиться с серой толпой унылых обывателей.

ЭВОЛЮЦИЯ ДРЕВНЕГО МИРА РНК ПУТЕМ «СИСТЕМАТИЧЕСКОГО ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНОГО ОБОГАЩЕНИЯ» (SELEX)

В 1990 г. одновременно тремя группами ученых в США (Tuerk, Gold, 1990; Ellington, Szostak, 1990; Robertson, Joyce, 1990) была опубликована методология бесклеточной селекции или бесклеточной эволюции в пробирке молекул некодирующих РНК, позволившая быстро получать в лаборатории нужные синтетические функционально активные РНК, специфически взаимодействующие с определенными лигандами (аптамеры) или катализирующие определенные химические реакции (искусственные рибозимы), а также совершенствовать функции таких РНК. Оказалось, что эта методология может указать тот путь, которым, возможно, шла естественная эволюция древнего мира РНК. Суть методологии «эволюции в пробирке» состоит в многократном чередовании стадий селекции и амплификации РНК («Systematic Evolution of Ligands by Exponential enrichment)), SELEX). После того как в лаборатории А.Б. Четверина была экспериментально показана возможность существования, роста и амплификации молекул РНК в форме колоний на влажных твердых средах, можно было предположить, что подобное чередование процессов селекции и амплификации могло иметь место на первобытной Земле (Спирин, 2005). Действительно, важным свойством молекулярных колоний РНК является то, что они не имеют никакой ограничивающей их оболочки, удерживающей молекулы внутри компартмента: молекулы РНК удерживаются вместе только благодаря их локализации на твердой поверхности в отсутствие перемешивания и конвекции, типичных для жидкой среды. Это — временное состояние, и любое затопление должно приводить к растворению колоний и перемешиванию всех РНК в общей луже.

Исходя из вышесказанного, можно предложить следующий сценарий «естественного первобытного SELEX’a». (1) Когда функционально различные молекулы РНК, включая РНК-реплицирующий рибозим, оказываются в одной луже, вся популяция РНК количественно увеличивается, а благодаря реакциям спонтанной трансэстерификации (реакция Четвери-на) и ошибкам репликации увеличивается и разнообразие молекул.

Рис. 7. Сценарий возникновения и эволюции мира РНК (Спирин, 2005).

(2) Когда лужа подсыхает, молекулы РНК оказываются на влажной поверхности глины или другого минерального субстрата, и при наличии в данном месте молекулы РНК-реплицирующего рибозима и нескольких других молекул РНК, обеспечивающих связывание нужных веществ и катализ нужных реакций, образуется и растет смешанная колония РНК; наиболее успешные колонии (т. е. колонии с наиболее активными и лучше всего дополняющими друг друга молекулами РНК) растут быстрее других. (3) Последующее затопление подсушенного водоема или его части растворяет колонии, и в общем водоеме опять начинается общая амплификация, но уже в популяции, обогащенной «хорошими», т.е. активными и функционально дополняющими друг друга молекулами. Таким путем чередующиеся затопления и подсушивания РНК-содержащих водоемов (луж) обеспечивают систематическое обогащение популяции РНК функционально лучшими молекулами («систематическая эволюция путем экспоненциального обогащения»). Именно таким путем и мог развиваться и эволюционировать древний мир РНК. Две ипостаси этого мира РНК сосуществовали на Земле и переходили друг в друга: коммунальные сообщества размножающихся и разнообразящихся индивидуальных молекул РНК, растворенных в водной среде луж, где реализовался принцип «от каждого по способностям, каждому по потребностям», и конкурирующих особей в виде смешанных колоний РНК, временно существующих и растущих на влажных поверхностях. Общая гипотетическая картина существования и эволюции древнего мира РНК дана на рис. 7.

Таким образом, циклы амплификации-селекции вышеописанного типа могли быть основной формой существования эволюционирующего древнего мира РНК на первобытной Земле. Эволюционный процесс должен был быть исключительно быстрым благодаря трем обстоятельствам. Во-первых, непрерывные спонтанные рекомбинации и перестройки молекул РНК, а также низкая точность примитивных механизмов репликации, обеспечивали широчайшее поле вариантов для отбора. Во-вторых, свободный латеральный перенос и обмен молекулами РНК между колониями через воду и атмосферу делал любые полезные инновации достоянием всех и позволял колониям быстро совершенствоваться в течение короткого времени их существования. В-третьих, экспоненциальное обогащение всей популяции «лучшими» молекулами РНК в циклах амплификации-селекции создавало мощный эволюционный двигатель для всего коммунального мира РНК в целом.

В свое время К. Вуз (Woesc, 1998) выдвинул концепцию «Универсального Предшественника» живых существ на Земле. Он предположил, что предшественники современных организмов — «прогеноты» — представляли собой примитивные особи, лишенные полноценной внешней мембраны или любого другого барьера, который бы препятствовал свободному обмену генетического материала между ними. Они характеризовались высоким уровнем мутаций (ошибок репликации) из-за примитивности и несовершенства механизмов репликации генетического материала и интенсивным латеральным обменом генами и продуктами, когда любые продукты и инновации одних становились достоянием всех. Тем самым они существовали как коммуна, и этот коммунальный мир отличался очень высокой скоростью эволюции. Именно этот коммунальный мир «прогенотов», без строго очерченных индивидуальностей, Вуз предложил считать универсальным предшественником всех живых организмов на Земле. В результате эволюционного распада этого единого коммунального мира обособились три главные линии клеточных живых существ — бактерии (эубактерии), археи (архебактерии) и эуакарии (эукариоты), — обладающие одинаковым генетическим кодом — кодом своего универсального предшественника. В настоящее время, в свете всех данных и представлений о мире РНК, представляется возможным передать роль Универсального Предшественника коммунальному сообществу колоний-ансамблей РНК, временно существующих на твердых или гелеобразных поверхностях первобытной Земли, не ограниченных физически никакими мембранами и фазовыми разделами и потому свободно обменивающихся как генетическим материалом, так и продуктами катализируемых реакций, а затем растворяющихся в общей коммуне и заново собирающихся в новых комбинациях молекул. Как уже указывалось выше, такая коммуна должна была очень быстро эволюционировать. Во всяком случае, если мир РНК возник и эволюционировал в клеточные формы жизни на Земле, то весь путь эволюции до индивидуальных организмов с клеточной структурой, ДНК и современным аппаратом белкового синтеза должен был быть пройден менее чем за полмиллиарда лет, — во временной промежуток между возникновением планеты Земля 4.6 млрд. лет назад и появлением на Земле первых клеточных организмов современного типа 3.8-3.9 млрд. лет назад.

Конечно, вполне вероятной альтернативой этому сценарию может быть космическое происхождение жизни на Земле: примитивные клеточные формы жизни — скорее всего бактерии и/или археи — были занесены на Землю из ближнего или далекого космоса, возможно, как раз в период интенсивной метеоритной бомбардировки между 4.6 и 4 млрд. лет назад, а в дальнейшем на Земле происходила лишь их эволюция в высокоразвитые многоклеточные организмы. В последнее время именно эта точка зрения приобретает все больше сторонников, так как само возникновение и существование безбелкового мира РНК на первобытной Земле сталкивается со многими, не разрешимыми пока, проблемами (Спирин, 2007). Тем не менее, это не снимает принципиального вопроса о возникновении клеточной формы жизни из мира РНК, а лишь переносит его на другие космические объекты.

Лучшим подарком для вашей возлюбленной станет lacoste сумка! Однако, существует большая вероятность того, что вместо изысканного кожаного изделия вы преподнесете в подарок подделку и, как результат, получите вместо желанного поцелуя звонкую пощечину. Чтобы исключить всякую вероятность подобного развития событий, я настоятельно советую Вам приобрести сумку Лакост в проверенном временем интернет-магазине ShopTop, который Вы найдете по адресу www.shoptop.su.

КОМПАРТМЕНТАЛИЗАЦИЯ КАК УСЛОВИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ

Возникновение и существование мира РНК на Земле естественно требовало жидкой водной среды с нейтральной рН и растворенными солями одновалентных металлов (в первую очередь К^— и Na^—) и Mg^2-. Скорее всего это были мелкие водоемы и лужи («Дарвиновские пруды»), где могли концентрироваться абиогенно возникающие органические вещества; океанские просторы вовсе не годились для этого. (Впрочем, как полагает большинство геологов и палеонтологов, в то время океаны на Земле, по-видимому, еще и не существовали). Присутствие РНК-репликазной активности в водной среде РН К-содержащей лужи или пруда давало в результате эффект амплификации всех олиго- и полирибонуклеотидов этого водоема, т.е. рост общей популяции молекул РНК. Однако, на этом этапе еще не могло быть никакого отбора «лучших» и, стало быть, никакой биологической эволюции.

Дело в том, что в таком случае эффективный РНК-реплицирующий рибозим, присутствующий в луже, одинаково хорошо должен был амплифицировать как редкие молекулы РНК, обладающие какими-либо полезными для популяции свойствами (например, адсорбция из среды или катализ синтеза нужных веществ), так и основную массу неактивных, балластных молекул РНК. Чтобы естественный отбор начал работать, необходима была какая-то форма компартментализации, обособления отдельных ансамблей РНК, в которых рибозимы и их продукты удерживались бы вместе. Только тогда естественный отбор мог отличить те РНК, чей продукт лучше, и те ансамбли, чьи РНК функционально лучше дополняют друг друга. Лучшие обособленные ансамбли РНК — первозданные особи — должны расти быстрее других, перерастать других, тем самым обеспечивая отбор лучших.

По-видимому, впервые идея «обособления от окружающей среды» как предпосылки для того, чтобы воспроизводящаяся система макромолекул могла эволюционировать, была выдвинута А.И. Опариным (1924). В качестве наиболее примитивного способа первичной компартментализации, который мог бы осуществляться в присутствии абиогенно возникающих полипептидов и белков, он предложил коацервацию — образование капелек концентрированного золя в разбавленной среде с растворенными макромолекулами. Это было логично в рамках гипотезы Опарина о начале жизни на основе абиогенного синтеза белка (хотя в конце концов ученый мир пришел к пониманию того, что на основе белков без нуклеиновых кислот невозможно создать самовоспроизводящуюся систему). Однако, согласно гипотезе о древнем мире РНК, этот мир был «однополимерным», и по причине отсутствия полипептидов, полисахаридов и других полимеров, способных к коацервации, да еще и в достаточно больших концентрациях, компартментализация ансамблей РНК в виде коацерватных капель кажется маловероятной. Тем не менее, для того чтобы каждый ансамбль РНК мог существовать как система, наследовать приобретенные признаки, полезные для всей системы, и эволюционировать, его РНК-реплицирующий рибозим, лиганд-связывющие РНК, нуклсотид-синтсзирующис рибозимы и продукты синтезов должны быть, очевидно, как-то связаны, объединены в пространстве. Поэтому в большинстве теорий происхождения жизни возникновение каких-то примитивных ограничивающих мембран или хотя бы поверхностей раздела фаз постулируется необходимым условием начала эволюции, в том числе эволюции ансамблей РНК. И в этом состоит одна из основных трудностей таких теорий.

Возможна, однако, и очевидная альтернатива обособлению за счет мембран или поверхностям раздела фаз. Как уже указывалось выше, А.Б. Четвериным с сотрудниками была экспериментально показана способность молекул РНК формировать молекулярные колонии на гелях или других влажных твердых средах, если на этих средах им предоставлены условия для репликации (рис. 6). Смешанные колонии РНК на твердых или полутвердых поверхностях, без каких-то ни было мембран, и могли быть первыми эволюционирующими бесклеточными ансамблями, где одни молекулы выполняли генетические функции (репликацию молекул РНК всего ансамбля), а другие формировали структуры, необходимые для успешного существования (например, такие, которые адсорбировали нужные вещества из окружающей среды) или были рибозимами, ответственными за синтез и подготовку субстратов для синтеза РНК (Спирин, 2003). Такая бесклеточная ситуация создавала условия для очень быстрой эволюции: колонии РНК не были отгорожены от внешней среды и могли легко обмениваться своими молекулами — своим генетическим материалом. Легкое распространение молекул РНК через среду, в том числе атмосферную, также было продемонстрировано в прямых экспериментах (Chetverin ct al., 1991).

Эта альтернатива представляется вероятной потому, что образование колоний РНК легко себе представить как естественное следствие подсыхания лужи, населенной молекулами РНК: на влажной поверхности глины, в тех местах, где оказывался РНК-реплицирующий рибозим, молекулы РН К, осевшие на поверхность, должны были амплифицироваться и образовывать колонии при условии, что необходимые органические вещества (предшественники пуринов, пиримидинов, рибозы и т. д.) и высокоэнергетические фосфаты присутствовали на той же поверхности. Таким путем могли образовываться смешанные колонии РНК с различными функциональными активностями. Такой ансамбль молекул РНК в виде растущей смешанной колонии мог быть успешным в своем существовании и росте, если он включал в себя (1) лигапд-связывающис РНК для избирательной адсорбции и аккумуляции необходимых веществ из окружающей среды, (2) набор рибозимов, катализирующих метаболические реакции для синтеза нуклеотидов и их активированных (фосфорилированных) производных, и (3) рибозим, катализирующий комплементарную репликацию всех РНК колонии.

Наиболее серьезным следствием компартментализации РНК в форме смешанных колоний было появление механизма естественного отбора: колонии, содержащие РНК, более активные и более подходящие друг другу (функционально дополняющие друг друга) могли расти быстрее, становиться больше и тем самым «перерастать» другие колонии, вытеснять их. Таким образом, образование компартментализованпых ансамблей функционально дополняющих друг друга РНК в качестве особей, способных расти и конкурировать друг с другом, представляется вероятным без окружающих их мембран или оболочек другого типа, и даже без четкой границы раздела.

Приехали в Киев, но совершенно позабыли составить план знакомства с этим славным городом? Вряд ли Вас смогут заинтересовать музеи, выставки и т.п. заведения, прославляющие богатую и разнообразную культурную жизнь города, поэтому давайте перейдем к самому главному вопросу: “Какие пивные достопримечательности Киева стоит посетить в первую очередь?”. Ответ Вы найдете на www.beerplace.com.ua, являющимся, по мнению большинства истинных любителей пенного напитка, сайтом №1 о пабах, барах и пивных ресторанах.