Условия первичной гидросферы в процессе происхождения органических форм жизни в горячей минеральной воде

Авторы:
© Игнатов И., Мосин О.В.
Перепечатка только с согласия авторов.

В статье обсуждается изотопный состав первичной водной среды, ее температура и показатель pH в экспериментах по моделированию условий первичной гидросферы и происхождения первых органических форм жизни в горячей минеральной воде. Рассмотрен синтез органических молекул аминокислот, протеинов, нуклеиновых кислот и термических микросфер-протеиноидов из неорганических молекул, а также возможные реакции, протекающие в первичной водной гидросфере с показателем pH = 9…10 в условиях повышенных температур. Методом ИК-спектроскопии (ДНЭС-метод) исследованы образцы горячей минеральной, морской и горной воды из различных термальных источников Болгарии. Показано, что щелочная минеральная вода с температурой от +65 0C до +95 0C и значением показателя pH от 9 до 11 является более подходящей для возникновения органических форм жизни, чем другие исследованные образцы воды. Значение показателя кислотности морской воды ограничено значениями pH от 7,5 до 8,4 единиц. Высказано предположение, что в первичной гидросфере мог накапливаться дейтерий в форме HDO.

Введение

Природная распространённость дейтерия (D) составляет 0,015…0,020 атом.% D [1]. Источником дейтерия во Вселенной являются вспышки сверхновых звёзд и термоядерные процессы, идущие внутри звёзд. Возможно, этим объясняется тот факт, что мировое количество дейтерия повышается в период глобальных потеплений и изменений климата. Гравитационное поле Земли недостаточно сильное для удержания лёгкого водорода, и наша планета постепенно теряет водород в результате его диссоциации в межпланетное пространство. Водород улетучивается быстрее тяжелого дейтерия, способного накапливаться в земной гидросфере. Поэтому в результате этого природного процесса фракционирования изотопов H/D в процессе земной эволюции должно происходить накопление дейтерия в поверхностных водах, в то время как в атмосфере и в водяном паре содержание дейтерия низкое. Таким образом, на планете происходит масштабный природный процесс разделения изотопов H и D, играющий существенный роль в поддержании жизни.

Сотношение D/H (изотопные сдвиги, δ, ppm) по международному стандарту SMOW, соответствующему стабильной по изотопному составу воде Мирового океана, составляет: D/H = (155,76±0,05).10−6 (155,76 ppm) [2]. По международному стандарту природной воды из Антарктики SLAP с самым низким содержанием дейтерия, соотношение D/H в воде составляет D/H = 89.10−6 (89 ppm). Для природных вод чаще всего характерны отрицательные отклонения от SMOW на (1,0…1,5).10-5, в отдельных случаях до (6,0…6,7).10-5, но встречаются и положительные отклонения до 2,0.10-5. В среднем в природных водах соотношение D/H составляет 1:5700. Дейтерий в природных водах распределен неравномерно: варьируя от 0,015 атом.% D для воды из Антарктического льда, до 0,02…0,03 атом.% D для речной и морской воды. Талая вода и горная вода, полученная за счет таяния ледников содержит на ~3…5 % меньше дейтерия, чем речная вода. В среднем, в 1 тонне речной воды содержится ~150…300 г. дейтерия. Воды других подземных и поверхностных источников содержат разное количество дейтерия от δ = +5,0 D,%, SMOW (Средиземное море) до to δ = –105 D,%, SMOW (река Волга).

Исследования, проведенные авторами раннее, свидетельствуют о том, что первичная вода на ранних стадиях эволюции содержала больше дейтерия, и он был распространен неравномерно в атмосфере и гидросфере [3]. Как известно, первичная атмосфера Земли обладала восстановительными свойствами и состояла, в основном, из смеси газов — CO, Н2, N2, NH3 и CH4. В условиях восстановительной атмосферы отсутствовал защитный кислородно-озоновый слой, экранировующий поверхность Земли от жесткого коротковолнового солнечного излучения, несущего большую энергию, способного вызвать фотолиз и радиолиз воды. Процессами, сопровождающими накопление дейтерия в гидросфере признаны радиационное излучение, вулканические геотермальные процессы и электрические разряды в атмосфере. Эти природные процессы могли явиться результатом обогащения гидросферы дейтерием в форме полутяжелой воды — HDO, которая испаряется медленнее обычной воды, а конденсируется быстрее. Формирование НDO происходит в смесях D2O–H2O за счет реакций диссоциации и изотопного (H–D) обмена: H2O + D2O = 2HDO. Поэтому при низких концентрациях дейтерий присутствует в воде в форме HDO, а при высоких — в форме D2O. Строение молекул D2O такое же, как молекул Н2O, с очень малым различием в значениях длин ковалентных связей и углов между ними. D2O кипит при 101,44 0С, замерзает при 3,82 0С, имеет плотность при 20 0С 1,1053 г/см3, причём максимум плотности приходится не на 4 0С, как у Н2O, а на 11,2 0С (1,1060 г/см3). Эти эффекты отражаются на энергии химической связи, кинетике и скорости химических реакций в D2O. Протолитические реакции и биохимические процессы в D2O значительно замедлены. Однако, существуют и такие реакции, скорость которых в D2O выше, чем в Н2O. В основном это реакции, катализируемые ионами D3О+ или H3О+ или OD- и ОН-. Согласно теории абсолютных скоростей разрыв С–H-связей может происходить быстрее, чем С–D-связей, подвижность иона D3О+ меньше, чем подвижность Н3О+, константа ионизации D2O меньше константы ионизации H2O. Это означает, что в первичной воде самоорганизующиеся дейтерированные структуры могли существовать дольше во времени, чем протонированные формы. Стабилизирующее воздействие D2O на химические связи из-за изотопных эффектов D несколько более выражены, чем у H2O [4]. Самые большие изотопные эффекты в разнице констант скоростей химических реакций с соотношением kh/kd = 6…8 наблюдаются в D2O для C–H/C–D, N–H/N–D и O–H/O–D связей [5].

Дейтерированные клетки различных микроорганизмов, адаптированные к максимальным концентрациям D2O в ростовых средах (95…98 атом.% D) являются удобными объектами для прогнозирования условий эволюции и адаптации, а также изучения структуры и конформации клеточных природных соединений и молекулярной организации клетки методом ЯМР-спектроскопии. В процессе роста в D2O в клетках синтезируются молекулы протеинов и ДНК, атомы водорода в углеродных скелетах которых почти полностью замещены на дейтерий. Такие дейтерированные макромолекулы претерпевают структурно-конформационные изменения, необходимые для их функционирования в D2O.

Интерес к дальнейшему использованию дейтерированных клеток микроорганизмов в исследованиях на их основе механизмов клеточной адаптации к D2O и молекулярной эволюции, предопределил направление наших исследований. Целью настоящей работы являлось изучение изотопных эффектов дейтерия в биологических системах с D2O и моделирование условий первичной гидросферы (температура, показатель кислотности рН, изотопный состав), в которых образовались первые органические формы жизни.

Экспериментальная часть

Материалы и методика эксперимента

Исследования проводились с клетками прокариот и эукариот, реализующими метилотрофный (облигантые и факультативные метилотрофные бактерии — Brevibacterium methylicum, Methylobacillus flagellatum), хемогетеротрофный (Bacillus subtilis), фотоорганотрофный (галобактерия Halobacterium halobium) и фотосинтетический (сине-зеленая водоросль Chlorella vulgaris) пути ассимиляции субстратов, а также с образцами воды различного происхождения (Болгария).

Образцы воды для их исследования методом ИК-спектроскопии (ДНЭС-метод) были взяты из различных источников Болгарии:

  1. минеральная вода местечка Рупит (Болгария);
  2. морская вода (курорт Варна, Болгария);
  3. горная вода (Тетевен, Болгария).

В качестве модельной системы использовался сок кактуса Echinopsis pachanoi.

Для приготовления ростовых сред использовали D2O (99,8 атом.% D), DСl (95,5 атом.% D) и дейтеро-метанол (97,5 атом.% D), полученные из Российского научно-исследовательского центра Изотоп (Санкт-Петербург, РФ). Неорганические соли предварительно перекристаллизовывали в D2О, D2O дистиллировали над KMnO4 с последующим контролем изотопной чистоты 1Н ЯМР-спектроскопией на приборе Brucker WM-250 (Brucker, Германия) (рабочая частота — 70 МГц, внутренний стандарт — Me4Si).

Для выращивания клеток и изучения адаптации использовали жидкие и твердые (2 % агар) ростовые среды со ступенчато увеличивающейся концентрацией дейтерия в них (от 0; 24,5; 49,0; 73,5 до 98 % D2O). Выращивание метилотрофов и хемогетеротрофов проводили при температуре +34…35 0С в колбах Эрленмейера вместимостью 500 мл с наполнением средой до 100 мл в условиях интенсивной аэрации в орбитальном шейкере 380-S (Biorad, Венгрия), используя в качестве источников дейтерия D2O и дейтеро-метанол. Фотоорганотрофы и сине-зеленые водоросли выращивали при температуре +38 0С и интенсивном освещении лампами дневного света ЛДС-40-2 (40 Вт) (ООО Альфа-Электро, Россия). Клеточный рост определяли по способности к образованию отдельных колоний на поверхности твердых агаризованных (2 % агар) сред, а также по величине оптической плотности суспензии клеток, измеренной на спектрофотометре Beckman DU-6 (Beckman Coulter, США) при длине волны λ = 620 нм.

Уровни включения дейтерия определяли на импульсном масс-спектрометре VG-70 SEQ (Fisons VG Analytical, США), снабженным цезиевым источником Cs+ на глицериновой матрице с ускоряющим напряжением 5 кВ и ионным током 0,6…0,8 мА и 1Н ЯМР-спектроскопией на приборе Brucker WM-250 (Brucker, Германия) (рабочая частота — 70 МГц, внутренний стандарт — Me4Si).

ИК-спектры образцов воды регистрировали на ИК-спектрометре Brucker Vertex (Brucker, Германия) (спектральный диапазон: средний ИК — 370…7800 см-1; видимый — 2500…8000 см-1; разрешение — 0,5 см-1; точность волнового числа — 0,1 см-1) и Фурье ИК-спектрометре Thermo Nicolet Avatar 360 (Nicolet Thermo Scientific, США) методом дифференциального неравновесного энергетического спектра (ДНЭС).

Статистическую обработку экспериментальных данных проводили с помощью программы статистического пакета STATISTIСA 6, используя критерий t-Стьюдента (при р < 0,05).

Результаты и обсуждение

Мы исследовали изотопные эффекты дейтерия в прокариотических и эукариотических клетках различных таксономических групп микроорганизмов, реализующих метилотрофный, хемогетеротрофный, фотоорганотрофный и фотосинтетический пути ассимиляции субстратов (облигантые и факультативные метилотрофные бактерии, хемогетеротрофные бактерии, галобактерии, синезеленые водоросли) методами 1Н ЯМР-, ИК- и масс спектрометрии. Адаптацию клеток к дейтерию проводили согласно разработанному методу ступенчатой адаптации за счет рассева исходных клеток на твердые (2 % агар) питательные среды при ступенчатом увеличении градиента концентрации дейтерия в них (от 0; 24,5; 49,0; 73,5 до 98 % D2O) и последующей селекции устойчивых к воздействию дейтерия клеток. Стратегия адаптации клеток к дейтерию показана в таблице 1 на примере метилотрофной бактерии B. methylicum. Выросшие на средах с низким градиентом концентрации D2О клетки последовательно переносили на среды с большим градиентом концентрации, вплоть до 98 % D2О. В результате на максимально дейтерированных средах с 98 % D2О получены адаптированные к дейтерию клетки, весь биологический материал которых вместо водорода содержит дейтерий. Уровень выживаемости клеток на максимально дейтерированной среде составил не более 40 %.

Таблица 1

Изотопный состав ростовых сред и характеристики роста метилотрофных бактерий B. methylicum в процессе адаптации к дейтерию*

Номер опыта

Компоненты среды, об.%

Лаг-период, ч

Выход биомассы, % от контроля

Время клеточной генерации, ч

H2O

D2O

1

98,0

0

20,3±1,40

200,2±3,20

2,2±0,20

2

73,5

24,5

34,2±0,89

171,8±1,81

2,6±0,23

3

49,0

49,0

44,2±1,38

121,4 ±1,83

3,2±0,36

4

24,5

73,5

49,5±0,91

94,4±1,74

3,8±0,25

5

0

98,0

60,4±2,01

60,2±1,44

4,9±0,72

6

0

98,0

40,3±0,88

174,0±1,83

2,8±0,30

* Примечание: Данные опытов 1…5 приведены при выращивании бактерий в минеральных средах, содержащих 2 % дейтеро-метанол и указанные концентрации D2О. Данные опыта 6 приведены для адаптированных к максимальному содержанию дейтерия в среде бактерий при выращивании в среде с максимальными концентрациями D2О. В качестве контроля использовали опыт 1, где применяли обычную воду и метанол.

Показано, что эффекты, наблюдаемые при росте и адаптации клеток различных организмов к дейтерию, носят комплексный многофакторный характер и связаны с изменениями морфологических, цитологических и физиологических параметров — величины лаг-периода, времени клеточной генерации, выходов биомассы, соотношения синтезируемых аминокислот, белков, нуклеозидов, углеводов и жирных кислот при росте в D2O, а также с уровнем эволюционной организации исследуемого объекта. Общей особенностью клеток исследуемых организмов в условиях адаптации к дейтерию является пропорциональное увеличение продолжительности лаг-периода и времени клеточной генерации при уменьшении выходов микробной биомассы. Полученные свидетельствуют о том, что клетка реализует особые адаптивные механизмы, способствующие функциональной реорганизации работы жизненно-важных систем в D2О. Наиболее чувствительными к замене Н+ на D+ признаны аппарат биосинтеза макромолекул и дыхательная цепь, т. е. те клеточные системы, использующие высокие скорости образования и разрыва водородных связей. Данный факт позволяет рассматривать биологическое воздействие дейтерия на клетку как комплексное воздействие. Также возможно, что в процессе адаптации к дейтерию изменяется соотношения основных клеточных метаболитов. Кроме того, присутствие дейтерия вызывает физиологические, морфологические и цитологические изменения в клетках изученных микроорганизмов, что в конечном итоге приводит к формированию в D2O крупных атипичных клеток, состоящих из плотно упакованных мембран, наподобие мезосом, имеющих в 2…3 раза более толстую клеточную стенку; чем протонированные клетки с неравномерным распределением ДНК [6, 7]. Мезосомы — внутрицитоплазматические бактериальные мембранные структуры везикулярной и трубчатой формы, образующиеся путем инвазии плазматической мембраны внутрь цитоплазмы. Предполагается, что мезосомы участвуют в образовании клеточных перегородок, репликации и сегрегации ДНК, нуклеотидов и др. процессах. Большинство мезосом отсутствует в нормальных клетках и образуются при действии некоторых внешних химических факторов, низких и высоких температур, колебаниях показателя рН и др. воздействиях. Кроме того, для дейтерированных клеток сине-зеленой микроводоросли C. vulgaris было также характерно резкое изменение формы клеток и направления их деления. Наблюдаемые морфологические изменения, связанные с торможением роста дейтерированных клеток, обусловлены перестройкой в процессе адаптации к D2O. Факт, что дейтерированные клетки имеют более крупные размеры (кажущийся размер в 2…4 раза превосходит размер протонированных клеток), является общебиологическим и наблюдается при выращивании в D2O целого ряда других адаптированных нами прокариотических и эукариотических клеток.

Полученные данные, в целом, подтверждают устойчивое представление о том, что адаптация к D2О является фенотипическим явлением, поскольку адаптированные к D2O клетки возвращаются после их переноса на обычную водную среду к нормальному росту после некоторого лаг-периода. В то же время эффект обратимости роста на H2O/D2O-средах не исключает возможности того, что определенный генотип детерминирует проявление одного и того же фенотипического признака в средах различного изотопного состава.

Как показали наши исследования, чувствительность различных биологических объектов к D2O различная. Относящиеся к прокариотам сине-зеленые водоросли способны расти на 70 % D2O, метилотрофные бактерии — 75 % D2O, хемогетеротрофные бактерии — 82 % D2O, а галофилы — 95 % D2O (рис. 1).

Рис. 1. Выживаемость клеток изученных микроорганизмов в воде с различным содержанием дейтерия по данным экспериментальных исследований авторов


В процессе клеточной адаптации к D2O наиболее важными для структуры макромолекулы являются динамические короткоживущие водородные (дейтериевые) связи. Водородная связь имеет важное значение в химии межмолекулярных взаимодействий и обусловлена слабыми электростатическими силами и донорно-акцепторными взаимодействиями с переносом заряда. Она возникает при взаимодействии электронодефицитного атома водорода (дейтерия) с не поделенной электронной парой гетероатомов О, С, N, S и играет существенную роль в поддержании пространственной структуры макромолекул и в межмолекулярных взаимодействиях. Структура водородной связи может быть представлена следующим образом: О···Нd+–Оd-. Замещение атомов водорода дейтерием изменяет конформацию и стабильность водородных (дейтериевых) связей в макромолекулах протеинов и ДНК, способствующих поддержанию их структуры и стабильности. Связи, сформированные атомами дейтерия различаются по прочности и энергии от аналогичных водородных связей. Различия в нуклеарной массе атома H и D могут служить причиной различий в синтезах нуклеиновых кислот, которые могут приводить к структурным различиям и к функциональным изменениям в клетке. Ферментативные функции и структура синтезируемых белков также изменяются при росте клеток в D2O, что может отразиться на процессах метаболизма и деления клетки. Другое важное свойство определяется пространственной структурой D2O, имеющей тенденцию сближать гидрофобные группы макромолекул, чтобы минимизировать их эффект на водородную (дейтериевую) связь в присутствии молекул D2O. Поэтому структура макромолекул белков и нуклеиновых кислот в D2О несколько стабилизируется [8]. При помещении клеток биологических объектов в D2O, из них не только удаляется протонированная вода за счет реакции изотопного обмена Н2О–D2О, но и происходит быстрый изотопный (H–D) обмен в гидроксильных (-ОН), сульфгидрильных (-SH) и аминогруппах (-NH2) всех органических соединений, включая белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. Известно, что в этих условиях только ковалентная С–Н связь не подвергается изотопному обмену и вследствие этого только соединения со связями типа С–D могут синтезироваться de novo [9].

В зависимости от положения атома дейтерия в молекуле, различают первичные и вторичные изотопные эффекты, опосредованные межмолекулярными взаимодействиями. Другое важное свойство определяется пространственной структурой D2O, имеющей тенденцию сближать гидрофобные группы макромолекул, чтобы минимизировать их эффект на водородную (дейтериевую) связь в D2O. Поэтому структура макромолекул белков и нуклеиновых кислот в присутствии D2О стабилизируется.

Эффект торможения роста клеток в присутствии D2О может быть компенсирован повышением температуры окружающей среды. Аналогия с повышением температуры позволяет рассматривать адаптацию к дейтерию как адаптацию к неспецифическому фактору, действующему одновременно на функциональное состояние большого числа систем: метаболизм, пути ассимиляции углеродных субстратов, структуру и функции макромолекул и др.

Биологические эксперименты с дейтерием дают возможность прогнозировать и моделировать условия, при которых зародилась жизнь. Маловероятно, что жизнь могла возникнуть в хаотической неинформационной воде. Живые организмы и вода являются сложными, самоорганизующимися системами с характерной структурой. Самыми благоприятными для зарождения жизни признаны теплые и горячие минеральные воды, взаимодействующие с СаСО3, и поэтому имеющие щелочной показатель pH, а затем морские воды [10, 11]. Циркулируя в полостях, микротрещинах и каналах, воды карстовых источников обогащаются Са(HCO3)2, активно взаимодействующим с органическим веществом и могут содержать информацию о жизни в более поздние геологические периоды. При этом самоорганизация первичных органических соединений в водной среде поддерживалась термальной энергией магмы, вулканической деятельностью и солнечной активностью.

Нами были проведены эксперименты по исследованию минеральной, морской и горной воды из Болгарии ИК-спектроскопией и методом дифференциально неравновесного энергетического спектрального анализа (ДНЭС) относительно контроля — деионизированной воды (рис. 2, кривые 15). В ходе эксперименты были исследованы образцы воды из карстовых источников. Также методом ДНЭС были исследованы спектры сока кактуса (рис. 2, кривая 1). Кактус был выбран в качестве модельной системы, потому что растение содержит ~90 масс.% воды. Полученные данные продемонстрировали, что наиболее близким к спектру сока кактуса являлся спектр минеральной воды, контактирующей с СаСО3 (рис. 2, кривая 2). Аналогичный спектр имеют карстовые воды (рис. 2, кривая 4). При этом наиболее близкий к спектру сока кактуса (рис. 2, кривая 1) имел спектр карстовых вод, взаимодействующих с минеральной водой. Так, спектры растительного сока, минеральная вода и вода карстовых источников, взаимодействующих с CaCO3, имели значения пиков локальных максимумов в спектрах при –0,1112; –0,1187; –0,1262; –0,1287 и –0,1387 эВ. Подобные пики в спектре между растительным соком, горной и морской водой детектировались при –0,1362 эВ. Спектр контрольного образца деионизированной воды (рис. 2, кривая 5) существенно отличался от спектра морской минеральной и горной воды.

Рис. 2. Дифференциальные неравновесные энергетические спектры (ДНЭС) образцов воды различного происхождения: 1 — сок кактуса; 2 — минеральная вода местечка Рупит (Болгария); 3 – морская вода (курорт Варна, Болгария); 4 – горная вода (Тетевен, Болгария); 5 — деионизированная вода (контроль). По оси абсцисс показана энергия водородных H...O связей между молекулами H2O — E (эВ), по оси ординат — функция распределения молекул Н2О по энергиям –D f (эВ-1).


Как следует из вышеприведенных данных, более всего к ДНЭС-спектру сока кактуса приближался ДНЭС-спектр минеральной воды из местечка Рупите) Болгария), ИК-спектр которой показан на рисунке 3. Спектры растительного сока и минеральной воды с концентрацией ионов HCO3- (1320…1488 мг/л), Ca2+ (29…36 мг/л) и показателем pH = 6,85…7,19, имеют локальные максимумы при длинах волн λ = 8,95; 9,67; 9,81; 10,47 и 11,12 мкм. Локальные максимумы в ИК-спектрах между растительным соком и морской водой детектируются при λ = 9,10 мкм. Локальные максимумы, полученные методом ИК-спектроскопии при λ = 9,81 мкм (1019 см-1) и λ = 8,95 мкм (1117 cм-1) расположены на спектральной кривой локального максимума при λ = 9,7 мкм (1031 cм-1). С помощью метода ДНЭС были получены следующие данные — 8,95; 9,10; 9,64; 9,83; 10,45; 11,15 мкм (длина волны, λ) или 897; 957; 1017; 1037; 1099; 1117 см-1 (волновое число, k) (таблица 2).

Рис. 3. ИК-спектр минеральной воды из местечка Рупите (Болгария). На нижней оси абсцисс показано волновое число (см-1); на верхней оси абсцисс — длина волны (мкм); на оси ординат — поглощение (усл. ед.)


Таблица 2
Характеристики спектров (ДНЭС-метод) воды различного происхождения*

Энергия водородных связей,

-E (эВ)

Длина волны l,

мкм

Волновое число k,

-1

Сок кактуса

Минеральная вода Рупите

Морская вода

0,1112

0,1112

11,15

897

0,1187

0,1187

10,45

957

0,1262

0,1262

9,83

1017

0,1287

0,1287

9,64

1037

0,1362

0,1362

9,10

1099

0,1387

0,1387

8,95

1117

* Примечание: Функция распределения молекул Н2О по энергиям (∆f) измеряется в электронвольтах (эВ-1). Показано при каких значениях энергии водородной связи (-E (эВ)) наблюдаются самые большие локальные максимумы этой функции.

Такой характер распределения локальных максимумов в ДНЭС- и ИК-спектрах воды свидетельствует о том, что горячая минеральная вода лучше удовлетворяет условиям возникновения жизни, чем другие анализируемые образцы воды из других водных источников. Так, в ИК-спектре горячей минеральной воды локальные максимумы более выражены, чем локальные максимумы в ИК-спектрах этой же воды при более низкой температуре. Разница в значениях локальных максимумов при увеличении температуры от +20 0C до +95 0C на каждые 5 0C составляет согласно t-критерию Стьюдента  — p < 0,05.

Методом ДНЭС был измерен другой важный параметр — величина средней энергии (∆EH...O) водородных Н…О-связей между молекулами H2O в процессе формирования кластерных ассоциатов формулы (H2O)n, составляющие –0,1067±0,0011 эВ. При изменении температуры воды средняя энергия водородных H...O связей в ассоциатах молекул H2O изменяется. Эти данные свидетельствуют о том, что возникновение жизни зависит как от структуры и свойств воды, так и от внешних факторов — температуры и показателя рН. Данным условиям наиболее лучше удовлетворяет взаимодействующая с CaCO3 теплая и горячая минеральная вода. Затем по качеству следует морская вода. В теплых и горячих минеральных водах пики в неравновесном энергетическом спектре более выражены по сравнению с пиками, полученными в той же воде с более низкой температурой. Это показывает на большую энергию для сохранения самоорганизованных структур во времени и интенсификацию биохимических реакций в условиях повышенных температур. Спектральный диапазон исследованных образцов воды находился в среднем ИК-диапазоне от 8 до 14 мкм. Предполагается, что в этом диапазоне существует окно прозрачности земной атмосферы для электромагнитной радиации. В этом интервале энергия излучается от Солнца к Земле, и от Земли в окружающее пространство.

Полученные данные свидетельствуют о наиболее большей вероятности происхождения жизни в теплой и горячей воде с показателем pH 9…10. Авторам кажется маловероятным, что жизнь могла возникнуть в хаотичной водной среде. Живые организмы — высокоорганизованные структуры. При рассмотрении природных процессов самоорганизации существует интересный феномен, найденный в карстовых источниках местечка Златна Панега, Тетевен (Болгария). Обитающие там сине-зеленые водоросли окружены пузырьками диаметром 3…5 мм, время существования которых составляет от нескольких часов до дней. Вода, ДНЭС-спектр которой аналогичен ДНЭС-спектру растительного сока, имеет тенденцию сохранять самоорганизацирующие структуры. При добавлении к раствору пектинов катионов Ca2+, раствор принимает желатинизорованную структуру, поскольку катионы Ca2+ обладают способностью связывания с молекулами пектина с формированием металло-органических комплексов. Очевидно, эти комплексы играют существенную роль в объединении различных компонентов клеточной мембраны и влияют на ее компактность и прочность.

В этой связи важны следующие реакции, протекающие в водных растворах :

CO2 + 4H2S + O2 = CH2O + 4S + 3H2O    (1)

СаСО3+ HOH + СО2 = Ca(HCО3)2                 (2) 

CO2 + ОН- = HCО3- (3)

2HCO3- + Ca2+ = CaCO3 + CO2 + H2O      (4) 

Уравнение (1) показывает, что некоторые хемосинтетические бактерии в анаэробных условиях в присутствии СО2 используют энергию, полученную в результате окисления H2S до S. Уравнение (2) связано с одним из самых распространëнных процессов в природе — формированием Ca(HCО3)2  из CaCO3 в присутствии Н2О и СО2. При наличии в водной среде гидроксил-ионов СО2 превращается в HCО3- (уравнение (3)). Уравнение (4) демонстрирует процессы, сопровождающие формирование строматолитов — древнейших известковых (доломитовых) ископаемых докембрийского периода, которые строили свой скелет из извести.

Вероятнее всего первые органические формы жизни возникли в горячей минеральной воде с повышенным содержанием дейтерия, поскольку как было показано нами раннее, в условиях первичной бескислородной атмосферы, лишенной озонового слоя, под воздействием геотермальной энергии, коротковолнового излучения Солнца и мощных искровых разрядов, в первичной гидросфере могли образовываться и накапливаться некоторые количества HDO. Эти данные также могут служить подтверждением возможного пути перехода от синтеза малых органических молекул за счет энергии УФ-излучения Солнца и температуры к более сложным органическим молекулам протеинов и нуклеиновых кислот. Молекулы протеинов построены из одной или нескольких полипептидных цепей, состоящие из большого числа различных α-аминокислот, связанных друг с другом посредством пептидной (–CO–NH–) связи. Их последующая конденсация в полипептидные цепи может произойти в определенных условиях, после их образования. Важным фактором в реакции конденсации двух молекул аминокислот является выделение молекулы Н2О. Поскольку реакция поликонденсации аминокислот сопровождается дегидратацией, при удалении Н2О из системы скорость химической реакции увеличивается. Этот факт свидетельствует о том, что раннее развитие жизни происходило вблизи действующих вулканов, поскольку в ранние периоды геологической истории вулканическая деятельность происходила более активно, чем в последующие геологические времена. Дегидратация сопровождает не только полимеризацию аминокислот, но и объединение других блоков в более крупные органические молекулы, а также полимеризацию нуклеотидов в нуклеиновой кислоты. Такое объединение всегда связано с реакцией конденсации, при которой от одного блока отщепляется протон Н+, а от другого — гидроксильная группа ОН- с образованием молекулы Н2О.

Впервые возможность существования реакций конденсации-дегидратации в условиях первичной гидросферы, катализируемые синильной кислотой (HCN) и ее произодными — цианамидом (CH2N2) и дицианамидом (HN(CN)2), доказал в 1965 г. М. Кальвин [12]. HCN, CH2N2 и HN(CN)2 обладают дегидратирующей способностью и способностью катализировать процесс связывания молекулы Н2О первичной гидросферы [13]. На присутствие HCN в первичной гидросфере указывают и ранние эксперименты C. Миллера. В присутствии HCN и цианамидов конденсация отдельных блоков, сопровождаемая дегидратацией, происходит при нормальных температурах в сильно разбавленных водных растворах (рис. 4). Ракции поликонденсации аминокислот в присутствии HCN и ее производных зависят от кислотности водных растворов, в которых они протекают [14]. В кислых водных средах (рН = 4…6) эти реакции не происходят, тогда как щелочные условия (рН = 8…9) способствуют их протеканию. В настоящее время не существует однозначного мнения, обладала ли первичная гидросфера щелочным показателем pH, но вероятно, что именно таким значением рН обладала поверхностная озерная и минеральная вода, соприкасавшаяся с базальтом, и эти реакции могли происходить при контакте воды с базальтовыми породами.

Рис. 4. Реакции конденсации и дегидратации, катализируемые HCN и ее производными, приводящие к образованию из отдельных молекул более крупных органических молекул. Верхние три уравнения: конденсация и последующая полимеризация аминокислот в протеины, углеводов в полисахариды и кислот и спиртов в липиды. Нижнее уравнение - конденсация аденина с рибозой и Н3РО3, приводящая к образованию динуклеотида [14]


Свидетельством, что в синтезе органических молекул могли использоваться геотермальные источники энергии является тот факт, что в водных растворах формальдегида, гидроксиламина и гидразина, содержащих НCN, после нагрева реакционной смеси до температуры 95 0С в конце эксперимента обнаруживались аминокислоты [15]. В других экспериментах продукты реакции этих соединений полимеризовались в пептидные цепи, что является важным этапом на пути к неорганическому синтезу белка [16]. Так, в реакционной смеси с раствором HCN в водном NH3 и формамидина из предшественников азотистых оснований — 4-аминоимидазол-5-карбоксамидина, 4-аминоимидазол-5-карбоксамида и мочевины также образуются более сложные соединения, входящие в состав нуклеиновых кислот — пурины (рис. 5а,б).

Рис. 5. Предполагаемые механизмы образования пуринов
a) — образование аденина, гуанина и ксантина из предшественников азотистых оснований — 4-аминоимидазол-5-карбоксамидина, 4-аминоимидазол-5-карбоксамида и мочевины в водной среде с NH3, HCN и формамидином;

В модельных условиях первичной гидросферы безводную смесь аминокислот подвергали воздействию температур от 60 0С до 170 0С с образованием коротких белковоподобных соединений, названных термическими протеиноидами. Наилучшие результаты по поликонденсации получались со смесями аминокислот, содержащими аспарагиновую и глутаминовую кислоты, относящиеся к числу незаменимых аминокислот, встречающихся во всех живых организмах. Синтезируемые термические протеиноиды состоят из крупных молекул с молекулярной массой до 300000, состоящих из тех же аминокислот, что и природные белки. По количественному составу они содержат 18 из 22 аминокислот, обычно встречающихся у современных организмов, что сооответствует общему определению белка [17]. С природным белком протеиноиды сходны и по ряду других важных свойств: по связыванию полинуклеотидов, по пригодности в пищу бактериям и крысам, по способности вызывать биохимические реакции, сходные с теми, которые катализируются ферментами в живых организмах. Cинтетические протеиноиды способны каталитически разщеплять глюкозу [18] и оказывать действие аналогичное действию меланоцитстимулирующего гормона [19]. Другим важным свойством термических протеиноиноидов является их гетерогенность: т.е. последовательность аминокислот в их пептидных цепях не случайна, а, напротив, закономерна. При последующей промывке горячей смеси протеиноидов водой или водными растворами солей, в водной среде образуются элементарные мембраноподобные микросферы с диаметром 5…10 мкм. [20]. По морфологическим особенностям микросферы напоминают мембрану клетки, которая в некоторых условиях может быть двойной (рис. 6).

Рис. 5. Предполагаемые механизмы образования пуринов
б) — образование аденина из водной смеси NH3–HCN– CH2N2  при температуре +95 0С (суммарная реакция: 5HCN = аденин).

Рис. 6. Электронные микрофотографии срезов протеноидных коацерватов в сканирующем электронном микроскопе (увеличение ´ 5000 раз). Видны двойные мембраны [20].

Синтез протеноидных микросфер из смеси искусственных термических протеинов важен, поскольку он дает материал о следующем этапе эволюции жизни. Это этап от разрозненных органических молекул к организованным протеноидным молекулам — коорцерватам, обладающих организованной структурой и отделенными от окружающего мира примитивной мембраной — аналогом мембраны клетки, что было впервые продемонстрировано в 1962 г. выдающимся Российским ученым академиком А.И. Опариным [21].

С учетом вышеназванных факторов происхождение жизни выглядит следующим образом. Начальным этапом эволюции, по-видимому, было образование в первичной гидросфере и насышенной водяными парами и смесями газов — CO, Н2, N2, NH3 и CH4 атмосфере при высоких температурах аминокислот и азотистых соединений — аналогов нуклеиновых кислот. Как было показано нами раннее, такой синтез возможен в условиях восстановительной атмосферы при наличии в водной среде H3PO3 и воздействии электрических разрядов, ультрафиолетового излучения и высоких температур [22]. Следующим этапом является поликонденсация аминокислот в термические протеиноиды при температурах 65…170 0С в присутствии H3PO4 и фосфатов при наличии в водной смеси достаточных количеств аспарагиновой и глутаминовой кислот. Затем в смеси термических протеиноидов при воздействии на них водой или кислыми водными растворами (дождем) могли образоваться протеиноидные микросферы — предшественники проклеток, обладающие каталитической активностью. Способность термических протеиноидов к выполнению некоторых биохимических функций, сходных с функциями ферментов живых организмов, выражается в том, что они способны в присутствии катионов Zn2+ расщеплять АТФ, т. е. обладают слабой ферментативной активностью [23] Впоследствие у микросфер могла появиться способность к синтезу РНК, которые могли случайным образом кодировать короткие белки. Подтверждением того, что жизнь образовалась в горячей воде служат недавние исследования Т. Сугавары, который воздействуя на водную смесь органических молекул, ДНК и протеинов при температуре +95 0С получил протоклетки, обладающие элементарной мембраной [24].

Большой фактический материал дает и изучение строматолитов — древнейших известковых (доломитовых) ископаемых докембрийского периода, которые строили свой скелет из известняка и диоксида кремния SiO2. Строматолиты формировались на дне неглубоких водоемов еще в архее в самую древнюю геологическую эпоху Земли — 3,0…3,5 млрд лет назад. Изучать эти образования очень важно и интересно, так как строматолиты хранят в себе сведения о зарождающейся жизни на Земле и органическом составе первых живых организмов — многочисленных колоний цианобактерий, сине-зелёных водорослей и нефтеперерерабатывающих бактерий, возникающих в толщах известняков и доломитов в жерлах погасших вулканов и термических источников.

В 2010 г. Д. Вард описал ископаемые строматолиты Йеллоустонского национального парка США [25]. Были изучены микроорганизмы, формирующие строматолиты в горячей воде аналогично древним организмам в зонах вулканической активности, нагреваемых магмой. Этот факт является подтверждением нашей гипотезы, основанной на биофизических исследованиях происхождения первых органических форм в теплых и горячих минеральных водах и гейзерах с повышенным содержанием дейтерия. В декабре 2012 г. сообщение на данную тему было опубликовано авторами на конгрессе Euromedica в Ганновере (Германии) [26]. В сентябре 2010 г. американские ученые Р. Стокбридж, С. Льюис, Дж. Юань и Р. Вольфенден опубликовали статью Воникла ли жизнь в горячей воде?, в которой была продемонстрирована вероятность протекания более быстрых биохимических реакций в горячей воде [27].

В 2011 г. группа ученых из университета в Лионе (Франция), под руководством Мари-Лор Понс, исследовали некоторые из самых старых осадочных пород планеты и обнаружили в их составе включения органогенных групп минералов магниево-железистых гидросиликатов, аналогичных серпентину (змеевик) с общей формулой X2-3Si2O5(OH)4, где X = Mg2+, Fe2+, Fe3+, Ni2+, Al3+, Zn2+, Mn2+ [28]. Еще раньше считалось, что первые органические формы появились вблизи гейзеров с высокой концентрацией Mg2+, Fe2+, Fe3+, Zn2+, Mn2+, Ca2+. Исследования показали, что вода в гейзерах Гренландии богата карбонатами, имеет щелочной показатель рН 8…9, а температура находится в пределах 100…170 0C. Следует подчеркнуть, что геотермические и вулканические процессы могли происходить и в морских глубинах. Эти новые результаты являются потверждением возможного зарождения жизни в горячей минеральной воде. Существенным фактом является и то, что процесс возникновения первых форм жизни был связан с карбонатами.

Выводы

Полученные данные свидетельствуют о том, что первичная вода на начальных этапах эволюции имела повышенную температуру и щелочную реакцию за счет взаимодействия с CaCO3, и могла содержать больше дейтерия в форме HDO. Если это так, что это является существенным фактом термоустойчивости и стабильности дейтерированных макромолекул в поддержании жизни в условиях повышенных температур, поскольку связи образованные с участием дейтерия прочнее связей, образованных с участием водорода. Поскольку характер земной атмосферы впоследствии изменился с восстановительного на окислительный, условия на Земле изменились, что могло способствовать очистке гидросферы от дейтерия. Определенную роль в этом процессе могли играть карстовые породы. Горячая минеральная вода с температурой 65 0С и показателем рН 9…10, взаимодействующая с CaCO3, более всего удовлетворяет условиям первичной гидросферы и образованию первых органических форм. Далее по качеству следует морская вода.  

Библиографический список

1. 1. Linsky J.L. D/H and nearby interstellar cloud structures / in: R. Steiger, G. Gloeckler, G. Mason (eds.). Space Sciences Series of ISSI. New York: Springer Science. 2007, Vol. 27, 375 p.

2. Lis G., Wassenaar L.I., Hendry M.J. High-Precision Laser Spectroscopy D/H and 18O/16O Measurements of Microliter Natural Water Samples // Anal. Chem. 2008. Vol. 80(1). P. 287–293.

3. Ignatov I., Mosin O.V. Modeling of possible processes for origin of life and living matter in hot mineral and seawater with deuterium // Journal of Environment and Earth Science. 2013. V. 3. № 14. P. 103–118.

4. Лобышев В.Н, Калиниченко Л.П. Изотопные эффекты D2O в биологических системах. М.: Наука, 1978. 215 с.

5. Мосин О.В., Игнатов И. Изучение изотопных эфектов тяжелой воды (D2O) в биологических системах на примере клеток прокариот и эукариот // Биомедицина. 2012. Т. 1. № 1–3. С. 31–50.

6. Мосин О.В., Игнатов И. Изотопные эффекты дейтерия в клетках бактерий и микроводорослей // Вода: химия и экология. 2012. № 3. C. 83–94.

7. Ignatov I., Mosin O.V. Structural mathematical models describing water clusters // Mathematical theory and modeling. 2013. V. 3. № 11. P. 72–87.

8. Vertes A. Physiological effects of heavy water. Elements and isotopes: formation, transformation, distribution. Dordrecht: Kluwer Acad. Publ. 2004, 112 p.

9. Ignatov I., Mosin O.V. Modeling of possible processes for origin of life and living matter in hot mineral and seawater with deuterium // Journal of environment and earth science. 2013. V. 3. № 14. P. 103–118.

10. Ignatov I. Which water is optimal for the origin (generation) of life? Hanover: Euromedica. 2010. 95 c.

11. Ignatov I. Origin of life and living matter in hot mineral water. Conference on the Physics, Chemistry and Biology of water. New York: Vermont Photonics. USA. 2012. 115 p.

12. Кальвин М. Химическая эволюция. М.: Мир, 1971. 150 c.

13. Mathews C.N., Moser R. Peptide synthesis from hydrogen-cyanide and water // Nature. 1968. Vol. 215. P. 1230–1234.

14. Abelson P. Chemical events on the primitive earth. // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S.A. 1966. Vol. 55. P. 1365–1372.

15. Harada I., Fox S.W. Thermal synthesis of natural ammo-acids from a postulated primitive terrestrial atmosphere // Nature. 1964. Vol. 201. P. 335–336.

16. Оrо J. Prebiological organic systems / in: S.W. Fox (ed.). The Origin of Prebiological Systems. New York: Academic Press, 1965. 162 p.

Fox S. W., Harada K., Woods K.R., Windsor Ch.R. Amino Acid compositions of proteinoids // Archives of Biochemistry and Biophysics. 1963. Vol. 102 (3). P. 439–445.

18. Fox S.W., Krampitz G. Catalytic decomposition of glucose in aqueous solution by thermal proteinoids // Nature. 1964. Vol. 203. P. 1362–1364.

19. Fox C.W., Wang C.T. Melanocytestimulating hormone: Activity in thermal polymers of alpha-ammo acids // Science. 1968. Vol. 160. P. 547–548.

20. Nakashima T. Metabolism of proteinoid microspheres // Origins of Life and Evolution of Biospheres. 1987. Vol. 20(3–4). P. 269–277.

21. Опарин А.И. Пути начально формирования обмена веществ и искусственное моделирование этого формирования в коацерватных каплях / в кн: С. Фокс (ред.). Происхождение предбиологических систем. М.: Мир, 1966. 137 с.

22. Игнатов И., Мосин О.В. Цветной коронный спектральный анализ Кирлиана в моделировании неравновесных условий с газовым электрическим разрядом, имитирующих первичную атмосферу // Наноинженерия. 2013. № 12(30). С. 3-12

23. Мосин О.В., Игнатов И. Структура воды // Химия. 2011. № 11. C. 24–27.

24. Sugawara T. Self-reproduction of supramolecular giant vesicles combined with the amplification of encapsulated DNA // Nature Chemistry. 2011. Vol. 1127. P. 775–780.

25. Ward D. First Fossil-Makers in Hot Water // Astrobiology magazine. 2010. №1.
www.astrobio.net/exclusive/3418/first-fossil-makers-in-hot-water.

26. Ignatov I., Mosin O.V. Isotopic composition of water and its temperature in modeling of primordial hydrosphere experiments. Hanover: Euro-Eco. 2012. 162 p.

27. Stockbridge R.B., Lewis C.A., Yuan Jr.Y., Wolfenden R. Can life be originated in hot water? // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2010. Vol. Vol. 107. P. 22102–22105.

28.Pons M.L. Early Archean serpentine mud volcanoes at Isua, Greenland, as a niche for early life // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2011. Vol. 108. P. 17639–17643.