Круговорот углерода в природе. теория сцепления-натяжения

ТЕОРИЯ СЦЕПЛЕНИЯ-НАТЯЖЕНИЯ

Цвет жизни на нашей планете — зеленый, потому что зеленые молекулы хлорофилла в растениях, которые составляют основу любой жизни и превращают энергию падающего солнечного света в материалы, из которых построены живые существа. Можно только удивляться тому, что в прошлые века люди почти не интересовались механизмом превращения этой энергии — процессом, который мы теперь называем фотосинтезом. Так уж сложилось, что закономерности движения планет и звезд стали понятны людям задолго до того, как у них появились малейшие представления о роли травы у них под ногами.

Первое серьезное исследование механизма роста растений провел фламандский аристократ Ян Баптист Ван Гельмонт. Перед тем как посадить дерево в горшок, он взвесил в нем землю. В течение нескольких лет Ван Гельмонт поливал дерево, а затем снова взвесил дерево и землю и обнаружил, что вес дерева увеличился на 74 кг, а вес почвы при этом уменьшился всего граммов на сто. Стало ясно, что почва не является источником материала для построения растущего дерева.

На самом деле Ван Гельмонт сделал неверный вывод из своего открытия — он утверждал, что дополнительный вес получен из воды. Оставалось два столетия до представления о том, что углерод дерева образуется в результате превращений атмосферного углекислого газа, и еще одно столетие до понимания молекулярного механизма фотосинтеза. Тем не менее Ван Гельмонт не оставил ни у кого сомнения в том, что материал, называемый нами биомассой, поступает не из почвы, а из другого источника, и это открытие позднее стало основой наших представлений о роли растений.

яН БАПТИСТ ВАН ГЕЛЬМОНТ (Jan Baptista Van Helmont, 1579-1644) — фламандский врач и химик. Родился в Брюсселе в аристократической семье. Изучал медицину и химию в Католическом университете Лувейна, но не стал получать ученой степени, а занялся собственными исследованиями. Он впервые использовал слово «газ» для описания состояния материи и установил четыре вида газов — это известные нам сегодня монооксид углерода (угарный газ), диоксид углерода (углекислый газ), закись азота (веселящий газ) и метан.

Во времена Ван Гельмонта химия была молодой и быстро развивающейся наукой, в которой еще сильно ощущалось влияние алхимии. Хотя он не питал безмерного почтения к считавшимся неприкосновенными древним учениям, он все же верил в философский камень. Однако его опыт с растущей ивой показывает, что Ван Гельмонт понимал ценность эксперимента. А однажды он даже вступил в конфликт с церковью, подвергнув сомнению распространенное поверье о том, что рану можно вылечить, врачуя нанесшее ее оружие.

Эксперимент

Миллера— Юри

Молекулы, необходимые для жизни, могли возникать в ходе химических реакций на заре развития Земли

Х1Х-ХХ • БИОЛОГИЧЕСКИЕ МОЛЕКУЛЫ

1859 • ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ

нач. • БЕЛКИ 1950-х

1953 ^ ЭКСПЕРИМЕНТ МИЛЛЕРА—ЮРИ

4,5 миллиарда лет назад, когда возникла Земля, она представляла собой раскаленный безжизненный шар. Сегодня же на ней в изобилии встречаются разные формы жизни. В связи с этим возникает вопрос: какие изменения происходили на нашей планете с момента ее образования и по сегодняшний день и главное — как на безжизненной Земле возникли молекулы, образующие живые организмы? В 1953 году в Чикагском университете был поставлен эксперимент, сегодня ставший классическим. Он указал ученым путь к ответу на этот фундаментальный вопрос.

В 1953 году Гарольд Юри был уже Нобелевским лауреатом, а Стэнли Миллер — всего лишь его аспирантом. Идея эксперимента Миллера была простой: в полуподвальной лаборатории он воспроизвел атмосферу древнейшей Земли, какой она была по мнению ученых, и со стороны наблюдал за тем, что происходит. При поддержке Юри он собрал простой аппарат из стеклянной сферической колбы и трубок, в котором испарявшиеся вещества циркулировали по замкнутому контуру, охлаждались и вновь поступали в колбу. Миллер заполнил колбу газами, которые, по мнению Юри и русского биохимика Александра Опарина (1894-1980), присутствовали в атмосфере на заре формирования Земли, — водяным паром, водородом, метаном и аммиаком. Чтобы сымитировать солнечное тепло, Миллер нагревал колбу на бунзеновской горелке, а чтобы получить аналог вспышек молний — вставил в стеклянную трубку два электрода. По его замыслу материал, испаряясь из колбы, должен был поступать в трубку и подвергаться воздействию электрического искрового разряда. После этого материал должен был охлаждаться и возвращаться в колбу, где весь цикл начинался вновь.

После двух недель работы системы жидкость в колбе стала приобретать темный красно-коричневый оттенок. Миллер провел анализ этой жидкости и обнаружил в ней аминокислоты — основные структурные единицы белков. Так у ученых появилась возможность изучать происхождение жизни с точки зрения основных химических процессов. Начиная с 1953 года с помощью усложненных вариантов эксперимента Миллера—Юри, как стали его с тех пор называть, были получены все виды биологических молекул — включая сложные белки, необходимые для клеточного метаболизма, и жировые молекулы, называемые липидами и образующие мембраны клетки. По-видимому, тот же результат мог бы быть получен и при использовании вместо электрических разрядов других источников энергии — например, тепла и ультрафиолетового излучения. Так что почти не остается сомнений в том, что все компоненты, необходимые для сборки клетки, могли быть получены в химических реакциях, происходивших на Земле в древнейшие времена.

Ценность эксперимента Миллера—Юри состоит в том, что благодаря ему стало понятно, как вспышки молний в атмосфере древней Земли за несколько сот миллионов лет вызывали обра-

зование органических молекул, попадавших вместе с дождем в «первичный бульон» (см. также теория эволюции). Не установленные до сих пор химические реакции, происходящие в этом «бульоне», могли привести к образованию первых живых клеток. В последние годы возникают серьезные вопросы по поводу того, как развивались эти события, в частности подвергается сомнению присутствие аммиака в атмосфере древнейшей Земли. Кроме того, предложено несколько альтернативных сценариев, которые могли привести к образованию первой клетки, начиная от ферментативной активности биохимической молекулы РНК и кончая простыми химическими процессами в океанских глубинах. Некоторые ученые даже предполагают, что происхождение жизни имеет отношение к новой науке о сложных адаптивных системах и что не исключено, что жизнь — это неожиданное свойство материи, возникающее скачкообразно в определенный момент и отсутствующее у ее составных частей. В наши дни эта область знаний переживает период бурного развития, в ней появляются и проходят проверку различные гипотезы. Из этого водоворота гипотез должна появиться теория о том, как же возникли наши самые далекие предки.

СТЭНЛИ ЛЛОЙД МИЛЛЕР (Stanley Lloyd Miller, р. 1930) — американский химик. Родился в Окленде, штат Калифорния, получил образование в Калифорнийском университете в Беркли и в Чикагском университете. Начиная с 1960 года профессиональная деятельность Миллера была в основном связана с Калифорнийским университетом в Сан-Диего, где он занимал должность профессора химии. За работу по проведению эксперимента Миллера—Юри был удостоен звания научного сотрудника в Калифорнийском технологическом институте.

ГАРОЛЬД КЛЕЙТОН ЮРИ (Harold Clayton Urey, 1893-1981) — американский химик. Родился в Уолкертоне, штат Индиана, в семье священника. Изучал зоологию в университете штата Монтана и получил докторскую степень по химии в Калифорнийском университете в Беркли. Впервые применил физические методы в химии и в 1934 году был удостоен Нобелевской премии в области химии за открытие дейтерия — тяжелого изотопа водорода. Позднее его деятельность была связана в основном с изучением различий в скорости химических реакций при использовании разных изотопов.