Элементы первичной жизни на заре эволюции - Эволюция состава организмов

К органогенам традиционно причисляют, учитывая их общее содержание в живом веществе (98,72 ат%), четыре элемента: Кислород, углерод, водород и азот, - именно в данной последовательности исходя из их весовых отношений (т. е. г/т). Более правильным будет, однако, их расположение в такой последовательности: водород, кислород, углерод, азот, - поскольку биология оперирует Соотношениями атомов в живом веществе.

В таблице 2, основанной на данных Боун и Фортескью, показано содержание некоторых химических элементов в растительных и животных организмах, но это содержание приведено в перерасчете на количество молей на тонну сухого органического вещества.

Таблица 2

Содержание некоторых химических элементов в растительных и животных организмах, моль/т

Элемент

Наземные растения

Наземные животные

Водород

55000

70000

Углерод

37833

38750

Кислород>

25625

11625

Азот

2143

7143

Кальций

450

5-212,5

Калий

360

190

Магний

132

41

Сера

106

156

Фосфор

74

548-1420

Хлор

57

79

Натрий

52

174

Кремний

7-179

4-214

Алюминий

19

0,15-3,70

Марганец

11,45

0,004

Бор

4,63

0,046

Железо

2,5

2,9

Цинк

1,53

2,45

Стронций

0,3

0,16

Рубидий

0,23

0,20

Медь

0,22

0,04

Барий

0,1

0,005

Никель

0,051

0,014

Ванадий

0,03

0,003

Фтор

0,026-2,105

7,9-26,3

Титан

0,02

0,004

Литий

0,014

0,003

Свинец

0,013

0,01

Кобальт

0,008

0,0005

Цирконий

0,007

0,003

Хром

0,0044

0,0014

Галлий

0,0008

0,00008

Действительно, из первых четырех элементов можно построить целый ряд органических молекул, таких как простые углеводороды, альдегиды, спирты, и некоторые аминокислоты. Академик А. И. Опарин показал это в модельных экспериментах, воспроизводящих природные условия, предположительно существовавшие около 3 млрд. лет назад. Эти же элементы являются каркасом Любой органической молекулы.

Причина того, что эти четыре элемента так идеально подходят к выполнению биологических функций, заключается в том, что Все они легко образуют ковалентные связи посредством спаривания электронов. Для того чтобы полностью укомплектовать свои внешние электронные оболочки и образовать таким образом стабильные ковалентные связи, водороду требуется один электрон, кислороду - два, азоту - три, и углероду - четыре электрона. Эти четыре элемента могут легко реагировать друг с другом, заполняя свои внешние электронные оболочки. Помимо этого, три из них - углерод, азот и кислород - образуют и одинарные и двойные связи, благодаря чему Могут образовывать самые разнообразные химические соединения. Наконец, среди элементов, способных образовывать ковалентные связи, ониСамые легкие, и, так как прочность ковалентной связи обратно пропорциональна атомным весам связанных с ее помощью атомов, возможно, что живые организмы "выбрали" именно эти элементы из-за их способности формировать прочные ковалентные связи.

Очень важна способность атомов углерода взаимодействовать друг с другом, образуя стабильные углерод-углеродные связи, что и обеспечивает углеводородные каркасы разнообразных молекул. Соединениям углерода свойственна еще одна отличительная особенность, которая состоит в способности спаренных электронов образовывать вокруг каждого атома углерода тетраэдрическую конфигурацию, благодаря чему различные типы органических молекул обладают различной трехмерной структурой. Никакой другой химический элемент, кроме углерода, не может создавать стабильные молекулы со столь разнообразными конфигурациями и размерами и с таким многообразием функциональных групп. Из других элементов только атомы кремния могут соединяться друг с другом ковалентными связями. Но, несмотря на то, что кремний значительно более распространен в литосфере, чем углерод, он оказался менее пригоден для живых организмов, - по всей видимости, потому, что, во-первых, соединения кремния труднорастворимы и, во-вторых, в присутствии кислорода связи кремний - кремний нестабильны. Впрочем, о роли кремния, этого интереснейшего "элемента-изгоя" речь пойдет ниже.

Мне представляется, и я постараюсь это обосновать, что к четырем указанным выше элементам, описанные свойства которых и их несомненное преобладание в атмосфере и гидросфере древней Земли явились гарантией включения еще в доклеточные формы жизни, необходимо добавить в качестве первичных элементов жизни еще два - Фосфор и серу.

В самом деле, жизнь невозможно представить без двух вещей - передачи наследственной информации и энергии. Фосфор входит в состав основы молекул наследственности - ДНК и РНК, а также молекулы, поставляющей энергию, - АТФ. Считающееся классическим определение Ф. Энгельса: "Жизнь есть способ существования белковых тел..." - по сути своей неверно, поскольку некоторые несомненно "живые" вирусы обходятся без белка, представляя собой лишь цепочку ДНК или РНК, способную к автономному существованию.

Что касается серы, то этот элемент Входит в состав двух из 20 основных аминокислот - метионина и цистеина, единиц, образующих белки всех высших организмов, причем в их составе сера, образуя дисульфидные мостики, формирует третичную, глобулярную структуру белка.

И фосфор, и сера - продукты вулканических выбросов. Среди элементов такого происхождения они одни из самых легких и реакционноспособных. Концентрация их в древнем океане, по всей видимости, довольно рано (в эволюционном смысле) достигла уровня, необходимого для создания первичных форм жизни.

Для всех рассмотренных выше химических элементов общим является то, что они благодаря отмеченным свойствам Распространены во всех клетках, органах и тканях как растительных, так и животных организмов, т. е. они эволюционно "сквозные", хотя последние два и занимают в весовом отношении, по сравнению с четырьмя первыми, сравнительно скромное место.

С усложнением живых организмов функции их расширились и специализировались. Так, с появлением опорно-двигательного аппарата два последних элемента вошли в состав скелетных структур, а с появлением кровеносной системы - в состав сульфатного и фосфатного буферов крови.

Эти шесть элементов, с точки зрения биогенной классификации, следует отнести к элементам первой группы, или к первоэлементам.

Похожие статьи




Элементы первичной жизни на заре эволюции - Эволюция состава организмов

Предыдущая | Следующая