Abstract
Thermodynamics allows the formation of abiotic (prebiotical) molecules directly into the depths of earth and during underwater and terrestrial eruptions. The formation of HCN and other abiogenous molecules observed in electrical discharges, especially during the eruption of volcanoes. It was found that the synthesis of adenine and many other primary prebiotic molecules on a young and modern earth is beneficial from the standpoint of thermodynamics. As a result of actions of the structural stabilization and the principle of substance stability the purine and pyrimidine nucleobases can exist during relatively long time and be involved to the metabolism of living organisms. Some complex supramolecular structures – harbingers of life appear and in our time. However, these structures can be eaten by modern organisms, which prevent the formation of new forms of life.
Термодинамика – движущая сила возникновения жизни
Термодинамика разрешает образование абиотических молекул непосредственно в недрах, в подводных и наземных извержениях планеты. Образование HCN и ряда других абиогенных молекул наблюдается в электрических разрядах, особенно при извержении вулканов. Установлено, что синтез аденина, других нуклеооснований и многих первичных предбиологических молекул в условиях молодой и современной земли выгоден с позиции термодинамики. Благодаря структурной стабилизации и принципу стабильности вещества пуриновые и пиримидиновые нуклеооснования после их образования могут сравнительно долгое время сохраняться и вовлекаться в метаболизм живых организмов. Сложные супрамолекулярные структуры – предвестники жизни появляются и в наше время. Однако они могут быть съедены современными организмами, которые препятствуют зарождению и развитию новых форм жизни.
Существует большое количество гипотез возникновения жизни. Есть все основания полагать, что жизнь возникает и развивается во многих уголках вселенной. Однако большинство из известных гипотез опирается на отдельные разрозненные факты и трудно доказываемые предположения. Часто эти гипотезы не обосновываются с позиции термодинамической теории эволюции, основой которой является классическая [1, 2], а также квазиравновесная иерархическая термодинамика [3-5]. В то же самое время, очевидно, что любая модель химической (абиогененной) и биологической эволюции должна ориентироваться на термодинамические оценки, подтверждающие то или иное предположение. Термодинамика позволяет выявлять условия, при которых возможно протекание постулированных процессов возникновения и развития жизни [3]. Это обстоятельство учитывается только отдельными авторами [6, 7]. Так, Douglas E. LaRowe & Pierre Regnier на основании термодинамических расчетов показали, что образование многих абиогенных биомолекул термодинамически выгодно в условиях современных гидротермальных систем на нашей планете [6]. Эти данные позволяют считать, что образование абиогенных нуклеиновых кислот, несомненно, с позиции термодинамики является возможным.
Публикуя данную статью, автор хотел бы обратить внимание исследователей на первоочередную необходимость рассмотрения термодинамических возможностей протекания химической и биологической эволюции, а также процессов происхождения жизни.
Настоящая заметка посвящена рассмотрению одного из путей абиогенных процессов на примере образования аденина в условиях современной земли с позиции термодинамики. Новым в этой заметке является лишь то обоснованное утверждение, что появление предбиологического вещества без участия существующей жизни на земле возможно и в наше время. Количество этого вещества, не являющегося продуктом современного биологического метаболизма, сравнительно мало. Тем не менее, молекулы этого вещества должны вовлекаться в круговорот биологической материи на современной планете. Это заключение основано на выводах классической и иерархической термодинамики возникновения жизни и ее эволюции.
Одним из первичных «кирпичиков жизни» является синильная кислота, HCN, которая может быть исходным реагентом синтеза аденина и других азотсодержащих веществ в условиях, не только молодой, но и современной земли. Заметим, что HCN и продукты ее взаимодействия, также образуется в космосе и на небесных телах при высоких температурах. Эти соединения, например, возникают при взаимных столкновениях комет и метеоритов, а также при их столкновениях с планетами и их спутниками, при электрических разрядах или других высокоэнергетических воздействиях. Так, недавно показано, что биогенные молекулы, например нуклеиновые основания, образуются под действием высокоэнергетического лазерного излучения [8].
Хорошо известно, что молекулы HCN достаточно термодинамически стабильны при высоких температурах, превышающих 3000 оС [2]. Образование этого соединения из элементов в пламени электрической угольной дуги описано во многих интернет – публикациях. При температуре около 2900 оС изменение свободной энергии Гиббса этой эндотермической реакции
2С + N2 + Н2 = 2HCN – 60,2ккал
равно нулю (Δ G2900 = 0).
Давно детально изучены процессы Л. Андрусова и «Degussa», которые достаточно интенсивно протекают при 1200оС и 1400 оС в присутствии Pt – катализаторов:
2CH4 + 2NH3 + 3O2 = 2HCN + 6H2O,
CH4 + NH3 = HCN + 3H2.
Таким образом, с позиции термодинамики, получается, что для синтеза HCN в газовой фазе требуются высокие температуры и присутствие исходных компонентов в заметных количествах. Такие условия существуют на современной земле. Так, возможно появление HCN в достаточных количествах в зонах извержения наземных и подводных вулканов (извержениях лавы) и гейзеров и, особенно, в областях атмосферных электрических разрядов при извержении, Этот вывод подтверждается известными наблюдениями. Заметим, что в грозовой атмосфере возможна «закалка» молекул HCN, вследствие наличия сравнительно холодных областей в непосредственной близости от электрических разрядов. Разумеется, в процессах синтеза HCN определенную роль могут играть неорганические (неэнзиматические) катализаторы, ускоряющие эти процессы.
Много интересных сведений представлено в обзоре [7], посвященном восстановлению соединений азота на дне океана и значению их для образования HCN. Авторы этой работы полагают, что появление жизни возможно на планетах, где наблюдаются некие тектонические перемещения плит земной (планетной) коры.
Относительно синтеза аденина следует вспомнить, что ещё в 1960 году Джоан Оро (Joan Oró) впервые установил возможность образования этого пуринового нуклеинового основания при абиогенном синтезе в водном растворе аммиака и HCN [9].
В указанном обстоятельном исследовании [9] было отмечено, что синтез аденина из HCN возможен в обычных лабораторных условиях. Процесс образования пентаолигомера HCN – H5C5N5 в нормальных условиях весьма термодинамически выгоден и характеризуется ΔG298= -53,7 ккал / моль. Кроме того, авторы цитируемой работы рассмотрели различные стадии наиболее благоприятных механизмов образования этого нуклеооснования. Полагают, что ряд эффективных путей реакции связан с каталитическим действием воды или аммиака. Заметим, что синтез аденина возможен не только из HCN, но и при превращении других абиогенных молекул. Например, хорошо изучен синтез аденина из формамида [10]. Включение аденина и других нуклеооснований в состав нуклеиновых кислот, а также эволюционное развитие этих полимеров во многом определяется строением и каталитическими свойствами некоторых минералов, структура которых часто имеет пористую активную поверхность.
Таким образом, доказана термодинамическая возможность появления абиогенных (биологических) молекул в природе. Однако возникновение жизни, прежде всего, связано с созданием новых иерархических (супрамолекулярных и других высших) самовоспроизводящихся гетерогенных структур и появлением обмена веществ. Здесь начинает проявляться действие иерархической термодинамики, опирающейся на принцип стабильности вещества [3-5, 11]. В этих случаях химический состав живых тел и состав объектов высших иерархий меняется в ходе эволюции. В связи с этим для термодинамического описании эволюции необходимы некоторые новые предположения и допущения [3-5, 11]. Исследования автора подтверждают выдвинутые им постулаты и сделанные допущения при создании термодинамической теории возникновения жизни, биологической эволюции и старения живых существ. Возникновение и развитие высшей жизни на современной земле, практически, невозможно, поскольку молекулярные и супрамолекулярные «предвестники жизни» могут съедаться организмами, сегодня населяющими планету [12]. Жизнь является само – защищающимся процессом. По-видимому, более разумно рассматривать, что «древо жизни» зародилось из простейших предбиологических молекул, а не от общего «живого предка» всех организмов.
Литература
[1].Gibbs J.W.The Scientific Papers of J. Willard Gibbs: “On the Equilibrium of Heterogeneous Substances”, Vol. 1, Thermodynamics. –Connecticut: Ox Bow Press,1876.
[2]. Stull, D.R., Westrum E.F. Jr., Sinke G.C.The Chemical Thermodynamics of Organic Compounds; John Wiley and Sons, Inc.: New York, 1969, p. 807.
[3]. Gladyshev Georgi P. Thermodynamics Theory of the Evolution of Living Beings.- Commack, New York: Nova Science Publishers, Inc.-1997.- 142 P.
[4]. Gladyshev G.P. The Thermodynamic Theory of Evolution and Ageing. Advances in Gerontology, 2014, Vol. 4, No. 2, pp. 109–118. © Pleiades Publishing, Ltd., 2014.
http://link.springer.com/article/10.1134/S2079057014020064
[5]. Georgi P. Gladyshev. Natural Selection and Thermodynamics of Biological Evolution.
Natural Science, Special Issue on Natural Selection and Biological Evolution. Mach, 2015.
[6]. Douglas E. LaRowe & Pierre Regnier. Thermodynamic Potential for the Abiotic Synthesis of Adenine, Cytosine, Guanine, Thymine, Uracil, Ribose, and Deoxyribose in Hydrothermal Systems. Orig Life Evol Biosph (2008) 38:383–397 DOI 10.1007/s11084-008-9137-2
http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11084-008-9137-2
[7]. Nils G Holm and Anna Neubeck. Reduction of nitrogen compounds in oceanic basement and its implications for HCN formation and abiotic organic synthesis. Geochemical Transactions.2009,10:9doi:10.1186/1467-4866-10-9 http://www.geochemicaltransactions.com/content/10/1/9
[8]. Martin Ferus,David Nesvorný,Jiří Šponer,Petr Kubelík,Regina Michalčíková,Violetta Shestivská, Judit E. Šponer, andSvatopluk Civiš. High-energy chemistry of formamide: A unified mechanism of nucleobase formation, PNAS2015112(3)657-662;published ahead of printDecember 8, 2014,doi:10.1073/pnas.1412072111
http://www.pnas.org/search?author1=Martin+Ferus&sortspec=date&submit=Submit
http://www.pnas.org/content/112/3/657.abstract
[9]. Debjani Roy,Katayoun Najafian,andPaul von Ragué Schleyer. Chemical evolution: The mechanism of the formation of adenine under prebiotic conditions. PNAS2007104(44)17272- Physical Sciences – Chemistry 17277;published ahead of printOctober 19, 2007,doi:10.1073/pnas.0708434104
http://www.pnas.org/search?author1=Debjani+Roy&sortspec=date&submit=Submit
[10]. Jing Wang,Jiande Gu,Minh Tho Nguyen,Greg Springsteen,Jerzy Leszczynski. From Formamide to Adenine: A Self-Catalytic Mechanism for an Abiotic Approach. J. Phys. Chem. B,2013,117(45), pp 14039–14045 http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp409296k
[11]. Gladyshev Georgi P. The Principle of Substance Stability is Applicable to all Levels of Organization of Living Matter // Int. J. Mol. Sci.- 2006.- 7.- P. 98-110. http://www.mdpi.org/ijms/papers/i7030098.pdf
[12]. Gladyshev G.P. Life as a self-defendingprocess .
http://endeav.net/news/49-life-origin-of-life.html https://gladyshevevolution.wordpress.com/
gladyshevevolution 
Leave a Reply