Где же БС отбирали «элементы жизни» в качестве БД?

В океанических глубинах около вулканов и вулканических источников типа «черных курильщиков» могла развиваться жизнь, независимая от энергии Солнца.

При этом липидные БС с самого начала их возникновения на Земле использовали в качестве БД химические элементы и их соединения, и именно благодаря этому обстоятельству возникла удивительная общность живой и неживой природы. В этой связи обратим внимание на следующие факты, приведенные в работе [18].

Химический состав пеплов и особенно поверхностных сорбционных пленок каждого вулкана уникален и отличается от среднего состава пород коры суши и океана присутствием и повышенным содержанием многих элементов, таких, как Ga, V, Си, Со, Ni, Cr, Sr, Ba, Zr, U, Th и др.

Причем мелкозернистый вулканический пепел сорбирует наибольшие количества анионов SO₄^-2 и НСО ₃^-, а грубозернистые пеплы лучше сорбируют ион хлора. На темноцветных и рудных минералах пеплов предпочтительно сорбируются SO₄^2-, HCO₃^-, Na⁺, K⁺, Mg²⁺. На плагиоклазах и стекле пеплов лучше сорбируются Cl^-, Ca²⁺, Fe³⁺, P⁵⁺, Мn²⁺. Содержание таких элементов, как Fe, Ti, Mg, Mn, в сорбционных пленках составляет до 35 и даже до 75% от валового содержания этих элементов в пеплах.

Обратим особое внимание на то, что содержание магния в пеплах вулкана Безымянного увеличивается в 12−30 раз за время перемещения облака на расстояние 90 кмот вулкана. В пеплах вулкана Гекла, выпавших 29 марта 1947 г., на расстоянии 3800 кмот него содержание MgO и К ₂О увеличилось в 4 раза, а СаО, Р₂О₅, TiО₂ и А1₂О₃ — на 40−60% по отношению к содержанию этих элементов в пирокластическом материале, выпавшем в 10 кмот вулкана.

Помимо этого, известен широкий набор летучих компонентов, выбрасываемых вулканами, фумаролами и другими источниками. В их число, как известно, входят: СО, СО ₂, SO₂, H₂S, CSO, N₂, N₂O₃, N₂O₅, NO₃, NH₄Cl, PH₃, CH₄, Kr, Xe, Ne, He, H₂, Se, SiF₄, H₃BO₃ и многие другие, летучие с хлором, бором, серой и фтором соединения [18].

В то время особенное значение имели процессы получения энергии прокариотами за счет окисления молекулярного водорода и использования в окислительно-восстановительных реакциях соединений серы. Эти вещества есть среди продуктов вулканической деятельности, и их использование микроорганизмами должно было иметь особое значение в периоды, когда органическое вещество содержалось в биосфере еще в очень незначительном количестве [5]. биологическая субъединица генетический добавка В настоящее время бериллий, осмий, ртуть и висмут рассматривают как элементы поздней вулканической деятельности и считают элементами, вредными для человека. Данная их особенность связана с тем, что эти биоэлементы могут заменять собою многие элементы жизни, обладающие меньшей плотностью и валентностью +2. Для подтверждения этого вывода приведем данные о самом тяжелом металле — осмии.

Осмий (Osmium, 76; 22,587−22,61 г/смі; 0,129 Дж/г· K (при температуре 0−25°C)) — очень редкий элемент, содержание в земной коре 5· 10−6% по массе, обладает следующими степенями окисления: 8, 6, 4, 3, 2, 0, ?2.

Следовательно, для первых липидных БС с двумя идентичными субъединицами важно было иметь БД, обладающую валентностью +2 и средними величинами удельной теплоемкости и плотности.

Именно эти БС заложили основу для создания не только металлоферментов, но и металлопротеинов. Типичными металлопротеинами являются белки, содержащие негемовое железо — трансферрин, ферритин, гемосидерин, имеющие важное значение в обмене железа в организме. Примером металлофермента, содержащего марганец, является аргиназа.

Для лучшего понимания роли наиболее часто встречаемых неорганических БД, приведем их характеристики в диапазоне температур 0−100 °C, указывая значения их валентностей и плотностей (г/см³), проставляемых в скобках, а также значения удельной теплоемкости.

В таком случае получается следующий ряд показателей: медь (+1 и +2; Сu; 8,9) — 0,385 кДж/(кг· К); цинк (+2; Zn; 7,1) — 0,4 кДж/(кг· К); железо (+2, +3, (+4), (+6); Fe; 7,8) — 0,444 кДж/(кг· К); марганец (+2, (+3), +4, (+6), +7; Mn; 7,3) — 0,481 кДж/(кг· К); алюминий (+3; Al; 2,710) — 0,903; кальций (+2; Ca; 1,55) — 0,624 кДж/(кг· К); магний (+2; Mg; 1,738) — 1,04 кДж/(кг· К); бериллий (+2; Be; 1,848) — 1,8245 кДж/(кг· К) [19].

В этой связи также обратим особое внимание на следующий факты, связанные с двумя уже названными выше элементами жизни (биоэлементами) — микроэлементом бериллием (Beryllium (Be), 4) и макроэлементом магнием (Magnesium (Mg), 12).

Общеизвестно, что микроэлементы, необходимые организму в следовых количествах (порядка от 10−2 до 10−11% живой массы организма) очень важны для метаболических процессов и выработки гормонов и энзимов. Именно поэтому, несмотря на то, что содержание Be по массе в земной коре составляет всего лишь 3,8×10^-4 %, общее количество бериллия в теле взрослого человека колеблется (по различным данным) от 0,4 до 40 мкг.

Бериллий постоянно присутствует в крови, костной и мышечной ткани (0,001−0,003 мкг/г) и других органах. Установлено, что бериллий может депонироваться в легких, печени, лимфатических узлах, костях, миокарде. Выводится бериллий из организма преимущественно с мочой (более 90%).

Активность соединений бериллия отчетливо проявляется в различных биохимических превращениях, связанных с участием неорганических фосфатов. Так, активность некоторых ферментов (щелочной фосфатазы, аденозинтрифосфатазы) тормозится при малых концентрациях бериллия в организме. Известно также, что при определенных условиях Be становится богатым источником нейтронов. Be способен связываться с белками эпителия, образуя при этом прочные протеинаты [1].

Магний один из самых распространённых элементов земной коры. Кларк Mg — 1,95% (19,5 кг/т). Большие количества Mg находятся в морской воде. Организм человека содержит, в среднем, 20−30 миллиграммов Mg.

Макроэлемент Mg принимает участие в более чем 300 ферментативных реакциях. Mg необходим для превращения креатинфосфата в АТФ — нуклеотид, являющийся универсальным поставщиком энергии в живых клетках организма [11].

Отметим также, что сходство физико-химических характеристик ионов Be²⁺ и Mg²⁺ обусловливает их способность к взаимному замещению в различных БС. Это объясняет, в частности, ингибирование магнийсодержащих ферментов при попадании в организм бериллия [10].

Попутно заметим, что химический элемент галлий (Ga) сходен с элементом алюминием (Al), а селен (Se) — с серой (Sulfur, S, 16).

Среднее содержание галлия в земной коре относительно высокое, 1,5· 10^-3 % по массе, что равно содержанию свинца и молибдена. Плотность (г/см³) твердого металла 5,904 (20 °С), жидкого 6,095 (29,8 °С), то есть при затвердевании объем галлия увеличивается; Т_пл. 29,8 °C, Т_кип. 2230 °C.

Галлий является постоянным спутником алюминия, благодаря близости химических свойств, ионных радиусов и потенциалов ионизации.

Сходство атомных радиусов цинка — 138 пм (радиус иона (+2e) 74 пм) и галлия — 141 пм (радиус иона (+3e) 62 (+1e) 81пм) обусловливает возможность их взаимного замещения в природе [4].

Для лучшего сравнения приведенных выше данных, приведем еще аналогичные сведения о самом лёгком металле — литии, имеющем близкое значение атомного радиуса.

Литий (Lithium (Li), 3; радиус атома 145 пм; радиус иона 76 (+1e) пм; 0,53 г/смі; Тпл. 453,69 K). Содержание лития в верхней континентальной коре составляет 21 г/т, в морской воде 0,17 мг/л [10].

Во взрослом организме содержится небольшое количество лития — примерно 70 мг, но это жизненно важная величина, влияет на нейроэндокринные процессы, жировой и углеводный обмен.

Литий играет важную роль для профилактики и лечения психических заболеваний. способствует снижению возбудимость нервной системы, что важно при лечении различных психических заболеваний (высвобождая магний из клеточных «депо» он тормозит передачу нервного импульса, уменьшает количество свободного норадреналина, понижает содержание в мозге серотонина, повышает чувствительность мозга к действию дофамина).

Литий увеличивает поглощение глюкозы, синтез гликогена и уровень инсулина в сыворотке крови больных диабетом.

Больше всего литий накапливают морские растения — бурые и красные водоросли.

Препятствуют усвоению лития такие микроэлементы как натрий, калий и магний. А улучшает метаболизм лития — кальций [12].

Изучение свойств галлия, цинка и лития, свидетельствует о важности таких свойств БД из элементов жизни при замене их на другой биоэлемент, как величина их атомного радиуса и показатель валентности (+2).

В то же время величина плотности биоэлементов и их соединений, отобранных БС с двумя идентичными элементами, не только обуславливала их ариал, но и приемлемый для них тип химических реакций для выработки энергии и органических веществ.

Поскольку при вулканических выбросах выделяется много водорода (Н ₂) и угарного газа (оксида С (II), СО), а также выделяется огромное количества тепла, напомним, что при повышенных температурах СО восстанавливает окислы металлов до свободных металлов (Fe; Pb; Ni; Cu и др.) и взаимодействует с Н ₂, давая, в зависимости от условий реакции: метан, смесь высших спиртов, альдегиды, кетоны [20].

В водной среде, содержащей взвеси вулканических пеплов и воздушные пузырьки (содержащие газообразные продукты вулканических выбросов), могли наиболее часто уничтожаться органические вещества D-ряда (по сравнению с веществами L-ряда).

Поскольку липиды относятся D-ряда веществ, при гибели липидной компоненты БС с двумя идентичными субъединицами происходила утрата БД, т. е. происходило постоянное рассеивание биоэлементов и их соединений.

При объединении липидных БС в замкнутую емкость происходило резкое увеличение числа ББ, в которые могли попадать неорганические элементы. Это обстоятельство способствовало накоплению БД в липидных БС.

В результате гибели части липидной компоненты могло происходить накопление БД внутри этой липидной замкнутой БС и наработка химических реакций, необходимых для получения энергии первых доклеточных представителей жизни. Так на свет появлялись предки первых автотрофные БС.

Напомним, что автотрофные организмы синтезируют органические вещества из неорганических. Так, глюкозу (С₆Н₁₂О₆; 1,54 г/смі) можно получить из формальдегида (СН₂О) в присутствии гидроксида кальция (Ca (OH)₂; 2,211 г/смі), а также неполным окислением многоатомных спиртов.

Фотосинтезирующие организмы получают глюкозу с помощью света и его приемников (хлорофилла и его аналогов) [9].

В этой связи заметим, что в настоящее время известно около 10 хлорофиллов. Они отличаются по химическому строению, окраске и распространению среди живых организмов. У всех высших растений содержатся хлорофиллы, а и b. Хлорофилл с содержится в диатомовых водорослях, хлорофилл d — в красных водорослях. Кроме того, известны четыре бактериохлорофилла, содержащиеся в клетках фотосинтезирующих бактерий. В клетках зелёных бактерий содержатся бактериохлорофиллы с и d. В клетках пурпурных бактерий — бактериохлорофиллы, а и b. Основными пигментами, без которых фотосинтез не идёт, являются хлорофилл, а для зелёных растений и бактериохлорофилл для бактерий.

Железо — необходимый катализатор образования хлорофилла. Большое значение для обеспечения синтеза хлорофилла имеет нормальное снабжение растений азотом и магнием, так как оба эти элемента входят в состав хлорофилла. При недостатке меди хлорофилл легко разрушается. Это, по-видимому, связано с тем, что медь способствует образованию устойчивых комплексов между хлорофиллом и соответствующими белками [9].