Происхождение жизни - Поннамперума С.
Скачать (прямая ссылка):
Эти два элемента можно сопоставить и с другой точки зрения, а именно рассматривая их соединения с кислородом. Углерод образует с кислородом двуокись углерода— газ, который легко вступает во взаимодействие со многими веществами. Кремний в соединении с кислородом создает гигантскую супермолекулу двуокиси кремния, или кварца. Таким образом, кремний сразу же выбывает из круговорота веществ в природе, так как громоздкие кристаллы кварца не могут взаимодействовать с другими молекулами.
Связь между атомами кремния слаба и чувствительна к воздействию различного рода реагентов, таких, как вода и аммиак. Маловероятно, что из атомов кремния могут сформироваться длинные цепочки, которые необходимы для возникновения макромолекул живого вещества. Различие в химической активности углерода и кремния связано с распределением электронов на энергетических уровнях их атомов. В атоме углерода валентные электроны расположены на втором энергетическом уровне, расщепленном на два подуровня, так называемые 5-, и /?-ор-битали. У атома кремния валентные электроны находятся на третьем энергетическом уровне, обладающем тремя подуровнями: 5-, р- и ^-орбиталями. Даже если четыре
104
спаренных или валентных электрона занимают 5- и /?-ор-битали, свободная й-орбиталь способна к захвату сво-^ бодного электрона других атомов.
Итак, основные причины, по которым кремний не используется в биологических молекулах, таковы: прежде всего связи между его атомами много слабее углерод-
Когда кремний (маленькие шарики) взаимодействует с кислородом, образуется двуокись кремния, или кварц. Так как кремний четырехвалентен, а кислород двухвалентен, все валентные связи заполнены, и дальнейшее взаимодействие невозможно.
кремний углерод
С первого взгляда размещение электронов на энергетических уровнях у углерода и кремния кажется похожим. Каждый из этих атомов имеет по четыре электрона на внешней орбитали, и, таким образом, они оба четырехвалентны, однако незаполненная внешняя орбиталь кремния способствует образованию более слабых связей. Несмотря на то что кремний распространен на Земле более широко, чем углерод, последний связывается с другими элементами гораздо быстрее и прочнее и поэтому представляет собой основу жизни. Органическая химия — это химия углерода.
105
Шесть атомов углерода в цикле образуют бензольное кольцо. Гексагональную структуру атомов в молекуле (но не сами атомы) можно обнаружить при помощи рентгеноструктурного анализа.
углеродных. Весьма затруднено также образование атомами кремния многократных связей. В результате осложняется его взаимодействие с окружающей средой. Кроме того, цепочки, формируемые атомами кремния, нестабильны в присутствии воды и аммиака. Накопленные к настоящему времени научные данные говорят о том, что, несмотря на свою распространенность на Земле, кремний не входит в состав каких-либо функциональных молекул и не участвует в обмене веществ, происходящем в живых организмах.
Многие молекулы, имеющие большое значение для живых систем, проявляют значительную изменчивость и подвижность в расположении и установлении химических связей. Это свойство обусловлено так называемой «де-локализацией» электронов, то есть отсутствием жесткой геометрической конфигурации орбит, по которым эти электроны движутся. Предполагается, что в структуре
106
таких молекул, как нуклеиновые кислоты, белки, ферменты, богатые энергией фосфаты, электроны имеют вид диффузного облака, распределенного по орбите также, как в бензольном кольце. Согласно мнению двух французских химиков-теоретиков Бернарда и Пульмена, способность электронов к дополнительной подвижности, по-видимому, внесла существенный вклад в возникновение и эволюцию жизни.
Какова же роль делокализации электронов для тех веществ, которые составляют основу живой материи? Во-первых, благодаря «размазанности» электронов по своим орбитам молекулы приобретают значительно большую стабильность. Во-вторых, такое распределение электронов дает выигрыш в энергии, который химики называют «энергией резонанса». Подобные структуры именуются «резонансными» и обусловливают «экономию» энергии. Например, при биосинтезе аденина энергия резонанса составляет около 50—60 кал/моль, именно такое количество энергии необходимо для образования данного пурина. По-видимому, выигрыш в энергии компенсируется ее расходом, что в итоге обеспечивает стабильность соединения.
Эта стабильность могла иметь очень существенное значение в ходе химической эволюции при первичном отборе молекул, в период, когда происходила конкурентная борьба за выживание. Такое предположение подтверждается необыкновенным единообразием биохимической структуры всего живого. Один и тот же ограниченный набор веществ многократно используется в растительном и животном мире. Особенно показателен в этом смысле аденин. Он служит основанием двух нуклеиновых кислот, а также входит в состав аденозинтрифосфата (АТФ) — энергетического источника всех живых систем и коэнзи-мов, тех маленьких «вспомогательных» молекул, без которых ряд ферментов не может осуществлять свои каталитические функции. При исследовании структуры этих веществ точно установлено, что ее стабильность обусловлена именно наличием пуринов.
