1.4. Углерод и жизнь

Неоспоримо, то что химия природных соединений из всех ветвей химической науки ближе всех подходит к наукам о живой системе, к жизни в ее биологическом проявлении. И, в связи с этим, естественна необходимость освещения на языке химических понятий и законов таких фундаментальных проблем естествознания, как то: почему углерод является основой молекул, обеспечивающих жизнь, или по-другому можно сказать, почему природа выбрала углерод для создания жизни? И каким образом возникли молекулы, обеспечивающие жизнь и жизненные процессы, т.е. как возникла жизнь?

Вот два вопроса, ответить на которые очень и очень непросто, а главное, нельзя экспериментально доказать предложенные ответы — в любом случае они будут носить гипотетический характер, а в лучшем случае — предложенная гипотеза может быть обоснована теоретически и иметь доказательства экспериментального характера отдельных ее положений, этапов.

Вопрос об основополагающей роли атома углерода в явлении жизни, как единственно возможного атома для выполнения этой функции, может быть в какой-то степени раскрыт сравнительным анализом молекулярных систем, построенным в соответствии с требованиями живой природы на основе других атомов.

В качестве предварительных постулатов можно констатировать:

1. Жизнь существует и функционирует на молекулярном уровне.

2. Жизнь должна быть обеспечена большим, практически безграничным, количеством молекулярных свойств (химических и физических). Это положение можно реализовать огромным количеством химических соединений, а кроме того, молекулы, обеспечивающие жизнь, должны обладать достаточной лабильностью.

3. Многообразие молекулярных свойств должно быть достигнуто минимальным количеством химических соединений.

Проблема большого количества соединений, такого количества, которое не обеспечивается простыми соединениями всех химических элементов земной коры (их общая формула и сумма атомов, образующих молекулу,

Схема 1.4.1

обычно не превышает и дюжины) может быть решена только способом, при котором атомы одного элемента образуют прочные связи между собой в достаточной степени. Оказалось, что такой способностью обладает углерод: атомы углерода образуют цепочки практически бесконечного размера без видимой потери стабильности. Например, молекулы полиэтилена, имеющие от 10.000 до 100.000 углеродных единиц, столь же стабильны, как и низшие апканы. Подобных многоатомных цепочек не образуют никакие другие элементы. Почему углерод образует, а другие нет?

Рассмотрим электронную структуру полиатомных цепочек на основе углерода и элементов его окружающих — бора, азота и кремния (схема 1.4.1).

На этой простой схеме видно, что многоатомная цепочка из атомов бора должна обладать высокой степенью электронного сродства, другими словами — электрофильностью (известные бороводороды легко окисляются, гидролизуются и т.д.). В свою очередь, полиатомная цепочка из атомов азота отличается высокой степенью нуклеофильности и термической нестабильностью за счет электростатического дестабилизирующего взаимодействия неподеленных электронных пар: соединения общей формулы или (азиды) часто разлагаются со взрывом. Полиатомная цепочка на основе атомов кремния — кремневодороды (си-ланы) — нестабильна как за счет его свободных орбит, так и по причине слабости химической связи кремний-кремний, которая разрыхлена согласно ее квантово-химическому описанию: атомные орбитали имеют узловые поверхности, что приводит при любом способе их перекрывания к появлению, наряду со связывающими, разрыхляющих областей пространства. Кремневодороды легко окисляются, гидролизуются в любой среде (но легче в щелочной), с галогенами реагируют взрывообразно, для них максимально достигнутая цепочка .

Как мы видим из этой же схемы, для углеродной цепочки все это не характерно — она электронейтральна, стабильна в обычных условиях, но может вступать в разнообразные реакции при создании определенных условий, что характерно для всей химии углеводородов.

На вопрос о возникновении молекул жизни и, соответственно, о возникновении жизни, ответить гораздо труднее, и вообще, вряд ли возможно. Эта проблема может быть подразделена на несколько этапных проблем: во-первых,

Схема 1.4.2

образование фундаментальных молекул, таких как аминокислоты, моносахара, нуклеиновые основания; во-вторых, выделение или отбор среди этих соединений изомеров только одной конфигурации (-аминокислот, D-caxaров); в-третьих, формирование из фундаментальных молекул биополимеров и молекулярных систем, комплексующихся в живую клетку.

Более или менее прояснен вопрос о принципиальном образовании первичных или, можно сказать, “первых” молекул жизни. Первичная атмосфера Земли состояла из водорода, воды, азота, аммиака, оксида углерода (II) и метана, т.е. она не содержала свободного кислорода и обладала восстановительным характером. В условиях того времени (около 2 млрд. лет тому назад) — повышенные температуры, более жесткое солнечное излучение, каталитическое воздействие обнаженных минералов, атмосферные электрические разряды — реализовались процессы образования аминокислот. Есть основания предполагать, что главными факторами воздействия на первобытные молекулы, ведущие к аминокислотам, были катализаторы, повышенные температуры и жесткое УФ-облучение, так как именно в таких условиях (в лабораторных условиях) осуществлены разнообразные реакции функционализации алканов.

Из современных экспериментальных данных по химии простейших углеводородов можно вывести схемы получения аминокислот, исходя всего из трех соединений: условия реакций описаны в тексте).

Асимметрическое исполнение таких реакций, возможно, обязано специфике структуры кристаллов, их катализирующих. Например, диоксид кремния, в виде кварца является самым распространенным минералом земной коры. Он существует в нескольких полиморфных модификациях, одна из которых, а-кварц, обладает хиральной структурой. А учитывая то, что диоксид кварца образует огромное количество других минералов и проявляет разнообразные каталитические способности, образование предпочтительно одной энантиомерной формы аминокислоты могло быть реальностью. То, что

Схема 1.4.3

образовались аминокислоты -ряда — скорее всего, факт случайный, но не принципиальный — вполне могла быть развита линия жизни, исходя из аминокислот -ряда. В таком варианте человек имел бы сердце, наверное, в правой стороне груди и т. д. С остальными элементами симметрии (асимметрии) всего живого, скорее всего, также произошла бы инверсия.

Аналогично аминокислотам, очень простым путем, т.е. из минимального набора простых молекул, могут быть получены и нуклеиновые снования. Так, предположительно, предбиотический синтез аденина мог быть осуществлен с использованием в качестве исходного только синильной кислоты, а подключение на определенных этапах воды привело бы и к гуанину. Даже если выхода этих реакций невелики, их масштабность могла бы удовлетворить потребности Природы (схема 1.4.3).

Широкие возможности синильной кислоты, обеспечивающие эту синтетическую схему, обусловлены ее бифильностью: в недиссоциированной форме молекула имеет электрофильный центр (атом углерода), тогда как при диссоциации она высвобождает нуклеофильный цианид-анион, который в свою очередь также обладает двойственной реакционной способностью — он может присоединяться к электрофильному центру как атомом углерода, так и атомом азота.