Краткая теория органической жизни. Brief theory of organic life.

Beta versia. 11 декабря 2010

0. Общие положения. Generalities.

Рассмотрим строение простейшей протоклетки. Оболочка протоклетки состоит из амфифильных молекул, способных самособираться в плёнку. У этой оболочки есть электрический потенциал, создаваемый амфифильными молекулами. Проходить через оболочку внутрь протоклетки смогут лишь те вещества, электрический потенциал которых не сильно отличается от потенциала оболочки. Проникшие внутрь вещества используются для жизнедеятельности протоклетки. (Вещества это органические и неорганические соединения молекулярного строения.)
Протоклетка находится в жидкой среде, назовём эту среду растворителем. Снаружи и внутри протоклетки одна и та же жидкость – растворитель. Амфифильные молекулы состоят из двух частей. Одна часть лиофильна и способна в отдельном виде растворятся в растворителе. Вторая часть лиофобна и не способна в отдельном виде растворятся в растворителе. Если амфифильная молекула по длине короткая, то при самосборке образуется двухслойная плёнка: два слоя склеиваются лиофобными частями молекул, а лиофильные части направлены наружу к растворителю. Если амфифильная молекула по длине длинная, то за счёт изгиба она может принимать устойчивую конфигурацию, в которой лиофобные радикалы в центре, а лиофильные по краям. Такие амфифильные молекулы образуют однослойные плёнки. Возможны амфифильные молекулы из трёх частей, лиофобная часть в центре, лиофильные части по краям. Эти также образуют однослойные плёнки.
Внутри протоклетки создаётся относительно замкнутое пространство, внутрь которого не проникают те вещества, которые не могут преодолеть оболочку. Выйти из внутреннего пространства протоклетки также не могут неспособные преодолеть оболочку вещества. В этом пространстве происходят взаимодействия между находящимися там веществами. Эти взаимодействия происходят по следующим механизмам:
А) электрическое взаимодействие, притяжение или отталкивание,
Б) гидролиз в растворителе,
В) химическое взаимодействие с образованием нового вещества.
Условия внутри протоклетки соответствуют сильно разбавленному раствору веществ в растворителе.
Итогом химической эволюции внутри протоклетки будет несколько образовавшихся случайно классов веществ, способных взаимодействовать между собой. Эти классы веществ образуют категорию инструментов (сгруппируем классы веществ в категорию) и обладают общими свойствами:
1. они устойчивы в определённом промежутке температур и давлений, и не распадаются со временем,
2. они не могут покинуть протоклетку,
3. их взаимодействие друг с другом не приводит к распаду одного из них,
4. они способны взаимодействовать с другими веществами, не входящими в категорию инструментов (обозначим эти вещества категорией «сырьё»),
5. между этими классами веществ происходит распределение функций.
Свойства этих классов из категории «инструменты» являются обязательными для любого вещества из любого класса этой категории. Если какое-то новое вещество будет обладать этими свойствами, то оно из категории «сырьё» перейдёт в категорию «инструменты».
Распределение функций между классами происходит случайным образом из-за индивидуального строения вещества и его электрохимических индивидуальных способностей. Функциональность вещества определяет принадлежность к тому или иному классу.
Первый класс категории инструментов: транспортный. Вещества этого класса способны присоединить в определённых условиях определённое вещество. Способны из-за своего химического строения. И способны в определённых условиях отсоединить это вещество от себя. Например: транспортное вещество способно присоединить водородными связями другое вещество категории «сырьё» в среде с определённым электрическим потенциалом, а затем, в броуновском тепловом движении, отойти в область пространства с другим электрическим потенциалом и там отсоединить присоединённое вещество. Или присоединить вещество-сырьё как только оно окажется близко от транспортника, а отсоединить когда сам транспортник окажется вблизи вещества из другого класса инструментов. Транспортники транспортируют вещества категории «сырьё» через оболочку протоклетки внутрь или наружу, а также траспортируют внутри протоклетки из одной точки в другую броуновским движением, пока не окажутся в подходящих для отсоединения условиях среды.
Второй класс категории инструментов: разрезчики. Вещества этого класса способны разрушать вещества категории «сырьё», разделять их на части. Разрезчики могут быть специализированными, разрушающие только вещества с определёнными радикалами (имеющие в строении определённые по строению группы молекул, например гидрокси-радикал или сульфат-радикал) или вещества определённого строения (например спирты или сахара). Разрезчики могут быть работоспособными в любых условиях или их работоспособность возможна лишь в определённых условиях окружающей среды, например значения электрического потенциала или наличие поблизости веществ других классов.
Третий класс категории инструментов: сборщики. Вещества этого класса способны из нескольких сырьевых веществ собрать новое вещество или присоединить одно вещество к другому. Сборщики могут специализироваться по химическому строению сырья и по условиям среды. Именно сборщики из подходящего сырья собирают инструменты.
Четвёртый класс категории инструментов: регуляторы. Вещества этого класса способны изменять условия среды вокруг себя одним из следующих способов:
1. изменение электрического потенциала,
2. изменение pH,
3. изменение давления,
4. изменение температуры.
Регуляторы создают подходящие или не подходящие условия для функционирования инструментов. Также они формируют градиент между внешней средой растворителя и внутренней средой протоклетки. Регуляторы могут быть специализированы по условиям среды (в одних условиях работают, в других не работают).
Пятый класс категории инструментов: копировальщики. Вещества этого класса способны по имеющемуся у них веществу построить точную или не особо точную копию исходного вещества. Сборщики собирают новые вещества без использования образцов и заготовок. А копировальщик способен присоединить на время к себе другое вещество, считать с него последовательность атомов, построить копию исходного вещества и отсоединить от себя исходное вещество и его копию. Копировальщик не хранит в себе заготовку или образец, только копирует. Копировальщики способны копировать инструменты. Копировальщики могут быть специализированы по химическому строению исходных веществ и по условиям среды.
Шестой класс категории инструментов: нейтралы. Вещества этого класса обладают только первыми четырьмя свойствами инструментов, но у них нет никакой функции. Они не уничтожаются, резчики и сборщики считают их «своими». Они болтаются внутри протоклетки без дела и являются предками других инструментов, которые появляются при неточном копировании нейтралов. По сути это промежуточные звенья химической эволюции инструментов, появляющиеся в результате неточного копирования.
Кроме категории «инструментов» и категории «сырья» возможно существование категории «заготовок». Заготовки это постоянно существующие вещества, на которых записано последовательностями молекул или радикалов или соединений, шагов по сборке других инструментов и заготовок. Заготовки существуют специально для копировальщиков, которые считывают с них информацию и на основе этой информации строят копии веществ. Заготовки могут быть нескольких классов. В первом классе каждая заготовка кодирует только один инструмент. Во втором классе каждая заготовка может кодировать несколько инструментов. В третьем классе одна общая заготовка кодирует все инструменты. Кодировка заготовок может быть самой разнообразной, от бинарной до десяти и более отдельных кодов.
Многоклеточные организмы могут не содержать заготовки в каждой клетке организма, как это происходит у земных форм жизни кроме млекопитающих (у млекопитающих клетки крови – эритроциты не содержат ДНК, в дальнейшем всё больше клеток млекопитающих будут без ДНК). Могут существовать специализированные клетки-хранилища, в которых хранятся заготовки и по которым создаются другие клетки и инструменты.
Размножается протоклетка разделением пополам или на несколько частей. В зависимости от сложности строения протоклетки инструменты распределяются случайным образом (простое строение протоклетки) или происходит дублирование заготовок и распределение их по разным частям (сложное строение протоклетки). Также возможно временное сближение протоклеток и обмен инструментами и заготовками. Возможно и преднамеренное сближение со стороны протоклетки, утратившей по какой-либо причине класс инструментов или категорию заготовок, с целью восполнения утраты от другой протоклетки (при существовании специальных регуляторных каскадов).

1. Условия для начала химической эволюции. Conditions for chemical evolution starting.

Для начала химической эволюции нужен растворитель в жидкой фазе, в котором могут существовать амфифильные вещества, самоформирующие оболочку протоклетки.
Растворитель должен состоять из самых распространённых химических элементов в рассматриваемом на предмет органической жизни месте. Самыми распространёнными элементами могут быть элементы первых трёх рядов периодической таблицы Менделеева. На Земле жидким растворителем является вода. На Титане жидким растворителем является смесь этана и метана. Внутри планет-гигантов возможны слои из жидких воды, аммиака, метана, этана, пропана, сероводорода, фтороводорода и хлороводорода. На других планетах земного типа теоретически возможны океаны из сероводорода, аммиака, углеводородов, воды, сероуглерода, диоксида серы, синильной кислоты, фтороводорода и хлороводорода. В коре планет земного типа при определённых условиях теоретически возможны оболочки из соединений на основе кремния и алюминия, растворителем для которых будут хлориды щелочных металлов.

2. Вода. Water.

Вода это полярный растворитель. Каждая молекула воды полярна и обладает дипольным моментом в 1,83 Дебая. Водородные связи образуются из-за полярности и повышают температуры плавления и кипения воды. Именно строение молекулы воды определяет какие вещества будут в ней растворятся, а какие не будут. Это также определяет строение амфифильных веществ.
Вода при одной атмосфере давления плавится при 0°С и кипит при 100°С.
При 0°С вязкость воды η 1.793 мПа•ρ, коэффициент теплопроводности λ 0.5610 Вт/м•К, диэлектрическая проницаемость ε 87.90, поверхностное натяжение σ 75.64 мН/м [2].
Диаграмма состояния воды при разных давлении и температуре:

Растворяются в воде: низкомолекулярные спирты, низкомолекулярные карбоновые кислоты, низкомолекулярные альдегиды, сахариды, азотоводороды, бороводороды и кремневодороды.
Не растворяются в воде: углеводороды, высокомолекулярные спирты, высокомолекулярные карбоновые кислоты и альдегиды, тиолы.
Амфифильными веществами для воды являются те вещества, которые состоят из лиофильной части: радикалы -СОН, -СООН, -ОН, -NH₃, -NH₂-, >NH-, -PO₃, и другие, и из лиофобной части: углеводородная цепочка.
Как показывает опыт [1], наиболее подходящий состав для оболочки это смесь жирной кислоты с глицериновым моноэфиром этой кислоты и её спиртом. Такой состав оболочки позволяет проходить внутрь протоклетки через оболочку фосфат-имидазол-нуклеотидам, из которых внутри клетки самопроизвольно достраивается уже начатая последовательность ДНК.
Земные грамположительные бактерии строят оболочку из двух слоёв липидов, фосфолипидов (те самые жирные кислоты с присоединённым фосфатом) и сфинголипидов, лиофобными частями молекул внутрь между слоями. Грамотрицательные бактерии имеют двойную оболочку: двухслойную оболочку из липидов покрывает также двухслойная оболочка из липополисахаридов. Археи строят оболочку из двух слоёв многоатомных спиртов с длиной углеводородной цепочки в 20-30 атомов углерода, или из одного слоя особым образом свёрнутого многоатомного спирта с длиной углеводородной цепочки в 40 атомов углерода.
Температура плавления аминокислот и биоактивных соединений для земной жизни составляет 150-310°С, что выше температуры кипения растворителя.
В земных организмах сформировались все шесть классов инструментов и заготовки второго (у бактерий есть дополнительные заготовки помимо основной) и третьего классов (ДНК эукариот).
Земные организмы научились запасать энергию в макроэргических веществах, которая высвобождается при гидролизе этих веществ. Макроэрги содержат особые энергоёмкие группы: фосфоангидридная группа ΔG=32 кДж/моль, тиоэфирная группа ΔG=34 кДж/моль, гуанидинфосфатная группа ΔG=42 кДж/моль, ацилфосфатная группа ΔG=46 кДж/моль, енолфосфатная группа ΔG=54 кДж/моль. Высвобождённая энергия тратится на жизнедеятельность клетки.
У земных организмов оболочка клетки изнутри укреплена высокомолекулярными полимерами, хитином и ему подобными соединениями.

3. Углеводороды (метан, этан и пропан). Carbohydrates (methane, ethane, propane).

Алканы не полярны, т.к. их молекулы симметричны. Дипольный момент у них нулевой. Метан при нормальном давлении плавится при -182.47°С и кипит при -161.48°С. Этан при нормальном давлении плавится при -182.79°С и кипит при -88.6°С. Пропан при нормальном давлении плавится при -187.63°С и кипит при -42.1°С. Углеводородный океан на планете вероятнее всего будет состоять из этих первых трёх алканов, при нормальном давлении температурный промежуток от -187°С до -42°С. При большем давлении температурный промежуток расширится за счёт увеличения температуры кипения.
Водяной лёд и кристаллический аммиак не растворяются в алканах. Для углеводородного океана они будут обычными камнями.
К сожалению, информации по неводным растворам существует мало и её приходится искать. Растворимость веществ в углеводородах считал по [3] и [4].
Растворяются в алканах: углеводороды, спирты, карбоновые кислоты, тиолы, нитрилы, амины.
Не растворяются в алканах: сахариды, аммиак, вода.
Амфифильными веществами для алканов являются те вещества, которые состоят из лиофильной части: углеводородная цепочка, и из лиофобной части: радикалы -СОН, -СООН, -ОН, -NH3, -NH2-, >NH-, -PO3, сахариды.
Амфифильные вещества могут быть следующего строения: лиофильная голова из триэтилметана (3-этилпентан) и лиофобный хвост из олигосахаридов. Или лиофильная голова из триметилметана (2-метилпропан) и лиофобный хвост из многоатомного спирта. Или лиофильная голова из этана и лиофобный хвост из азотоводорода NH2-NH-NH-NH-NH2. Такие вещества сформируют двухслойные оболочки. Длинные многоатомные спирты могут свернуться в устойчивую конфигурацию гидрокси-группами внутрь и углеводородными хвостами наружу, и образовывать однослойные оболочки.
На Титане при давлении 146.7 кПа существуют реки и озёра из смеси 76-79% этана, 7-8% пропана и 5-10% метана. Температура на поверхности Титана около -179.5°С с колебаниями в несколько градусов. Этого хватает чтобы этан и метан замёрзли при -183°С. Из облаков на Титане постоянно моросит метановый дождик. Даже при таких низких температурах теоретически возможны оболочки из амфифильных веществ и химическая эволюция внутри оболочек.
На других планетах возможны океаны из смеси этана и пропана в интервале температур от -182°С до -89°С при нормальном давлении. При повышенном давлении этот интервал расшириться за счёт увеличения температуры кипения этана.

4. Аммиак. Ammonia.

Молекула аммиака полярна, дипольный момент 1.46 Дебая. При нормальном давлении аммиак плавится при -77.73°С и кипит при -33.34°С. С увеличением давления увеличится температура кипения. У аммиака есть одна особенность – в нём без ограничений растворяется водяной лёд и кристаллическая синильная кислота. Поэтому существования аммиачного океана подразумевает отсутствие на планете водяного льда.
В аммиаке растворяются: вода, амиды, нитрилы, динитрилы, фосфороводороды, нитроалканы, нитробензол, тиофенол, азотоводороды (возможно в чём-то ошибся).
В аммиаке не растворяются: сахариды, углеводороды, спирты, карбоновые кислоты, альдегиды, тиолы, тиоэфиры (возможно в чём-то ошибся).
Амфифильные соединения будут состоять из лиофильных амидов и нитрилов и лиофобных углеводородов. Например: лиофильная голова из триамидметана и лиофобный хвост из декана. Или лиофильная голова из тринитрилметана и лиофобный хвост из октана. Эти вещества сформируют двухслойные оболочки. Полиамиды и полинитрилы с длинной углеродной цепочкой могут сформировать однослойные оболочки.
Для аммиака аналогами сахаридов будут циклические вещества, в которых гидрокси-группа заменена на амид-группу или на нитрил-группу.

5. Смесь аммиака с водой. Ammonia-water blend.

При наличии на планете водяного льда и жидкого аммиака весь лёд растворится в аммиаке. В зависимости от концентрации аммиака в воде температура замерзания раствора будет:

концентрация аммиака в воде, % от массы	температура замерзания, °С
8	около -10
12	около -17
13	около -20
19	около -30
25	-57.5
32	-91.5

Аммиачно-водный океан будет существовать при температурах от 0°С до примерно -100°С с концентрацией аммиака больше 32%. Скорее всего в этой смеси амфифильными будут те же соединения что и в чистой воде. Химическая эволюция в этом случае будет происходить в более низких температурах в щелочной среде (аммиак подщелачивает воду), поэтому итог эволюции будет отличаться от земных форм жизни.

Сводная таблица.

Цитированные источники:

[1] Элементы: Искусственные протоклетки синтезируют ДНК без помощи ферментов. Sheref S. Mansy et al. Template-directed synthesis of a genetic polymer in a model protocell. Doi: 10.1038/nature 07018.
[2] А. Волков, И. Жарский Большой химический справочник, 2005.
[3] Б. Гэллер, А. Гэллер, В. Чиртулов. Практическое руководство по физикохимии волокнообразующих полимеров, раздел 2.3.2 расчёт растворимости полимеров по Гильдебранду-Смоллу, 1996.
[4] Ю. Фиалков, А. Житомирский, Ю. Тарасенко. Физическая химия неводных растворов, раздел V.4 растворимость жидких и твёрдых неэлектролитов, 1973.

© Lex Yakovenko, 2008-2010. All right reserved.