Жизнь на Земле могла возникнуть в межслоевом пространстве широко распространенных слюдяных минералов, омываемых водами древних океанов. Такую гипотезу предложила Хелен Хансма, исследователь из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Она выступила с докладом на 47-ом ежегодном совещании Американского общества клеточной биологии во вторник, 4-го декабря.
семейство широко распространенных породообразующих минералов, имеющих важное промышленное значение. Представляют собой гидроксил- и фторсодержащие алюмосиликаты; в четырех самых распространенных видах – мусковите, биотите, флогопите и лепидолите – присутствует калий.
Слюды могут быть объединены под общей формулой R1R2-3 [AISi3O10](OH, F)2, где R1 = К, Na; R2 = Al, Mg, Fe, Li.
Основной элемент структуры слюды представлен трёхслойным пакетом из двух тетраэдрических слоёв [AlSi3O10] с находящимся между ними октаэдрическим слоем, состоящим из катионов R2. Два из шести атомов кислорода октаэдров замещены гидроксильными группами (ОН) или фтором. Пакеты связываются в непрерывную структуру через ионы К+ (или Na+).
С давних пор слюда интересовала людей - прежде всего из-за возможности ращеплять её на очень тонкие почти прозрачные листочки. До того времени, пока стекло не вытеснило слюду из строительства, из неё делали окна в домах.
Слюда разрабатывается подземным или открытым способами с применением буровзрывных работ. Кристаллы слюды выбирают из горной массы вручную. Разработаны методы промышленного синтеза слюды. Большие листы, получаемые путём склеивания пластин слюды (миканиты), используются как высококачественный электро- и теплоизоляционный материал. Из скрапа и мелкой слюды получают молотую слюду, потребляемую в строительной, цементной, резиновой промышленности, при производстве красок, пластмасс и т. д.
По материалам энциклопедий
Хансма отмечает, что в межслоевом пространстве слюд могли образоваться даже такие крупные молекулы, как РНК или белки. Именно они, по представлениям многих учёных, были первыми молекулярными структурами, ознаменовавшими начало развития живых систем.
Свою теорию Хансма подкрепляет рядом любопытных фактов. Например, известно, что РНК — одна из переносчиц наследственной информации — построена из азотистых оснований, молекул углевода рибозы и фосфатных мостиков, их соединяющих. Фосфатные мостики, иначе анионы ортофосфорной кислоты [НРО4]2-, несут на себе отрицательный заряд. Молекулы белков также представляют собой цепочки чередующихся положительных и отрицательных зарядов.
Интересным является тот факт, что расстояние между зарядами в рибонуклеиновой кислоте – половина нанометра – идентично расстоянию между отрицательно заряженными группами [AlSi3O10], составляющими слои в структуре слюд.
По всей видимости, фосфатные группы подвергались определенному пространственному упорядочению в промежутках между заряженными кластерами [AlSi3O10].
Кроме того, Хансма обратила внимание на то, что слои в слюдяных минералах соединяются между собой положительно заряженными катионами калия, и калий же в виде анионов содержится в больших количествах в составе биологических объектов, причем в концентрации, близкой к концентрации калия в слюдах. Еще одно совпадение – океанические воды, омывавшие слюдяные минералы миллионы лет назад, и по сей день богаты натрием так же, как и кровь животных и человека.
Энергию для образования и разрушения связей в новых биологических молекулах поставляли Солнце и океанские волны. Солнце грело алюмосиликаты, которые передавали тепловую энергию фрагментам биологических молекул. Кроме того, периодическое нагревание и остывание слюдяных пород приводило к такому же периодическому изменению межслоевого расстояния, определявшему протекание тех или иных химических механизмов. Расстояние между заряженными кластерами, составляющими структуру слюд, могло оказывать сильное влияние на геометрическую конформацию биологических молекул.
Поэтому изменение расстояния между слоями неизбежно приводило к изменению геометрии молекул, а следственно, и определяло круг химических превращений, в которые могла вступать биологическая макромолекула. Кроме того, волнение океанических вод также, несомненно, приводило к колебаниям в расстоянии между слоями атомов структуры слюд.
Таким образом, слюды создали среду, благоприятную для существования биологических макро молекул, осуществили их защиту от внешних воздействий в доклеточную эпоху, а также обеспечили энергией, необходимой для образования и разрушения химических связей.
Характерные особенности слюд, такие как высокие концентрации ионов калия в биологических системах или расстояния между заряженными атомами, возможно, и не играли критической роли для появления жизни на Земле.
Вполне вероятно, что, появившись в других условиях, современные биологические молекулы и комплексные биологические системы выглядели бы иначе.
Например, если бы расстояние между отрицательно заряженными кластерами в слюдяных минералах было меньше, то на месте фосфатных групп в молекуле РНК и ДНК в наши дни могла вполне оказаться серная кислота.
И, например, кока-колу разбавляли бы не фосфатным буферным раствором на основе ортофосфорной кислоты и её солей, а серным – на основе серной кислоты. Однако именно ортофосфорная кислота не токсична для человеческого организма и в наши дни входит в состав большого количества пищевых продуктов. Развивалась бы жизнь иначе в ходе эволюции в случае замены фосфорной кислоты на серную, или все равно пришла бы к Homo Sapiens и кока-коле – вряд ли когда-либо удастся узнать.
По мнению Хансмы, её теория более чётко описывает процесс появления жизни на Земле, чем кочующая из одного учебника в другой теория доисторического «пребиотического супа». Напомним, что согласно представлениям этой модели, биологические молекулы образовались в виде сгустков и агломераций в свободных жидких фазах. Эта теория не в состоянии описать, каким образом вновь образованным молекулам удалось устоять под действием жесткой солнечной радиации, выдержать сильные перепады температур, образовать клеточные структуры в среде, совершенно для этого не пригодной, и так далее.
Оказалась поверженной и другая теория, также носящая пищевое название — «доисторической пиццы».
Согласно ей, первые биологические молекулы были образованы на поверхности природных калий — содержащих минералов каолинов, связанных с глинами. Однако эта теория до сих пор не может объяснить, как и откуда доисторические биомолекулы брали воду для образования длинных полимерных цепочек.
вид зондовой микроскопии, в основе которого лежит силовое взаимодействие атомов (строго говоря обменное взаимодействие атомов зонда и исследуемого образца).
На небольших расстояниях все атомы и молекулы притягиваются. Это притяжение имеет чисто квантовую природу. Оно связано с коррелированными, то есть согласованными колебаниями электронов в обоих атомах. Энергия пары атомов, где электроны смещены (поляризованы) одинаковым образом, — чуть меньше, чем энергия пары неполяризованных атомов. И энергия эта спадает с расстоянием между атомами как 1/r6.
Общая энергия взаимодействия атомов приближённо описывается формулой Леннарда-Джонса (потенциал типа (6-12)):
U®=E0((rmin/r)12-(rmin/r)6)
Здесь первое слагаемое отвечает за отталкивание, оно начинает «работать» при малых расстояниях, когда вторым, притяжением, уже можно пренебречь. При этом rmin – расстояние, при котором энергия взаимодействия обращается в нуль, отличается от расстояния r0, соответствующего минимуму энергии, оптимальному расстоянию между атомами.
С помощью атомно-силового микроскопа можно получать изображения как физических объектов (поверхности твёрдых тел), так и биологических и химических объектов (вирусов и бактерий, атомов и молекул). Разрешение таких микроскопов достигает доли нанометров, что позволяет наблюдать атомы! Получением изображений не ограничиваются возможности этого прибора. С помощью атомно-силового микроскопа можно изучать взаимодействие двух объектов: измерять силы трения, упругости, адгезии, а также перемещать отдельные атомы, осаждать и удалять их с какой-либо поверхности.
Биополимеры на поверхности такого материала очень хорошо видны в АСМ. Биофизики все же предпочитают разделять слюду на пластины с помощью специального микроскопа, показывающего положение отдельных слоев. Однажды при разделении слюды на пластинки Ханма обнаружила, что они покрыты органическими молекулами. В процессе изучения этих органических сгустков Хансму и посетила мысль о формировании первых органических биомолекул.
Хансма считает, что между появлением первых белковых молекул и РНК и формированием цитоплазматической мембраны и клеточной оболочки должно было пройти не менее миллиарда лет. Только после этого жизнь смогла вылезти из своего каменного убежища и отправиться колонизировать безжизненную планету.
