Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 8
1.1. Краткий обзор теорий возникновения жизни 8
1.2. Возможные места космической химической эволюции 15
1.2.1. Межзвездная среда 16
1.2.2. Межзвездные пылевые облака 16
1.2.3. Метеориты 25
1.2.4. Кометы 34
2 Объекты и методы исследования 39
2.1. Объекты исследования 39
2.2. Методы исследования 40
2.2.1. Абиогенный синтез нуклеотидов 40
2.2.2. Абиогенный синтез дипептидов 43
2.2.3. Полетные эксперименты на спутнике "Бион-П" 44
2.3. Аналитические методы 46
2.4. Определение радиационно-химического и квантового выходов реакции 48
2.5. Статистическая обработка результатов 50
3. Экспериментальная часть 52
3.1. Синтез нуклеотидов под влиянием различных источников энергии космического пространства 52
3.1.1. Абиогенный синтез нуклеотидов под действием вукуумного ультрафиолетового излучения 52
3.1.1.1. Абиогенный синтез пуриновых нуклеотидов под действием ВУФ-излучения 52
3.1.1.2. Абиогенный синтез пиримидиновых нуклеотидов под действием ВУФ-излучения 57
3.1.1.3. Распад исходных нуклеозидов под действием ВУФ-излучения 63
3.1.2. Абиогенный синтез нуклеотидов под действием биологически значимого УФ-излучения 65
3.1.З. Абиогенный синтез нуклеотидов под действием у-излучения 69
3.1.4. Абиогенный синтез природных нуклеотидов в условиях космического полета спутника "Бион-П" 71
3.2. Абиогенный синтез дипептидов под действием различных источников энергии космического пространства 74
3.2.1. Абиогенный синтез дипептидов под действием ВУФ-излучения 74
3.2.2. Абиогенный синтез дипептидов под действием у-радиации 82
3.2.3. Абиогенный синтез дипептдов под действием потока заряженных частиц 84
4 Обсуждение результатов 87
Выводы 103
- Возможные места космической химической эволюции
- Кометы
- Абиогенный синтез дипептидов под действием различных источников энергии космического пространства
- Абиогенный синтез дипептдов под действием потока заряженных частиц
Введение к работе
Экзобиология — относительно новая научная дисциплина, становлению которой в полной мере способствовало развитие космической технологии, позволившее раздвинуть границы биологических исследований за пределы Земли. Основной задачей экзобиологии является исследование процессов, ведущих к возникновение жизни, её эволюции и распространению во Вселенной (Horneck, 1995). Сам термин "экзобиология" был введен голландским ученым Ледербергом в 1960 году (Lederberg, 1960). За сорок лет поступательного развития эта область науки превратилась в широкое междисциплинарное поле исследований, которое включает в себя такие дисциплины, как астрофизика, органическая и аналитическая химия, геология, геохимия и другие планетарные науки, не говоря уже о различных биологических дисциплинах. Экзобиология стала неотъемлемой частью национальных и интернациональных космических программ (Carle et al, 1992; Morrison, 2001).
Одной из основных задач экзобиологических исследований является изучение процессов химической эволюции, предшествующих появлению первых живых организмов и протекавших как на первобытной Земле, так и на других телах нашей Солнечной системы. Начало исследований в этой области приходится на середину 20-х годов XX века, когда были разработаны теоретические основы возникновения жизни на нашей планете. Академик Опарин предложил в 1924 году теорию химической эволюции, согласно которой жизнь является результатом общего процесса развития материи во Вселенной, одним из этапов которого является эволюция вещества от простейших газообразных соединений до сложных полимерных молекул и многомолекулярных систем. Начало экспериментальной проверке данной теории было положено в классических работах Стенли Миллера по синтезу аминокислот из смеси простейших газов (Miller, 1953). Эти эксперименты послужили отправной точкой для огромного числа исследований по абиогенному синтезу биологически значимых соединений в условиях, моделирующих условия первобытной Земли, её атмосферу, гидросферу и литосферу. Библиография подобных исследований уже к началу 90-х годов содержала более 5000 публикаций (Roy and Powers, 1990).
Геологические данные неопровержимо свидетельствуют, что уже 3.5 млрд лет назад на планете существовали достаточно сложные фотоавтотрофные микроорганизмы, сходные с современными цианобактериями (Schopf, 1993). Более того, изотопный анализ углерода из осадочных пород, имеющих возраст около 3.8 млрд лет говорит о том, что и в это время протекали фотоавтотрофные биохимические процессы (Schidlowski, 1988; Rosing, 1999). С другой стороны, именно в это время заканчивается период интенсивной бомбардировки земной поверхности кометами и метеоритами, размеры которых составляли от 20 до 300 км в диаметре, а общая масса оценивается до 4 ( 10" г (Chyba et al., 1994). Подобные катастрофические события полностью исключают наличие какой-либо живой материи в тот период времени (Maher and Stevenson, 1988). Исходя из подобных данных возникает предположение, что жизнь на Земле возникла сразу, как только геологические условия стали приемлемыми для ее существования и этот процесс проходил, по геологической шкале, практически мгновенно (Oberbeck and Fogleman, 1989). Остается очень мало времени (105-1О7 лет) на химическую эволюцию органических соединений на планете, которая, несомненно, должна была предшествовать биологической эволюции. Нобелевский лауреат Кристиан де Дюве сформулировал неизменность основных положений химической эволюции и значимость процессов, протекающих в открытом космосе: "Жизнь возникла естественным химическим путём, методом прогрессивного усложнения, начиная, по-видимому, с малых молекул, таких, которые возникают в космосе в абиогенных реакциях" (De Duve, 1997).
Ряд авторов предложили вполне убедительную модель доставки на первобытную Землю сложных органических молекул при помощи астероидов, комет и частиц межпланетной пыли на последней стадии бомбардировки планеты, поэтому весьма актуальным является изучение абиогенного синтеза биологически значимых соединений (БЗС), в частности, нуклеотидов и олигопептидов в ранее не исследованных условиях, приближенных к тем, что могли возникнуть на поверхности малых тел солнечной системы на ранних стадиях её эволюции. Экспериментальное изучение первых стадий химической эволюции, протекающих в достаточно жестких условиях открытого космоса имеет первостепенное значение для проблемы происхождения жизни на Земле и преодоления парадокса сверхбыстрого появления живых организмов после завершения стадии метеоритной бомбардировки нашей планеты на ранних стадиях формирования солнечной системы. Один из основных вопросов состоит в том, чтобы установить, насколько сложными могли быть те органические вещества, которые попали на первобытную Землю из космического пространства и приняли участие сначала в химической, а затем и биологической эволюции на поверхности нашей планеты. Крайне важно выявить и влияние отдельных факторов открытого космического пространства на ход химической эволюции на поверхности этих объектов, исследовать различные ее этапы — как образование исходных мономеров БЗС, так и их олигомеризацию. Вот почему постановка вопроса о роли источников энергии открытого космоса в абиогенном синтезе нуклеотидов и олигопептидов представляется актуальной.
Возможные места космической химической эволюции
Существует несколько различных типов астрономических объектов, где могут протекать процессы космической химической эволюции. Некоторые из них представлены в таблице 1.1 (Дельзем, 1984). Прогресс в области радиоастрономии позволил установить, что межзвездная среда содержит большое количество разнообразных органических соединений (Watson, 1976), начиная с простейших молекул, таких как НСНО, из которых легко образуются сахара, а также HCN и его производных — исходных компонентов для синтеза азотистых оснований нуклеиновых кислот и аминокислот. К концу девяностых годов обнаружено свыше ПО видов сложных органических молекул, из которых, по крайней мере, одна содержит 11 атомов (Van Dishoek et at, 1993; Snyder, 1997). От 2.5 до 10% всего углерода в диффузной межзвездной среде находится в виде алифатических углеводородов с короткой цепью, что хорошо видно из спектров, характерных для алифатических групп, таких как -СН2- и -СН3 (Pendleton et ah, 1994; Sandford et al.y 1991). Зафиксировано наличие органических кислот (муравьиная и уксусная), непредельных соединений, нитрилов, сложных аминов (Turner, 1989). В таблице 1.2 приведены молекулы, обнаруженные в межзвездной среде (Irvine, 1998). Особенно интересно существование в подобных условиях уксусной кислоты (Mehringer et al.y 1997), которая участвует в лабораторных синтезах простейшей аминокислоты — глицина в реакции с NH2+. Однако сама простейшая аминокислота пока не обнаружена, хотя её поиски ведутся довольно интенсивно (Snyder, 1997) и приводится много доводов относительно присутствия этого соединения в межзвездной среде (Snyder et aL, 2005). Совсем недавно в районе пылевых облаков были обнаружены первые представители гомологического ряда Сахаров — гликолевый альдегид (Hollis et al., 2000) и 1,3-дигидроксикетон (Weaver and Blake, 2005). 1.2.2. Межзвездные пылевые облака Следующим местом абиогенного синтеза являются частицы межзвездной пыли (Dorschner and Henning, 1995). Это наиболее существенный источник внеземного вещества, поступающего на нашу планету. По различным оценкам поток пылевых частиц в настоящее время составляет величину порядка 106-107 кг/год (Esser and Turekian, 1988; Love and Brownlee, 1993) причем, почти 10% от этого количества приходится на органический углерод (Anders, 1989).
Исследования внеземного материала, собранного в стратосфере, на дне морей, во льдах Гренландии и Антарктиды указывает на то, что основная часть пылевых частиц представляет собой мелкозернистый материал подобный углистым хондритам, но отличающийся от обычных метеоритов по минеральному составу и строению (Браунли, 1984). Согласно теоретическим и лабораторным исследованиям химической эволюции холодных межзвездных пылевых частиц, на поздних стадиях сжатия межзвездного облака (ранняя протосолнечная туманность), наряду с летучими соединениями кислорода, углерода и азота с водородом, такими, как Н20, СО и т.д., в них присутствуют и более сложные нелетучие соединения этих элементов. Пылевые частицы в межзвездной среде и содержащиеся в их составе химические соединения модифицируются под действием различных физических и химических процессов, таких как УФ-облучение, газофазная химия, аккреция и реакции, протекающие на поверхности частиц, бомбардировка космическими лучами, распад под действием ударной волны от взрывов сверхновых (Allamandola and Tielens, 1989). Молекулы из газовой фазы легко конденсируются на поверхности пылевых частиц, формируя ледяную мантию. Под воздействием УФ-излучения и космических лучей там образуются новые сложные компоненты. Подобные процессы схематически представлены на рисунке 1.2 Большая часть межзвездного материала сосредоточена в больших молекулярных облаках, которые существуют в двух видах — как диффузные и плотные облака. Диффузные газо-пылевые облака с температурой от 20 до 100 К и плотностью 20-200 атомов на см3 полностью проницаемы для межзвездных радиационных полей, которые разрушают большинство сложных молекул, находящихся в газовой фазе. Плотные пылевые облака имеют гораздо более привлекательные условия для химической эволюции, при которой простые молекулы образуются как в реакциях на поверхности пылевых частиц, так и в газофазных реакциях. Подобные молекулы, скапливаясь на поверхности межзвездных частиц, образуют ледяную мантию, в которой под действием потоков заряженных частиц и жесткого ультрафиолета появляются еще более сложные соединения. Среди молекул, идентифицированных в межзвездных льдах, находятся нитрилы, кетоны, эфиры, наряду с муравьиной и уксусной кислотами.
С конца семидесятых годов ряд исследовательских групп проводили эксперименты по моделированию процессов химической эволюции на поверхности подобных частиц (Cottin et al.t 1999а). В астрохимической лаборатории НАСА были проведены эксперименты по воздействию различных энергетических источников на модельные смеси межзвездного льда (H20:CH3OH:CO:NH3:C3H6 — 100:50:10:10:10), тонкий слой, толщина которого (-0.05 мкм) сравнима с толщиной мантии межзвездных частиц, осаждался на стекло и подвергался УФ-облучению и термическому циклу. Спектры получившихся пленок сравнивали с данными астрономических наблюдений (Bernstein et al., 1995). В результате подобных экспериментов были получены новые компоненты, такие как НСО, Н2СО, СН4, СОг Среди продуктов ультрафиолетового облучения аналогов кометного льда были обнаружены и более сложные молекулы, в том числе содержащие нитрильные, изонитрильные и карбонильные группы (Allamandola et al, 1988). Все подобные молекулы были идентифицированы в межзвездной среде (d Hendecourt et al., 1986; Bernstein et al., 1995). Главным источником энергии для химических реакций на межзвездных пылевых частицах служат фотоны ультрафиолетового излучения, в изобилии присутствующие даже в областях пространства, удаленных от активных звезд. Средний поток фотонов с энергиями более 6 эВ составляет примерно 108 см"2с" (Гринберг, 1984). Как показали исследования, проведенные в лаборатории Гринберга (Hagen et al., 1979) под воздействием светового излучения на пылевые частицы в межзвездном пространстве около 10% общего количества кислорода, углерода и азота за 107 лет превращается в крупные молекулы с инфракрасными спектрами, характерными для карбоновых кислот и аминогрупп. В процессе эксперимента на поверхности охлаждаемой подложки осаждалась смесь простых газов (Н20, СН4, NH3 и СО) которые облучали водородной лампой постоянного тока. Максимум излучения приходился на 160 нм и 120 нм. Образцы облучали разное время и регистрировали изменения в инфракрасных спектрах. При низких космических температурах значительная часть энергии ультрафиолетового излучения может запасаться в облученной смеси, а небольшое повышение температуры приводит к размораживанию какого-то количества радикалов и протеканию реакций между ними. Если пылевая частица охлаждена до 10-15 К, "осколки" облученных молекул могут оставаться в ней в виде свободных радикалов в окружении других молекул. Они находятся как бы в матрице и не выходят за "клетку" матрицы. Такие радикалы, содержащие неспаренные электроны, крайне реакционноспособны и, находясь в непосредственной близости друг к другу, могут самопроизвольно реагировать между собой, либо восстанавливая исходную молекулу, либо создавая новую. Последовательнные распады и рекомбинации в смеси простых молекул позволяют получать все более и более сложные молекулы. Заметим, что, если образующимися сложными молекулами в твердой фазе окажутся аминокислоты, вышеуказанный механизм дает основу для образования полипептидов. Ультрафиолетовое облучение неполярного космического льда приводит к таким продуктам, как С02, N20, 03, С03, НСО, Н2СО, и, возможно, NO и N02 (Elsila et al., 1997). Те же радиационные процессы могут
Кометы
Особый интерес для экзобиологии представляют кометы. Эти тела, по сравнению с другими в нашей Солнечной системе, содержат наибольшее количество органического углерода. В спектрах, зафиксированных в УФ, видимом, ИК- и радиодиапазонах были идентифицированы такие соединения, как СН, CN, СО, CS, Н2СО, DCO, HCN, СН3ОН, CH3CN, СН4, RjS, и множество других (Cottin et al, 1999а). Всего к настоящему времени твердо установлено наличие в коме комет около 30 стабильных (т.е. не считая ионов и радикалов) молекул. Связь подобных мономеров с биохимическими соединениями и процессами показана в таблице 1.5 (Оту and Mills, 1989). Состав оболочек комет был впервые подробно изучен на примере кометы Галлея при помощи аппаратуры, установленной на борту космических аппаратов Giotto, Вега-1 и Вега-2 (Jessberger and Kissel, 1991; McDonnell et ai, 1991). Приборы показали, что пыль кометы состоит из трех компонентов, один из которых содержит только атомы углерода, водорода, кислорода и азота (так называемые CHNO-зерна), другой состоит из силикатов, обогащенных Mg и без какого-либо значительного содержания органического материала. Большинство частиц относилось к третьему типу, который имел силикатное ядро, покрытое мантией из органического вещества, содержащего основные биогенные элементы С, Н, О, N и небольшое количество S. Органическое вещество составляло почти треть массы пылевых частиц (Kruger and Kissel, 1987). Среди широкого набора органических соединений были обнаружены димеры HCN — исходные блоки для синтеза аденина, который легко получается в лабораторных условиях при полимеризации синильной кислоты (Ferris et al, 1984). В масс-спектрах пылевой оболочки был зафиксирован сам аденин, наряду с другими гетероциклическими соединениями, такими как пурин, пиридин, пиримидин, оксипиримидин, оксиимидазол, ксантин (Kissel and Kruger, 1987; Kruger and Kissel, 1987). Предполагают, что межзвездные льды являются основным строительным материалом для комет, и это подтверждается значительным сходством между составом межзвездного льда (таблица 1.6) и списком веществ» идентифицированных к настоящему времени в кометах (Mumma 1997). В работе Бернштейна с сотрудниками (Bernstein et al, 1995) приведена схема синтеза гексаметилентетрамина (ГМТА), обычного органического компонента, полу-чающегося под воздействием энергетических источников и обнаруженного в кометах (Huebner et al., 1989). На рисунке 1.3 показано несколько путей дальнейшего превращения ГМТА — его гидролиз, термолиз и фотолиз, которые вполне возможны в кометных условиях и приводят к синтезу разнообразных БЗС.
Так, например, гидролиз в кислых условиях дает аммиак, формальдегид (исходное соединение для синтеза углеводов) и аминокислоты. Ультрафиолетовый фотолиз ГМТА, замороженного в водном льде, дает "XCN -соединения (нитрил, изонитрил и более сложные молекулы), обнаруженные в спектрах протозвездных объектов (Weintraub et al, 1994) и в модельных экспериментах со льдом, содержащим С и N (Lacy et al., 1984). Подобные вещества могут участвовать в синтезе оснований нуклеиновых кислот. Интенсивно изучается и другой возможный источник органических компонентов, идентифицированный в комете Галлея — полиоксиметилен [(СН20)п; РОМ], дающий под действием ультрафиолетового излучения такие соединения как rL CO и СО (Cottin et al, 1999b; 2000). Очень подробный обзор химии комет, включая данные, полученные при исследовании кометы Галлея космическими аппаратами, сделан в работе Дельземе (Delsemme, 1988). В таблице 1.7, взятой из этой работы, приведен состав пылевых частиц кометы. Органическая фракция в этих космических объектах составляет примерно 25%, из которых 4% приходится на Н2СО, 5% — на СН4 и, возможно, 7% на HCN (Chybaef aL, 1990). Кометы в качестве возможных источников предбиологических молекул особенно подробно рассматриваются в работах Хубнера и Бойса (Huebner and Boice, 1992), а также Дельземе (Delsemme, 1998). Множество интересных с экзобиологической точки зрения молекул, среди которых были аммиак, метан, ацетилен, ацетонитрил, изоцианистый водород (HNC) было зафиксировано в 1996 году в составе кометы Hyakutake (Irvine et aL, 1996). В другой комете, Hale-Bopp, также обнаружили метан, ацетилен, муравьиную кислоту, ацетонитрил, изоцианистый водород, изоцианистую кислоту (HNCO) и тиоформальдегид. Наблюдение за этими двумя ярчайшими кометами позволило подтвердить наличие в их составе более 25 видов исходных молекул. В 2006 году ожидается возвращение на Землю капсулы с первыми образцами кометного вещества, взятыми непосредственно из комы кометы Wild II. Кометы могли не только доставлять органические молекулы на первобытную Землю, но и служить источником энергии при своем падении для синтеза органики в атмосфере (McKay and Borucki, 1997). Под воздействием ударных волн могло получаться до 3 ( 1010 кг органики в год. Бар-Нун с коллегами продемонстрировали синтез аминокислот и их предшественников из газовой смеси CH4-C2H6-NH3-H20 в условиях падения метеорита (Bar-Nun et aL, 1970). Основания нуклеиновых кислот (аденин, гуанин, урацил, цитозин) были также получены в экспериментах с высокотемпературной плазмой, имитирующих удар при падении небесных тел на Землю (Miyakawa et aL, 1999; 2000).
Данные, приведенные в литературном обзоре показывают, что малые тела Солнечной системы богаты разнообразными органическими соединениями, в том числе, имеющими важное биологическое значение. Анализ теоретических расчетов, следов ударов микрометеоритов в лунных образцах и специальных приборах, размещенных на поверхности космических аппаратов, показывают, что каждый год Земля получает до 3 ( 107 кг межпланетных пылевых частиц размером около 200 микрон (Love and Brownlee, 1993; Kortenkamp and Dermott, 1998). Полагают, что подобная аккреция межпланетной пыли со средним содержанием углерода около 12% (Thomas et al., 1993) могла служить значительным источником предбиоло-гической органической материи на нашей планете (Anders, 1989). Крайне важно установить, насколько сложными могут быть органические соединения на поверхности этих тел, как далеко может заходить химическая эволюция в подобных условиях открытого космического пространства. Основными параметрами космического пространства являются следующие: 1) высокий вакуум с давлением, не превышающим 10 14 Па; 2) солнечная электромагнитная радиация с длинами волн от 2 X Ю"12 до 102 м; 3) солнечная корпускулярная радиация, испускаемая постоянно в виде солнечного ветра и периодически во время солнечных вспышек; Проводилось изучение действия отдельных факторов космической среды на абиогенный синтез нуклеотидов и олигопептидов как в лабораторных условиях, так и в открытом космосе. 2.1. Объекты исследования. В качестве объектов исследования в работе использовали следующие вещества и реагенты: основания нуклеиновых кислот — аденин (Ade), гуанин (Gua), урацил (Ura), цитозин (Cyt), тимин (Thy); нуклеозиды — аденозин (Ado), дезоксиаденозин (dAdo), гуанозин (Guo), дезоксигуанозин (dGuo), уридин (Urd), дезокситимидин (dThd), цитидин (Cyd); нуклеотиды — аденозин-5 -монофосфат (5 АМР), аденозин-3 -монофосфат (З АМР), аденозин-2 -монофосфат (2 АМР), аденозин-2 3 -цикломонофосфат (2 3 сАМР), аденозин-3 5 -цикломонофосфат (3 5 сАМР), аденозин-5 -дифосфат (5 ADP), аденозин-5 -трифосфат (5 АТР), дезоксиаденозин-5 -монофосфат (5 dAMP), дезоксиаденозин-3 -монофосфат (3 dAMP), дезоксиаденозин-3 5 -цикломонофосфат (З 5 cdAMP), уридин-5 -монофосфат (5 UMP), уридин-3 -монофосфат (3 UMP), уридин-2 -монофосфат (2 UMP), уридин-2 З цикломонофосфат (2 3 cUMP), уридин-3 5 цикломонофосфат (З 5 cUMP), цитозин-5 -монофосфат (5 СМР), цитозин-3 -монофосфат (З СМР), цитозин-2 -монофосфат (2 СМР), цитозин-2 3 цикломонофосфат (2 3 сСМР), цитозин-З 5 цикломонофосфат (3 5 сСМР), дезокситимидин-5 -монофосфат (5 dTMP), дезокситимидин-3 -монофосфат (3 dTMP), дезокситимидин-3 5 -цикломонофосфат (З 5 cdTMP) гуанозин-5 -монофосфат (5 GMP), гуанозин-З -монофосфат (3 GMP), гуанозин-2 -монофосфат (2 GMP), гуанозин-2 3 -цикломонофосфат (2 3 cGMP), гуанозин-3 5 -цикломонофосфат (З 5 cGMP), гуанозин-5 -дифосфат (5 GDP), гуанозин-5 -трифосфат (5 GTP), дезоксигуанозин-5 -монофосфат (5 dGMP), дезоксигуанозин-З -монофосфат (3 dGMP), дезоксигуанозин-3 5 -цикломонофосфат (З 5 cdGMP), аминокислоты—глицин (Gly), аланин (Ala), тирозин (Туг), триптофан (Тгр); дипептиды — тирозил-тирозин (Туг-Туг), глицил-тирозин (Glyyr), тирозил-глицин (Tyr-Gly), триптофил-триптофан (Тгр-Тгр), глицил-триптофан (Glyrp), триптофил-глицин (Trp-Gly), аланил-триптофан (А1а-Тгр), триптофил-аланин (Тгр-Ala); реагенты: дигидроксифосфаты натрия и калия NaH2P04, КН2Р04 (Р.), метанол (СН ОН), уксуснокислый аммоний (CH3COONH4), тетрабутил-аммония дигидрофосфат ((Bu)4NH2P04).
Абиогенный синтез дипептидов под действием различных источников энергии космического пространства
Для изучения влияния возможных источников энергии открытого космоса на абиогенный синтез БЗС, нами были исследованы реакции олиго-меризации аминокислот в твердом состоянии под действием ВУФ-излучения, 7-радиации и потоков заряженных частиц — основных энергетических компонентов космического пространства. 3.2.1. Абиогенный синтез дипептидов под действием ВУФ-излучения Были исследованы фотохимические превращения аминокислот в тонких слоях-пленках под действием ВУФ-излучения. В данной области спектра поглощают не только три аминокислоты, которые имеют в своем составе ароматические группы, но и остальные 17 аминокислот, входящие в состав всех живых организмов на Земле. Сама пептидная связь также поглощает в этой области спектра. Спектры поглощения триптофана и глицил-триптофана, взятых в виде тонких слоев, приведены на рисунке 3.12. Информация о спектрах поглощения в ВУФ-области необходима для выяснения роли отдельных хромофорных групп в превращении поглощенной молекулами энергии. Как известно, поглощение триптофана определяется индольным кольцом (полоса с максимумом около 280 нм, переход S0 — S,). При возбуждении электронных состояний S0 —» Sn добавляется вклад поглощения ст-связей алифатических хромофорных групп. Алифатические аминокислоты (в том числе глицин) характеризуются полосами с максимумами около 170 и 120 нм, а их пептиды — дополнительными полосами 140 и 190 нм, характерными для пептидных связей CONH. При поглощении глицил-триптофана в ВУФ-области происходит возбуждение как электронных состояний S2, S3 триптофана, так и пептидных групп. Нами был проведен абиогенный синтез дипептидов, содержащих в своем составе алифатическую и ароматическую аминокислоты, из смеси отдельных аминокислот в твердом состоянии. Исследовались смеси глицина или аланина (алифатические аминокислоты) с триптофаном или тирозином (ароматические аминокислоты), В результате были получены следующие дипептиды: глицил-тирозин (Glyyr), тирозил-глицин (Tyr-Gly), тирозил-тирозин (Туг-Туг), триптофил-глицин (Trp-Gly), глицил-триптофан (Glyrp), триптофил-триптофан (Trprp), аланил-триптофан (А1а-Тгр) и триптофил-аланин (Trp-Ala). Данные по выходам продуктов реакции абиогенной полимеризации аминокислот при максимальном времени облучения (9 часов, 3 X 106 Дж/м2) приведены в таблице 3.9. На примере синтеза глицил-триптофана и глицил-тирозина была изучена кинетика образования дипептидов.
Показано, что с увеличением дозы облучения, количество вновь образующихся молекул возрастает и постепенно кинетическая кривая выходит на плато с выходом продуктов около 0.4% (рисунок 3.13). Замена глицина на другую алифатическую аминокислоту (аланин) не оказывает существенного влияния на ход процесса и выходы продуктов (рисунок 3.14). Облучение плёнок, приготовленных из отдельных ароматических аминокислот (триптофана или тирозина) также приводило к синтезу соответствующих дипептидов (Тгр-Тгр и Туг-Туг). Суммарный выход дипептидов приближался к 2%. При использовании смеси аминокислот все возможные дипептиды образуются примерно с одинаковыми выходами. Например, в случае смеси глицин + тирозин выходы продуктов составили Туг-Gly — 0.37%, Glyyr — 0.36% Туг-Туг — 0.52%. Это может свидетельствовать в пользу свободнорадикального механизма реакции и равновероятном образовании радикалов, вступающих в последующие реакции полимеризации. Наряду с процессами абиогенного синтеза дипептидов нами были изучены и реакции распада как исходных соединений, так и продуктов. Подобные процессы всегда необходимо учитывать при рассмотрении любых результатов по абиогенному синтезу. В случае фотолиза Туг-Туг (рисунок 3.15) излучение Кг лампы в полосе 145 нм, поглощается как тирозином, так и пептидной группой (рисунок 3.16). Из результатов хроматографического анализа следует, что при облучении дипептида количество Туг-Туг уменьшается и среди продуктов реакции обнаружен тирозин в количестве до 1.6% (рисунок 3.15). Это дает возможность заключить, что деструкция Туг-Туг при ВУФ облучении идет не только за счет распада ароматической боковой цепи самого тирозина, но и благодаря разрыву пептидной связи с образованием свободного тирозина. Сравнение зависимостей скоростей фотолиза тирозина и его дипептида от дозы показывает более интенсивное разложение тирозина. По-видимому, в результате внутримолекулярного взаимодействия двух фенольных колец между собой происходит частичное перераспределение поглощенной энергии с уменьшением вероятности деструкции дипептида. Так же как и в случае Туг-Туг, при поглощении глицил-триптофаном излучения Кг и Хе (145 и 175 нм) происходит возбуждение как электронных состояний (S2, S3) триптофана, так и пептидных CONH групп.
После проведения хроматографического анализа облученных образцов (вид хроматограммы для смеси глицин + триптофан приведен на рисунке 3.17) измерялись площади хроматографических пиков триптофана, Glyrp и определялось отношение числа распавшихся к числу облучаемых молекул (степень фотолиза образца AN /N ). Полученные результаты приведены в таблице ЗЛО. Фотораспад триптофана и Glyrp в зависимости от дозы ВУФ облучения показан на рисунке 3.18. Из сравнения наклона линейных участков кривых для триптофана и Gly-Тф при облучении Кг (145 нм), следует, что фотолиз Gly-Тф происходит с большей эффективностью по сравнению с триптофаном. Важно отметить, что для тирозина и его дипептида наблюдается обратная ситуация — фотолиз свободной аминокислоты идет с большей эффективностью по сравнению с дипептидом. Одной из причин может являться отсутствие сопряженных арома-тических колец в молекуле глицил-триптофана, что не позволяет ей эффективно перераспределять поглощенную энергию. Большая эффективность ВУФ деструкции Gly-Тф связана с тем, что кроме разрыва индольного кольца происходит разрыв пептидных CONH групп в составе Gly-Тф с образованием триптофана, количество которого после облучения дипептида достигает 10-12 %. Аналогично ведет себя при фотолизе и Glyyr (рисунок 3.13). 3.2.2. Абиогенный синтез олигопептидов под действием у-радиации. Для сравнения воздействия двух видов излучения нами были проведены исследования по влиянию у-облучения на смеси аминокислот. Так же как и при ВУФ облучении, в смеси глицин + триптофан был зафиксирован синтез дипептидов. Кинетическая кривая абиогенного синтеза глицил-триптофана в интервале поглощенных доз от 0 до 3 X Ю3 Дж/г приведена на рисунке 3.20. Облучение в этом интервале приводит к увеличению количества образовавшихся молекул до 0.4%. Дальнейшее облучение приводило к деградации синтезированного дипептида из-за конкурирующих процессов распада. В результате облучения триптофана и глицил-триптофана были получены данные по деструкции этих соединений, аналогичные тем, которые были получены при ВУФ-облучении. Из приведенных на рисунке 3.20 результатов следует, что распад дипептида (кривая 1) происходит менее интенсивно, чем распад триптофана (кривая 2) — значения AN /N равны 2.2 и 4.8%, соответственно. При максимальной дозе, равной 3 X 10э Дж/г остается неповрежденным около 55% глицил-триптофана, в то время, как остаток триптофана составляет лишь 22%. Суммарные данные по у-радиолизу и абиогенному синтезу дипептидов приведены в таблице 3.11. Результаты отличаются от полученных при использовании вакуумного ультрафиолета, когда более интенсивно происходило разрушение дипептида по сравнению с триптофаном. По-видимому, при ВУФ облучении большое значение имеет избирательность поглощения пептидной связью, тогда как при у-облучении подобная избирательность отсутствует — возбуждение электронных уровней происходит благодаря соударениям молекул с высокоэнергичными электронами ионизации, возникающими при поглощении у-квантов. Таблица 3.11
Абиогенный синтез дипептдов под действием потока заряженных частиц
Нами было исследовано влияние потоков заряженных частиц на абиогенный синтез дипептидов в твердом состоянии. Пленки, состоящие из аминокислот, подвергались воздействию протонов с энергией от 1.8 до 6.6 МэВ. Поглощенная доза составила от 2 X W до 5 X Юи протонов/см2. После облучения пленок, содержащих отдельные аминокислоты, тирозин или триптофан, были обнаружены соответ-ствующие дипептиды: тирозил-тирозин (Туг-Туг) и триптофил-триптофан (Тгр-Тгр). Выход дипептидов составил 2.43% для Тф-Тгр и 2.38% для Туг-Туг при энергии протонов равной 6.6 МэВ и максимальной дозе 5 X 10й протонов/см2. Кривая зависимости выхода продуктов реакции синтеза триптофил-триптофана от дозы протонов дана на рисунке 3.21 (энергия протонов в данном случае составляла 4 МэВ). Показано, что с увеличением дозы облучения возрастает и количество образующихся продуктов. В случае смеси, состоящей из алифатической и ароматической аминокислот (тирозин + глицин), количество продуктов реакции абиогенного синтеза не намного отличалось от экспериментов с отдельными аминокислотами. Выходы дипептидов Glyyr, Tyr-Gly и Туг-Туг были примерно одинаковы и составили 0.71, 0.67 и 0.67%, соответственно. Полные данные по выходам дипептидов в зависимости от поглощенной дозы приведены в таблице 3.12. Данные, приведенные в таблице 3.12, показывают, что процесс абиогенного синтеза под действием протонов мало зависит от вида боковой цепи аминокислот. Основную роль в подобных реакциях могут играть сверхвозбужденные состояния молекул, которое образуются под действием пучка заряженных частиц. Скорее всего, в реакциях полимеризации участвуют радикалы, образующиеся как от воздействия самих заряженных частиц, так и от воздействия вторичных электронов, образующихся при взаимодействии протонов с подложкой. Наряду с абиогенным синтезом происходит и разложение как исходных молекул, так и образовавшихся из них дипептидов. Обсуждаемое превращение сопровождается, как и во всех остальных случаях, и распадом самого ароматического кольца, и разрушением амидной связи. Как видно из рисунка 3.22, уменьшение энергии протонов, падающих на образец, ведет к увеличению выхода продуктов реакции абиогенного синтеза дипептидов.
Таким образом, с уменьшением энергии протонов больше энергии передается среде и используется для химических превращений. Для подтверждения гипотезы о том, что процессы химической эволюции могут протекать в условиях открытого космического прост- % ранства на поверхности малых тел Солнечной системы, таких как кометы, астероиды, микрометеориты частицы межзвездной и межпланетной пыли, были осуществлены эксперименты по абиогенному синтезу нуклеотидов в условиях открытого космического пространства и по изучению влияния отдельных факторов космической среды (ВУФ и УФ-излучение, потоки заряженных частиц, у-РаДиаЦия) в лабораторных условиях на синтез нуклеотидов и олигопептидов. В качестве модели поверхности различных космических объектов рассматривалась внешняя поверхность биологического спутника "БИОН-11" с размещенными на ней сухими пленками, полученными из смеси биомолекул. Из результатов полетного эксперимента видно, что комбинированное влияние источников энергии открытого космоса на смесь нуклеозида и неорганического фосфата вызывает реакции образования природных моно фосфатов нуклеозидов, в том числе и циклических, которые рассматрива ются некоторыми авторами как возможные исходные соединения для последующих реакций полимеризации (Ferris et aL, 1984). В эксперименте на борту спутника был получен весь спектр нуклеотидов, которые являются исходными соединениями для синтеза молекул РНК и ДНК, основных компонентов живой материи. Среди продуктов реакции были обнаружены 5 -, 2 - и З -нуклеотиды наряду циклическими фосфатами как пиримидиновых, так и пуриновых нуклеозидов. Суммарный выход нуклеотидов составил от 2 до 6% в зависимости от типа основания и сахарного остатка (Kuzicheva and Simakov, 1999). Столь небольшой по меркам ,. обычной органической химии выход крайне важен с точки зрения как физических условий протекания подобных реакций, так и временных рамок процесса. В открытом космосе образцы подвергались одновременному воздействию самых разных энергетических факторов. Так как по экспертным оценкам температура на поверхности не поднималась выше 60 С, то мы полагаем, исходя из более ранних работ (Кузичева и др, 1992), что этим источником энергии можно пренебречь. Реакции абиогенного синтеза нуклеотидов идут только при температуре более 100 С, либо в присутствии некоторых дополнительных компонентов в реакционной смеси, в частности, мочевины (Reimann and Zubay, 1999). С другой стороны, наибольший энергетический вклад, скорее всего, должен был вносить солнечный свет, спектральные особенности которого приведены в работе Николета (Nicolet, 1989). Основной вывод из экспериментов по фосфорилированию нуклеози-дов в условиях космоса (таблица 3.7) состоит в том, что в достаточно жестких условиях обнаружено дальнейшее усложнение структуры исходных молекул, которое ведет к образованию таких БЗС, как нуклеотиды. Была проведена качественная и количественная оценка современных процессов абиогенного синтеза БЗС во внеземных условиях.
Изучение подобного синтеза важно для понимания абиогенных реакций, протекающих на поверхности частиц межзвездной и межпланетной пыли, метеоритов, комет и астероидов, спутников планет Солнечной системы, где роль УФ излучения крайне высока (Ferris, 1984). Из наших экспериментов можно сделать вывод о том, что абиогенное возникновение нуклеотидов протекает достаточно легко, даже в твердом состоянии. Если нуклеозид попадает в среду, содержащую свободный неорганический фосфат, то при наличии какого-либо источника энергии идут реакции фосфорилирования. Имеется целый ряд работ, где подчеркивается каталитическая роль фосфатов в процессах усложнения структуры БЗС (Macia et al, 1997; Glindemann et al, 1999). Что и подтвердили эксперименты с отдельными источниками энергии, проведенные нами в лаборатории. В наземных экспериментах были исследованы такие виды излучений, как ВУФ (А. =145 нм), УФ (X =254 нм), гамма-радиация. Во всех случаях были получены природные нуклеотиды. Основное внимание было уделено вакуумному ультрафиолетовому излучению, как наиболее распространенному в открытом космосе и наименее изученному с точки зрения абиогенного синтеза БЗС. Как известно, при действии ВУФ-излучения с длиной волны менее 200 нм на компоненты нуклеиновых кислот в них происходят одноквантовые процессы фотоионизации, приводящие к усложнению молекулярной структуры благодаря рекомбинационным процессам. Нами была изучена возможная роль ВУФ-излучения в абиогенном синтезе нуклеотидов в твердом состоянии. Исследования были стимулированы предыдущими результатами по синтезу природных нуклео-зидов (Khenokhef ai, 1971; Хенохидр., 1984) и нуклеотидов (Кузичева и Цупкина, 1986; Кузичева и др., 1988) в условиях космического полета, где излучение Солнца в УФ- и ВУФ-областях спектра является одним из важных факторов воздействия на вещество. Вещества брали в виде тонких пленок, которые могут служить моделью поверхности малых тел Солнечной системы, таких как кометы, астероиды, частицы межпланетной и межзвездной пыли. Кроме того, применение твердых образцов позволяет исследовать фотохимические реакции, проходящие благодаря поглощению излучения самими молекулами с образованием высокореакционноспособных соединений таких, как катион-и анион-радикалы. Последующие реакции могут приводить как к распаду исходных молекул, так и синтезу новых компонентов. Виды подобных заряженных интермедиатов, получающиеся при прямом воздействии ионизирующей радиации на БЗС, изучались в большом количестве работ при помощи ЭПР спектроскопии и других методов (Bernhard, 1981; Sevillae/a/., 1991). Спектры поглощения компонентов нуклеиновых кислот в ряду основание — нуклеозид — нуклеотид приведены на рисунке 4.1. Они характеризуются полосами 190, 220 и 260 нм пиримидиновых и 280 и 220 нм пуриновых оснований, которые соответствуют я-переходам S0_ S и S0 —» S2, а также возрастанием сплошного поглощения в коротковолновой, начиная со 160 нм, области спектра, обусловленным рибозными, фосфатными и рибозофосфатными группами (Ito and Ito, 1986).
