Абиогенный синтез в твёрдой фазе

Самая большая тайна Вселенной – это жизнь». (Ф. Горенштейн, 1992)

ХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ В КОСМОСЕ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

Химическая эволюция, т.е. образование сложных веществ во Вселенной, может прослеживаться нами только на примере этого процесса в пределах Солнечной системы. Возникновение самой Солнечной системы, её макроструктура – это явления тесно связанные с химическими преобразованиями космической материи.

История изучения указанных проблем достаточно длительна. Начало было положено работами Иммануила Канта (1724 – 1804) и Пьера Симона Лапласа (1749 – 1827). В 1755 году И.Кант высказал предположение, что планеты и звёзды возникают при конденсации разреженной массы газа и космической пыли в результате их медленного уплотнения. Он считал, что Солнце образовалось за счёт некоторой первичной туманности. П.С.Лаплас, независимо от И.Канта, развивал аналогичную гипотезу о происхождении Солнечной системы из «холодной туманности».

Таким образом, Солнце и вся Солнечная система, согласно гипотезе Канта – Лапласа, образовалась при длительной конденсации холодной космической материи в дискретные тела. Все объекты системы возникли одновременно. Эта гипотеза была популярна вплоть до начала ХХ века, а её общая концепция в какой-то мере используется и в наше время. Её главным недостатком было то, что она не объясняла структуру Солнечной системы, в частности положение планет - Юпитера и Сатурна.

В 1900году были выдвинуты несколько гипотез, получивших общее название «приливных теорий». Так, астрофизик Форест Рей Мультон (1872 – 1952) и геолог Томас Чемберлен (1843 – 1928) предположили, что планеты Солнечной системы образовались в результате уникального космического события – пролёта некоей звезды чрезвычайно близко от Солнца; они допускали даже возможность их соприкосновения. Вследствие этого часть солнечной материи была вытянута в космическое пространство. Из неё позднее образовались планеты Солнечной системы. К сожалению и эта гипотеза также не объясняла структуру Солнечной системы.

В версии, выдвинутой Джейсом Холудом Джинсом (1877 – 1946), солнечная материя не устремлялась только в одну сторону, в космическое пространство. Между обеими звёздами был вытянут сигарообразный поток вещества. Сигарообразные конструкции утолщаются в середине. Из более массивной средней части, по его мнению, и образовались Юпитер и Сатурн.

Таким образом, все варианты «приливных теорий» предполагали, что Солнце и планеты имеют, во-первых, различный возраст. Во-вторых, планеты образовались из горячего солнечного вещества.

Недостатком рассмотренных гипотез является тот факт, что сближение звёзд, вплоть до соприкосновения, слишком маловероятное событие, уникальное. Строить на его основе научную теорию нельзя.

Один из первых советских исследователей планетарной космогонии Отто Юльевич Шмидт (1891 – 1956) считал, что для объяснения происхождения нашей планетной системы необходимо отбросить приливные теории вследствие их научной несостоятельности. Его больше привлекала гипотеза Канта – Лапласа в её общем понимании космических событий. О.Ю. Шмидт постулировал, что Солнце в своём вращении прошло через облако газа, пыли и другой материи. В результате взаимодействия звезды и рассеянной космической материи, по его мнению, могли возникнуть неоднородности, ставшие прапланетами. В дальнейшем их масса увеличивалась за счёт аккреции (от лат.accretio – приращение, увеличение) вещества из окружающего пространства. Он писал: «…если бы Солнце, пройдя сквозь облако или вблизи него, могло «захватить» с собою часть вещества, то оно оказалось бы окружённым таким облаком, из которого в дальнейшем образовались бы планеты». Однако вероятность подобного события тоже невелика.

В соответствии с современными астрономическими представлениями, Солнечная система могла зародиться в газово-пылевом облаке, которое поддерживалось в состоянии равновесия собственным гравитационным полем. Согласно терминологии русского астрофизика Василия Григорьевича Фесенкова (1889 – 1972), такие облака называются протопланетными. Они состоят из холодной материи – кометоземалий. Это кусочки льда и вмёрзшие в них некоторые из широко распространённых элементов (углерод, азот). Согласно теории В.Г. Фесенкова, рядом с пртопланетным облаком произошло какое-то космическое событие, например, взрыв сверхновой. Известно, что этот процесс сопровождается выделением огромной энергии за счёт термоядерных реакций. Ударная волна распространилась и на протопланетное облако. По главному фронту волны произошло уплотнение и разогрев материи центральной массы вплоть до размеров сопоставимых с современными размерами Солнца. Так возникло центральное тело системы. Периферическая, более холодная часть облака, расширилась и фрагментировалась на отдельные компактные тела – планеты. Солнечная гравитация не позволила им «упасть» во Вселенную. Более разреженная часть протопланетного облака рассеялась. В основном это были инертные («благородные») газы. Реликтами этого космического события – рождения Солнечной системы, оказались кометы и метеориты. Согласно гипотезе В.Г. Фесенкова, и Солнце и все планеты системы возникли одновременно из холодной космической материи.

Развиваемая В.Г. Фесенковым, гипотеза происхождения Солнечной системы из протопланетного облака имеет своим главным достоинством тот факт, что в космическом пространстве наличие газово-пылевых туманностей не вызывает сомнений. Взрывы сверхновых так же достаточно ординарное событие.

Что касается компонентов газово-пылевых туманностей, то они являются одним из главных объектов изучения химической эволюции космической материи. Это самая распространённая форма существования вещества в Космосе. Как отмечалось ранее, пылинки сильно ионизированы, поэтому, несмотря на низкую температуру (10 – 15 К) они могут быть настоящими «лабораториями», где происходит синтез сложных молекул. Например, углеводородов:

H₂O + hv->OH+H (1)

CH₄+hv - >CH₃+H (2)

CH₃+OH - >CH₄OH (3)

Подобные последовательные распады и рекомбинации радикалов в условиях энергетического изобилия приводят к синтезу всё более сложных молекул. А так как ядра крупных пылевых частиц содержат и другие элементы, вплоть до силикатов, то вполне реально образование при фотохимических реакциях очень сложных органических молекул. По результатам радиоастрономических исследований газово-пылевых облаков Млечного пути и других галактик, в них зафиксированы сложные углеводороды:

состоящие из двух атомов – Н₂О, СО, NO, CN, SO, SiO, SiS и т.д.

состоящие из трёх атомов – HCN, H₂S, SO₂, H₂O, HNO и т.д.

состоящие из четырёх атомов – NH₃, H₂CO, HNCO, H₂CS, HNCSи т.д.

состоящие из пяти атомов – CH₂NH, CH₄, HC₃N, NH₂OCN и т.д.

состоящие из шести атомов – CH₃CN, CH₃SH, NH₂CHO и т.д.

состоящие из семи атомов – NH₂CH_3,C₅HN, CH₂CHO и т.д.

состоящие из восьми атомов – HCOOCH₃и т.д.

состоящие из девяти атомов – CH₃CH₂OH, CH₃CH₂CN, HC₇N и т.д.

состоящие из десяти атомов – не обнаружены

состоящие из одиннадцати атомов – HC₉N

В молекулярных облаках созвездия Ориона обнаружены ране не известные спектры каких-то сложных веществ. Предполагается, что это аминокислоты. Такая возможность подтверждается рядом лабораторных экспериментов по химическим процессам в межзвёздной пыли. Ежегодно на Землю попадает до 10⁴тонн этой межпланетной пыли.

Вторым объектом анализа химического состава космического вещества являются кометы. Их изучение особенно интенсивно происходило в последнее двадцатилетие прошлого века. Этому способствовало прохождение вблизи Земли ряда комет – кометы Галлея, Хаякутаки, Хейла – Боппа. Установлено, что голова всех комет представляет собой «ком грязного снега» - в ней преобладают кристаллы льда и атомы углерода. Установлено, что в голове кометы Хейла – Боппа основные молекулы – H₂O, OH, CH₄, CO₂, NH₃, CN, C₂. Хвост комет содержит сильно ионизированные радикалы: CH⁺, CO⁺, CO₂⁺ CN⁺, N₂⁺, OH⁺, H₂O⁺. Под действием солнечного ветра ионы в хвосте светятся. Как уже отмечалось, хвост кометы может быть двойным (комета Хейла – Боппа). Второй хвост обычно состоит из плазмы. При изучении этой кометы установили, что она характеризуется высокой производительностью различных молекул, т.е. способностью образовывать их в единицу времени. Молекулярная производительность ядра кометы Хейла – Боппа для воды 5*10³⁰_КГ/СЕК., углерода – 2*10⁵_КГ/СЕК, пыли – 3,2*10⁵_КГ/СЕК.Что касается химического состава пылевого компонента кометы, то в нём преобладают соединения металлов с силикатами (Fe_nSiO_4,MgSiO₄). Очень интересно обнаружение фостерита (Mg₂SiO₄). Известно, что он характерного для молодых звёзд протопланетных облаков. Установлено, что по мере приближения комет к Солнцу в их составе появляются такие элементы как кальций, кобальт, хром, медь, железо, ванадий. Они образуются за счёт термоядерных реакций, происходящих на Солнце. Кометы захватывают их и переносят в другие уголки космического пространства. Разумеется, все эти элементы, и вещества уже были в том пространстве, где образовалась Солнечная система.

В кометах химический органический синтез индуцирован радиацией и происходит в твёрдой фазе.

Таким образом, по имеющимся данным и лабораторным опытам, в кометах не только сохраняются палеомолекулы, но оказалась возможной химическая эволюция вплоть до образования молекул сложных углеводородов.

табл.2

Абиогенный синтез в твёрдой фазе

исходные вещества	Источник энергии	продукты
CH₄-N₂-C₂H₆	‘электроны	Этилен, ацетилен ,пропилен, пропан, бутан
CH₄-N₂	электроны	Ацетилен, этилен
CH_4--NH_3--H₂O	протоны	Ацетон, мочевина
CH₄-NH₃-H₂O	электроны	Глицерин, аланин, аспарагиновая к – та, пурины
HCHO-NH₃-H₂O	Ионы¹⁴С⁺	Глицин, аланин, Щавелевая к – та, спирты

В целом, можно утверждать, что химические реакции во Вселенной достаточно интенсивны. Источников энергии и ингредиентов для таких реакций в космическом пространстве более, чем достаточно.

Атомы и молекулы, из которых состоят космические тела, земная кора, атмосфера Земли, её гидросфера, растения, животные и человек практически одни и те же. Они возникают в недрах звёзд, выбрасываются в космос и участвуют в формировании планет, планетных систем, галактик и т.д. Иными словами, и мы и звёзды состоим из одного материала.

Однако, несмотря на единство материи и происхождения планет Солнечной системы, физико – химические процессы на них протекают различно. Это зависит от двух причин – размеров планеты и её удалённости от солнца. Обе они отражаются на температурном режиме планет и, следовательно, и на ходе химических реакций.

Возраст Солнечной системы приблизительно 5 млрд. лет (5*10⁹), что соответствует наблюдаемому возрасту Солнца. Это определяется по сравнительному содержанию в его составе тяжёлых элементов. Их несколько больше (0,044%), чем в среднем во Вселенной(0.011%). Следовательно, Солнце весьма «пожилая» звезда, в том смысле, что оно должно уже было пережить ряд взрывов Сверхновой, в ходе которых образовывались тяжёлые элементы.

Все планеты Солнечной системы делятся на две группы: планеты Земной группы (1.5 млрд.км. от Солнца) и планеты – гиганты (95,5 млрд.км. от Солнца. Планеты Земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс не только ближе к Солнцу, но и меньшего диаметра, чем гиганты. Все они имеют высокую среднюю плотность – 3,5 – 5,5_Г/СМ³ и, за исключением Меркурия и Луны, обладают атмосферой. Температура этих планет зависит от их размеров. Наиболее быстро остыл Марс. Ещё одна особенность этой группы – наличие у них в ядрах раскалённых до жидкого состояния окислов металлов, а значит присутствие магнитосферы. Для первичной атмосферы Земли и аналогичных ей планет характерно наличие газообразных H_2,CH_4,NH_4,H₂O и т.п.

табл.3

Сравнительная характеристика планет Земной группы

название	диаметр, км.	Продолжительность одного обращения вокруг Солнца, суток	примечения
Меркурий	4878	88	сильно
Венера	12104	224,7	разогреты
Земля	12756	365,26	Спутник - Луна
Марс	6766	687	Температура ниже, чем на Земле

Планеты – гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Все планеты этой группы имеют кольца разной плотности и огромное количество спутников, подобных нашей Луне. У Сатурна их более шестидесяти. По своей массе они значительно больше массы Земли. Так, масса Юпитера в 318 раз больше массы Земли и составляет 1/1047 часть массы Солнца. Все гиганты, в отличие от Земли имеют газо-жидкую природу.

табл.4

Сравнительная характеристика планет – гигантов

название	диаметр, км.	Период обращения вокруг Солнца, лет	примечания
Юпитер	142796	11,3	От Солнца 800млн км, 16 спутников
Сатурн	120000	29,2	15 спутников и комета
Уран	52400	84	5 спутников
Нептун	48600	164,3	2 спутника

Удаление этих планет от Солнца сказалось на их температуре – она низкая. Однако большая масса, по крайней мере, у Юпитера и Сатурна, не позволяет им быстро остыть. В их недрах температура должна быть достаточно высокой. Изучение ближайших к нам планет представляет интерес с точки зрения познания особенностей химической эволюции в космосе, и понимания, почему именно на Земле возникла и развилась жизнь. Наиболее детально астрономами изучены условия на Венере, Марсе и Юпитере.

Венера по размерам соизмерима с Землёй и приблизительно в два раза больше Марса. Температура этой планеты около735К, атмосферное давление в сто раз больше земного. Состав атмосферы в средних слоях – CO, CO₂, H₂O, HF, HCl, SO_2.; на высоте около 50 – 70км. в атмосфере Венеры находятся достаточно плотные, двадцатикилометровой толщины, облака серной кислоты. Они не пропускают солнечные лучи. Вследствие этого поверхность Венеры получает солнечной энергии даже меньше, чем поверхность Земли. В то же время надоблачная атмосфера сильно разогрета. Суточных и сезонных колебаний температуры нет, так как вращение Венеры вокруг оси происходит за 243 земных суток, а вокруг Солнца за 224,7 земных суток. Ось её вращения перпендикулярна к плоскости орбиты. Условий для синтеза и накопления органических веществ на Венере в настоящее время нет.

Марс имеет диаметр, равный половине земного; масса его составляет 1/10 часть массы Земли; расстояние от Солнца – 225млн.км. Период суточного вращения Марса – 24часа 37минут. На фотографиях этой планеты видны «полярные шапки» белого цвета. Предполагается, что они состоят из воды или двуокиси углерода. Современные исследования Марса предприняты с целью поиска воды, ибо она является необходимым компонентом и средой при синтезе органических веществ. Возможно, полярные шапки Марса состоят изо льда, на котором при падении температуры марсианской зимой может конденсироваться двуокись углерода. Тёмные области этой планеты периодически изменяют свою площадь. Причина этого до сих пор неизвестна. Среднегодовая температура на Марсе приблизительно на 50⁰С ниже, чем на Земле. На экваторе планеты она не превышает 30⁰С. Марс – холодная планета. Атмосферное давление в 100 раз ниже Земного и составляет 6,5 миллибар. Литосфера Марса представлена высококальценированными полевыми шпатами. Её возраст соизмерим с возрастом Земли и всей Солнечной системы – 4,5 млрд. лет. Атмосфера состоит в основном из оксида углерода, диоксида и паров воды; в незначительных количествах в ней содержаться озон, крипто, ксенон. На марсианскую поверхность воздействует интенсивный поток ультрафиолетовых (УФ) лучей. Это основной энергетический источник Марса. Его поверхность имеет сложный рельеф – впадины, горы, воронки. Последние - либо результат падания метеоритов, либо остывшие вулканы.

Исходя из размеров Марса и его расстояния от Солнца, можно предположить, что ранее он имел более плотную атмосферу и температуру. Допускается, что при достаточном его разогреве на Марсе были возможны химические реакции синтеза сложных углеводородов. составляющих основу живых систем. Однако быстрое остывание Марса прекратило эти процессы.

Таким образом, приходится признать, что в настоящее время Марс – это безжизненная планета, где нет условий для образования сложных органических веществ.

Юпитер – Это самая большая планета Солнечной системы: по весу он в два раза превосходит все, вместе взятые остальные планеты. Юпитер удалён от Солнца на 800млн. км, что в пять раз превышает расстояние между Солнцем и Землёй. Это холодная с поверхности планета. Его атмосфера состоит из аммиака, метана и водорода. Видимо – это древние молекулы, сверстницы Солнечной системы. Они удерживаются мощным гравитационным полем Юпитера. Внешний слой атмосферы Юпитера холодный, это «замёрзшая» оболочка, состоящая из кристаллов аммиака и воды. Под ней же скрывается «ад» кипящих паров и жидкостей. Это обусловлено тем, что благодаря таянию льда и превращению его в воду, усиливается испарение. Вследствие чего активизируется поглощение лучистой энергии Солнца, что вызывает ещё большее испарение и разогрев. Поэтому под слоем облаков кристаллического аммиака находится другой слой. Он состоит из капель жидкого аммиака. Под ним находится слой газообразного аммиака. Вода в виде льда, жидкости и паров располагается ниже аммиачного слоя. В непосредственной близости от поверхности планеты, состоящей из твёрдого водорода, отмечаются высокие показатели температуры и давления. В энергетическом плане на Юпитере есть условия для синтеза сложных молекул. Есть там и первичный материал для его осуществления. Однако, пока не ясно, как далеко зашли эти реакции. Вполне возможно, что ответ на этот вопрос даст анализ загадочного «Красного пятна» Юпитера. Попытку установить его происхождение предпринял американский биохимик, крупный специалист в области космической биологии Сирил Поннамперума (1923 – 1994).При моделировании условий, существующих в атмосфере Юпитера. Было получено в лаборатории несколько соединений нитрилов. Из смеси аммиака и метана получили рубиново – красное вещество этой группы. Как известно, нитрилы являются предшественниками самой простой аминокислоты – глицина. Она легче всего синтезируется в лаборатории. Вероятно, Красное пятно содержит именно эти нитрилы. Тогда можно предположить, что Юпитер хранит в себе огромные запасы органического вещества.

Сравнение условий на рассмотренных планетах позволяет сделать вывод, на них протекает абиогенный синтез органических веществ. Он происходит на всех планетах по-разному, и стоит в прямой зависимости от состава исходных веществ и энергетических источников. Однако ни на одной из изученных планет в прошлом и настоящем времени не оказалось условий, благоприятных для возникновения живых систем. Жизнь присуща только Земле.

На основе анализа межзвёздной пыли, комет и некоторых планет Солнечной системы, можно сделать вывод: в разных уголках Вселенной происходят сложные реакции химического синтеза, идёт химическая эволюция. Следовательно, жизнь – это космическое явление, этап глобального эволюционного процесса.

Земля как космическое тело, отличается от остальных планет Солнечной системы относительно средними размерами и определённой близостью к центральному светилу. Вследствие этого, для неё характерно медленное остывание, что является необходимым условием не только для синтеза, но и для накопления сложных органических веществ на планете.

Единственный естественный спутник Земли – Луна. Её диаметр составляет 3476 км, она соизмерима с Меркурием. От Земли её отделяют384400 км. В лунном ядре нет металлов, её магнитосфера ничтожна. Это холодное тело. Наиболее распространённые породы – полевой шпат и базальт. Этим она схожа с Землёй. Все лунные породы пористые (как пемза), потому что при остывании из её ядра выделялся газообразный водород, пузырьки которого сохранились в породах и до настоящего времени. Сходство лунных и земных пород говорит об их близком происхождении. Однако на Луне нет условий для химической эволюции.

В нашей Солнечной системе жизнь возникла и развилась только на Земле. Её особенности, как планеты, помогают понять, почему именно она является «колыбелью» жизни. По форме Земля не идеальный шар, она сплюснута у полюсов (геоид). Её экваториальный радиус – 6378,2 км, полярный – 6356,9 км, разница составляет 21,3 км. Средняя плотность Земли – 5518 г/см³, масса – 5976*10²¹кг. Земля расположена практически в верхних слоях атмосферы Солнца, на расстоянии384400км. Все эти показатели свидетельствуют о медленном остывании нашей планеты.

Проземля состояла из холодной газообразной материи. По мере уплотнения она разогревалась, происходили плавление и дифференцировка сложных химических соединений. Вследствие вращения в центре планеты образовалось ядро, содержащее никель и железо. Присутствие железа в ядре обеспечило наличие магнитосферы Земли. Эффект центрифуги способствовал дегазации ядра (выделению водорода). Эволюция газов земной коры и атмосферы тесно связана с историей её формирования и дальнейшего развития. Возможность сохранения газообразных элементов и соединений при формировании Земли зависит от физических условий, массы планеты и химических свойств этих газов. Сопоставление обилия элементов в земной коре и в диске нашей Галактики, показывает, что Земля при своём формировании потеряла большую часть каждого из них. К числу таких элементов относятся гелий, водород и неон. Земля, как планета относительно небольшой массы, не могла, судя по расчётам, удержать их. Выделяют несколько стадий эволюции атмосферы нашей планеты. Они постепенно переходили одна в другую и отличались по своему составу. Первая стадия относится к периоду дифференциации протопланетного облака. В этот период газовая компонента Земли мало чем отличалась по своему составу от протопланетного облака. Эта первая стадия эволюции газовой фазы планеты переходила во вторую, связанную с разогревом сформировавшейся планеты и выделением из мантии таких газов как метан, азот оксид углерода. Атмосфера в этот период имела резко восстановительный характер. Затем по мере повышения температуры выделились и другие газы, в частности диоксид углерода пары воды. Около 3,9 – 3,8 млрд. лет назад, когда температура Земли стала ниже 100⁰С, началась третья стадия существования атмосферы. Пары воды, насыщавшие атмосферу, сконденсировались, жидкая вода заполнила наиболее низкие участки рельефа земной поверхности, образовав океаны и моря. Так сформировалась гидросфера. Состав атмосферы при этом резко изменился. Вода в её составе заняла второстепенное положение. По мере дальнейшего снижения температуры увеличивалось растворение и накопление углекислого газа и сероводорода в образовавшихся морях и океанах. Растворение углекислого газа и его реакции с силикатами повышали в атмосфере долю таких газов, как метан, водород и оксид углерода. Кислород присутствовал на этом этапе в атмосфере в очень незначительном количестве и сразу же вступал в реакции с другими её газами. Поэтому свободного молекулярного кислорода на третьем этапе эволюции атмосферы не было. Он находился в виде окислов. Таким образом, в период, соответствующий разогреву Земли и началу её медленного остывания, атмосфера продолжала сохранять восстановительный характер. Сейчас её называют первичной.

Современная – четвёртая стадия существования атмосферы наступила уже в связи с возникновением жизни на Земле. Эта стадия характеризуется поглощением углекислого газа из атмосферы растениями и выделением ими кислорода. Атмосфера Земли приобрела явно окислительный характер, имея 20% кислорода. Главным компонентом этой атмосферы стал азот. Содержание углекислого газа в современной, вторичной, атмосфере не должно превышать 0,03%.

Между гидросферой и ядром сформировалась литосфера. Первоначально она была представлена мантией, состоящей из лёгких силикатов. Одновременно сформировалась протокора. Она состояла из гнейсов (прекристаллизованных изверженных пород – кварца, полевого шпата, слюды). Образование литосферы – результат взаимодействия гидросферы и вулканических пород. В процессе формирования коры в ней накапливались различные окислы; земная кора богата кислородом.

Из-за различных температурных режимов и темпов дегазации, кора стала неоднородной. В ней выделяются области сжатия и области растяжения. В зонах сжатия дегазация и подъём расплавов затруднены; кора двухслойна – верхний слой представлен кислыми вулканическими породами. Нижний слой – базальты, обладающие по химизму основными свойствами. В зонах растяжения – однослойная базальтовая протоокеаническая кора. В местах контакта этих молодых разновидностей коры образовались подвижные пояса Земли – зелёнокаменные, состоящие из серпентина.

Рельеф Земли многократно менялся, менялись очертания и размеры материков. Эти изменения связаны с эндогенной, вулканической активностью нашей планеты. Эндогенная активность Земли обеспечивает тектонические движения – вертикальные и горизонтальные движения плит. Это возможно, благодаря наличию пластичной зоны в мантии – астеносферы. Главной причиной перемещения литосферных плит являются конвективные процессы в мантии, включая и астеносферу. Источником тепла для них является радиоактивный распад в недрах Земли, в ядре. Здесь образуются горячие струи («плюмы»), - «прожигающие» литосферу вулканы. Зарождаются плюмы на границе мантии и ядра, где имеется фазовый переход – «твёрдое тело – жидкость». Зона «плюм – тектоники» нижняя мантия. Земля как космическое тело постоянно отдаёт в космос тепло, охлаждается. Холодные массы устремляются вниз, происходит подвиг плит. На границе верхней и нижней мантии (около670 км.) этот материал накапливается и «проваливается» к поверхности ядра. Это вызывает оживление плюм – тектоники, возникают восходящие струи, которые достигнув поверхности, остывают и со временем «проваливаются» в ядро. Так происходит обмен веществом между ядром и поверхностью литосферы. Одновременно идёт метаморфизация пород.

Таким образом, Земля в целом, как космическое тело, и её сферы представляют собой сложную динамическую систему. В ней совершается геологический круговорот веществ.

Изменение очертаний материков и океанов в первые 600 млн. лет не документированы. В дальнейшем в истории нашей планеты предположительно несколько раз образовывались и распадались древние суперконтиненты, происходили циклические изменения соотношения суши и океана. Средняя продолжительность этих периодов 500 – 600 млн. лет. Побочным эффектом названных перестроек оказалось незначительное в космических масштабах изменения радиуса планеты, некоторая «пульсация» объёма Земли. Установлено, что по мере её старения, объём Земли незначительно уменьшается вследствие общего охлаждения планеты.

Итак, в истории Земли происходили неоднократные изменения атмосферы, преобразования рельефа, изменение соотношения гидросферы и литосферы. Всё это сказывалось на характере химических преобразований веществ на ней. Благодаря эндогенным процессам формировались материки и водные акватории. В то же время, Земля как планета Солнечной системы, испытывала и испытывает воздействие космических факторов и сама воздействует на ближайший космос. Она представляет собой сложную открытую систему. Это динамическая, изменяющаяся, эволюирующая система.

На доактуалистической Земле сложилась уникальная обстановка, позволившая глобальной космической эволюции продолжиться вплоть до возникновения жизни и человека – мыслящего существа, способного изучать этот процесс. Как это ни парадоксально, в этом состоит и ординарность, и уникальность нашей планеты. Ординарность Земли в том, что на ней продолжился космический процесс эволюции, уникальность состоит в специфическом характере условий, сложившихся на планете.

Это привело к следующему этапу исторического развития Вселенной, к появлению в ней живых систем. Проблема их происхождения сводится к решению вопроса о возможных путях синтеза полимерных молекул, составляющих материальную основу живых систем.

Вплоть до XIX века не существовало проблемы возникновения жизни как таковой. Общепринятой была точка зрения, согласно которой все организмы, помимо того, что они происходят от родителей, часто могут неожиданно возникать путём самозарождения. Точки зрения о спонтанном зарождении организмов придерживались такие выдающиеся мыслители, как Фалес, Аристотель, Демокрит, Парацельс, Коперник, Декарт и др. Так, согласно Аристотелю, лягушки возникают из ила, мыши – из грязного белья и т.п. В XVI – XVII веках в изучении природы произошёл резкий перелом – от философских рассуждений к обдуманным систематическим исследованиям в лаборатории. Такое развитие экспериментального подхода на первых порах ничуть не поколебало представлений о спонтанном зарождении живого. Более того научная и философская литература «обогатилась» описаниями способа получения живых организмов, чаще всего животных, в лабораторных условиях.

Вероятно, самый удивительный рецепт получения мышей из пшеницы предложил крупный учёный своего времени - врач Ван-Гельмонт (1579 – 1644). Он предлагал набить открытый кувшин грязным бельём, добавить туда немного пшеницы и ждать приблизительно двадцать дней. Когда из кувшина пойдёт дурной запах, в нём произойдёт зарождение взрослых мышей.

Если экспериментальный метод Ван – Гельмонта оставлял желать лучшего, то об опытах великого врача Франческо Реди (1626 – 1698) сказать этого нельзя. Он подверг многократной проверке представление о спонтанном возникновении червей из гниющего мяса. Простыми опытами он блестяще опроверг эту доктрину. Он в группе сосудов оставлял кусочки мяса. При этом часть из них покрывал лёгкой воздухопроницаемой тканью, вторая группа сосудов никак не защищалась. Гниение мяса происходило во всех сосудах, «черви» же появились только в тех, которые оставались открытыми. По результатам дальнейшего наблюдения, Ф. Реди установил, что это были личинки мух.

Таким образом, относительно живых существ, видимых простым глазом, предположение о самозарождении оказалось несостоятельным. Но в конце XVII века изобретение микроскопа открыло учёным мир мельчайших существ, невидимых простым глазом. Более того, Антон ван Левенгук (1632 – 1723) обнаружил. что в сенном настое появляются микроскопические живые существа. которых раньше там не было. Интерес к идее самозарождения возродился. Только было сделано предположение, что самозарождение присуще лишь мельчайшим организмам; В дальнейшем уже из них формируются крупные и сложные существа. Началась экспериментальная проверка гипотезы, учёные разделились на два лагеря. К числу сторонников новой концепции относились такие авторитеты, как Жорж Бюффон (1707 – 1788) и Жан Батист Ламарк (1744 – 1829).

Точку в этой дискуссии поставил гениальный французский учёный Луи Пастер (1822 – 1895). Он прежде всего доказал крайне широкое распространение микроорганизмов. Рядом опытов он показал, что в воздухе всюду носятся их мельчайшие зародыши. Так. в одном кубическом метре парижского воздуха, по данным Л.Пастера, летом содержится до 10 тысяч микроорганизмов. Попадая в подходящие условия. Они прорастают, развиваются и размножаются с необычайной быстротой. Именно они служат причиной загнивания легко портящихся продуктов. Таким образом, не гниющие среды порождают микробов , наоборот, микробы служат причиной гниения. Если тщательно прокипятить мясной бульон и затем надёжно предохранить его от проникновения микроорганизмов, которые могли бы попасть в сосуд из воздуха, то в ста случаях из ста гниение не происходит. В блестящем опыте Л.Пастера мясной бульон наливался в колбу. После того, как его прокипятили, колбу надёжно закрывали пробкой, через которую проходила S-образная стеклянная трубка. Воздух, проходивший через эту трубку, очищался от микробов, так как они оседали в её влажных изгибах. В дальнейшем изогнутое колено трубки прогревали. Содержимое колбы долго оставалось свежим.

Л.Пастер окончательно опроверг гипотезу самозарождения, но проблему происхождения жизни он не решил. Между тем этот вопрос стал весьма актуальным. Астрономы и геологи к середине XIX века доказали, что было время, когда Земля, представляла собой раскалённый добела шар. В этих условиях живые организмы существовать не могли. Жизнь на Земле могла появиться только после её остывании. Объяснение появления живых организмов на Земле попытался дать Герман Рихтер (1818 – 1876) с помощью «теории паспермии». Исходя из представления, что в мировом пространстве носятся маленькие частицы твёрдого вещества (космозои), отделившиеся от небесных тел, Г.Рихтер допускал, что на их поверхности могут быть жизнеспособные зародыши микроорганизмов. Они переносятся с помощью космозоев с одного, заселённого организмами, небесного тела на другое, где жизни нет. Если они попадают в благоприятную для жизни среду, то прорастают и становятся родоначальниками всего органического мира планеты.

Эта теория приобрела в научном мире много сторонников, между которыми были даже такие выдающиеся умы, как Герман Гельмгольц (1821 – 1894) и Сванте Август Аррениус (1859 – 1927). «Одно из двух, - говорил Г.Гельмгольц. – Органическая жизнь или когда-нибудь началась (зародилась), или существует вечно». С его точки зрения, идея вечности жизни и распространения её в мировом пространстве убедительнее идеи самозарождения.

Оппоненты теории панспермии справедливо утверждают, что в суровых условиях комического пространства маловероятно и просто невозможно выживание любых живых организмов, даже спор бактерий. Кроме того, условия существования на разных планетах, несомненно, весьма различны и резко отличаются от условий космического пространства. Если гипотетически представить, что где-то в космосе всё-таки носятся зародыши микроорганизмов, то надо допустить, что они обладают фантастической способностью к мгновенным адаптациям в резко отличающихся условиях. Кроме того, теория паспермии является ответом только на вопрос о происхождении земной жизни, а отнюдь не на вопрос о происхождении жизни вообще.

Новые сведения о тонкой структуре и химической сложности живой клетки, данные геологии, свидетельствующие о громадном возрасте Земли, и дарвиновская теория эволюции послужили основой для создания современной концепции о постепенном и совершенно естественном возникновении самовоспроизводящихся химических систем на первобытной Земле.

Предположение о том, что возникновению жизни на Земле предшествовал длительный период «абиогенной молекулярной эволюции» впервые было высказано в 1924 г. русским биохимиком профессором, впоследствии академиком, - Александром Ивановичем Опариным (1894 – 1980). Независимо от него, в 1929г., английский биохимик Джон Холдейн (1892 – 1964) также сформулировал гипотезу о развитии жизни на Земле в результате химической эволюции. В дальнейшем её поддержал выдающийся английский физик и философ Джон Бернал (1901 – 1971). Ему принадлежит определение химической эволюции на Земле как процесс «биопоэза». В эти же, двадцатые, годы прошлого века великий русский учёный и мыслитель Владимир Иванович Вернадский в своих работах рассматривал жизнь как космическое явление, этап космической эволюции.

Главная особенность биологических систем – это способность концентрировать энергию, переводить её в более сложную форму, осуществлять органический синтез и образовывать огромное разнообразие полимерных молекул. Таким образом, вопрос о происхождении жизни на Земле сводится к выяснению путей возникновения сложных полимерных молекул, веществ, способных аккумулировать солнечную энергию, и полимеров, обеспечивающих матричный синтез.

Для этого необходимо мысленно восстановить материально-энергетическую характеристику условий доактуалистической Земли, и экспериментально проверить возможности протекания на ней соответствующих реакций.

Итак, около пяти миллиардов лет назад наша планета потеряла свою раннюю атмосферу. В ходе формирования её ядра и коры за счёт дегазации ядра, а также поступления космических газов, сложилась резко восстановительная атмосфера, именуемая первичной. По составу она могла быть двух типов:

а)CO, CO₂, H₂O, N₂, H₂;

б) H₂O, CH₄, NH₃, H₂,HCN.

Характерно, что первичная атмосфера не имела свободного кислорода из-за его высокой химической активности, усиливающейся под воздействием жёстких космических лучей. Газы первичной атмосферы являлись материальной основой химических реакций – реагентами.

Достаточно разнообразными на доактуалистической Земле были источники энергии. Во-первых, сама планета была сильно разогрета. Во-вторых, на неё поступала тепловая энергия Солнца, энергия жёстких ультрафиолетовых лучей. Много энергии поступало от электрических разрядов (молний), от элементарных частиц солнечного ветра и падающих метеоритов.

Таким образом, на доактуалистической Земле имелись в достаточном количестве и реагенты, и источники энергии, необходимые для протекания химических реакций.

Исторически сложилось так, что в50-е – 70-е годы прошлого столетия, биохимики России, США, Англии и др. провели многочисленные эксперименты, подтверждающие возможность возникновения в атмосфере Земли сложных органических соединений, вплоть до пуриновых и пиримидиновых оснований, аминокислот, а также сахароподобных веществ.

Первыми такой синтез осуществили в 1953г. Стэнли Миллер (1930 – 2007) и Гарольд Юри (1893 – 1981) в Чикагском университете. Экспериментаторы в течение длительного времени пропускали искровой электрический разряд через смесь газов, аналогичных газам предполагаемой первичной атмосферы (метан, аммиак, водород, пары воды, цианистый водород и др.). Прибор С.Миллера, воспроизводивший условия раннего этап биопоэза, был предельно прост. К колбе, содержавшей смесь газов, были подведены электроды, дававшие искровой заряд. С колбой был соединён через змеевик сосуд с кипящей водой. Её пары создавали циркуляцию газов в колбе, а сама она имитировала мировой океан. Вследствие ионизации происходила реакция между метаном и водой. В результате образовывался метиловый спирт. В дальнейшем, при его ионизации появлялся формальдегид. Последний при взаимодействии с цианистым водородом и аммиаком образовывал простейшую аминокислоту – глицин. Экспериментаторы многократно модифицировали свою установку, использовали и другие источники энергии. В конечном итоге многочисленных опытов были получены 18 аминокислот, пуриновые и пиримидиновые основания, а также уксусная, муравьиная, молочная янтарная кислоты, мочевина. Вблизи искрового разряда происходило образование цианистого водорода и альдегидов. Конденсация этих продуктов в водной среде при последующем гидролизе приводит к образованию аминокислот. Таким образом, уже на первой стадии биопоэза продукты первичного синтеза становились реагентами для последующих реакций возникновения мономерных соединений.

Мэлвин Кальвин (род в 1911) немного модифицировал опыт С.Миллера – Г.Юри: аналогичную смесь газов он подверг электронной бомбардировке. В его опыте было синтезировано больше разнообразных продуктов. Наибольший интерес представлял значительный выход аденина (C₅H₅N₅). Видимо его предшественником был цианистый водород:

5HCN à C₅H₅N_5. В его молекуле нет кислорода. Следовательно, он может синтезироваться в условиях восстановительной атмосферы. Между тем, в настоящее время аденин широко представлен во многих полимерных молекулах нуклеиновых кислот, АМФ, АДФ, АТФ и др.

С. Поннамперума с сотрудниками проводил эксперименты, подобные экспериментам С.Миллера, но с использованием в качестве источника энергии ультрафиолетового света. Он не только смог синтезировать аминокислоты и пурины, но и, используя особые условия, смог синтезировать из этих продуктов полимеры. Оказалось, что в присутствии цианистого водорода аминокислоты полимеризуются, образуя пептидные цепи. При добавлении фосфорной кислоты были получены различные нуклеотиды.

Важного успеха добился Хуан Оро с сотрудниками. Они доказали своими опытами, что получение мономеров возможно при простом нагревании среды. Если свободные радикалы и малые «органические» молекулы могли создаваться лишь за счёт высокоэнергетического ультрафиолетового излучения Солнца, то синтез из малых молекул более сложных веществ мог происходить в более мягких условиях. В экспериментах Х. Оро водные смеси малых молекул оставлялись на несколько дней в диапазоне от комнатной температуры до 150⁰С.

Образование аминокислот наблюдалось также при облучении ультрафиолетом водного раствора формальдегида и иона аммония. Эти эксперименты проводили Т.Е. Павловская и А.Г.Пасынский. Объём реакционной смеси был равен 20 мл, концентрация формальдегида составляла 2,5%. а иона аммония – от1 до1,5 %. Температура смеси поддерживалась в пределах 40 – 45⁰С. Наиболее интересным было присутствие в числе продуктов реакции ароматической аминокислоты – фенилаланина, не отмечавшейся в других опытах.

Что касается получения сахаров, то ещё в 1861 г. был осуществлён искусственный синтез сахара известным русским химиком Александром Михайловичем Бутлеровым (1828 – 1886). Было показано, что, растворяя формальдегид в присутствии оснований, можно получить сахар. В прошлом веке были проведены многочисленные эксперименты с целью выяснения того, какие именно сахара синтезируются этим методом. Среди продуктов реакции идентифицированы фруктоза, целлобиоза, ксилулоза, манноза, галактоза, рибулоза, рибоза и др. В лаборатории Х.Оро была получена и дезоксирибоза. Для этого в реакционную среду (раствор формальдегида) добавляли окись кальция, который использовался в качестве основного катализатора. Упомянутые и многие другие эксперименты убедительно указали возможный путь абиогенного синтеза мономерных «органических» молекул в условиях доактуалистической Земли. При этом оказалось, что их абиогенное возникновение молекул могло происходить в самых разных условиях среды, за счёт разнообразных видов энергии, наверняка имевшихся на Земле в ранний период её истории.

Таким образом, первый этап биопоэза - этап абиогенного синтеза биополимерв – можно считать описанным с наибольшим, приближением к реальности. Он происходил в основном в атмосфере Земли.

Следующим аспектом проблемы химической эволюции является вопрос о том, каким способом из биомономеров могли синтезироваться биополимеры. Этот этап осуществлялся в Мировом океане. С наибольшей вероятностью – в небольших водоёмах, в которых вода подщелачивалась вследствие взаимодействия её с базальтом коры планеты. Температурный режим в них также был более благоприятным, чем в морях и океанах.

Этот этап биопоэза получил название этапа полимеризации, так как именно в этот период шёл абиогенный синтез биополимеров.

Исходя из особенностей живых систем – способности накапливать внутреннюю энергию, осуществлять матричный синтез и образовывать огромное разнообразие белковых молекул, вырисовывается общая картина их происхождения на Земле. Так, академик Эрик Михайлович Галимов ( род, в 1936г.) предполагает, что раньше других молекул (молекула №1)возникли вещества, обладающие макроэргическими связями – АМФ, АДФ, АТФ. Они обеспечивали энергетическую базу будущих живых систем. Этот синтез происходил достаточно легко, так как в мировом океане содержалось много аденина. Он мог синтезироваться в атмосфере из цианистого водорода:

5 HCN --à C₅H₅N₅ (аденин).

В его молекуле нет кислорода, следовательно, условия восстановительной атмосферы были для этого синтеза вполне приемлемыми. На вероятное присутствие остатков фосфорной кислоты указывает её содержание в метеоритах. Как свидетельствуют классические и современные эксперименты по синтезу сахаров, этот процесс может происходить только в растворах. Следовательно, сборка аденозинфосфатов, вероятно оказалась возможной только после того, как температура Земли стала ниже 100⁰С и на неё пролились горячие дожди.

Молекулой №2, необходимой для самовоспроизводства систем были нуклеиновые кислоты. Скорее всего, это была примитивная рибонуклеиновая кислота. В пользу этого говорит её, близкий к РНК, химический состав. Рибонуклеиновые кислоты обладают слабо выраженными каталитическими свойствами. В химическом отношении они достаточно разнообразны, образуют относительно короткие полимерные цепочки по 70 – 80 нуклеотидов. Они могут сворачиваться в некое подобие двухцепочечных молекул, достаточно вспомнить форму транспортной рибонуклеиновой кислоты.

Вероятно, одновременно с образованием полинуклеотидов происходило образование полипептидов. Горячие дожди несли в образующуюся гидросферу и на поверхность литосферы аминокислоты, «кирпичики» будущих белковых молекул. В литературе рассмотрены два возможных сценария синтеза полипептидов на доактуалистической Земле.

Согласно гипотезе М.Кальвина, в небольших, хорошо прогреваемых щелочных водоёмах аминокислоты взаимодействовали друг с другом в силу своей химической двойственности – наличии аминогруппы и карбоксильной группы. При таком взаимодействии образуется пептидная связь между обеими группами (CO – NH).Возникали сначала дипептиды, при дальнейшей поликонденсации – полипептиды. Лабораторные эксперименты показывают, что при этом во внешнюю среду выделяется вода. Подобные реакции называются реакциями дегидратации. Синтез полинуклеотидов происходил по тому же принципу. Однако известно, что выделение молекулы воды в водный раствор приводит к её диссоциации и разрыву образовавшейся пептидной связи. Реакции синтеза и распада полимерных молекул должны были находиться в динамическом равновесии. Между тем, важным условием возможности последующих этапов биопоэза было накопление полипептидов. Это возможно в двух случаях. Либо, во-первых, в среде было достаточно энергии для протекания синтеза полинуклеотидов и недостаточно для их распада. Это маловероятно. Либо, во-вторых, в реакционной среде были вещества, активно связывающие выделяющуюся воду – акцепторы воды. Как показывают лабораторные опыты, на роль акцептора воды больше всего подходил в тех условиях цианистый водород, которого было достаточно много и в атмосфере, и гидросфере.

Совершенно другим путём в попытках осуществить абиогенный синтез громадных молекул белков пошёл Сидни Фокс (1912 – 1998) с сотрудниками. Он исходил из того, что степень и скорость реакций дегидратации прямо пропорциональна скорости удаления воды из реакционной системы. Это соображение привело С.Фокса к выводу, что раннее развитие жизни должно было происходить вблизи действующих вулканов. Всем известно, что в начальные периоды геологической истории Земли вулканическая деятельность шла более активно, чем в последующее время.

С.Фокс провёл эксперименты, в которых безводную смесь аминокислот подвергали воздействию температур до 170⁰С. Оказалось, что великолепные результаты получаются со смесями, содержащими аспарагиновую и глютаминовую кислоты. Вероятно, они, обладая более низкой точкой плавления, создавали среду для прохождения синтеза. Выделяющаяся при этом вода легко удалялась из системы – испарялась.

Таким образом, оба рассмотренных сценария имеют право на существование. Реакции поликонденсации могли происходить как в водной среде, так и на суше, поблизости от вулканов. Принятие высказанной точки зрения, возможно, объясняет относительно небольшие сроки всего периода биопоэза - приблизительно около одного миллиарда лет.

По мере образования полимерных молекул – полипептидов и полинуклеотидов, а также АТФ, их концентрация в водоёмах возрастала. Начался третий этап биопоэза – этап коацервации (от лат. coacervatio – собирание в кучу). Наэтой стадии полимерные молекулы, образовавшиеся ранее, собираются в мелкие частицы. Такой процесс мог протекать только в водной среде. Возникшие коацерваты представляли собой открытые системы. Они присоединяли к себе новые молекулы до тех пор, пока поверхностное натяжение коацерватной капли было больше возможных сил отталкивания компонентов системы. Как только размер капли переходил критический порог, она распадалась на составлявшие её молекулы. Эти процессы можно считать подобными росту и размножению, присущих живым системам.

Коацерватные капли открытые динамические системы, но не живые системы. Они не обладали главными свойствами живых систем – способностью преобразовывать внутри системы вещество, энергию и информацию; способностью к воспроизводству и строгой, активно создаваемой, организованностью. До сих пор не очень понятно, как возникли живые системы; были ли они производными коацерватов или возникали одновременно с коацерватами. Появление на Земле примитивных живых систем ознаменовало формирование биосферы. Ясно лишь то, что формирование живых систем было возможно только при наличии достаточного молекулярного многообразия. При объединении белков, протонуклеиновых кислот и АТФ создалась возможность метаболизма. самоорганизации и самовоспроизводства.

Белки выполняли функции, как строительных блоков, так и каталитическую. Протонуклеиновые кислоты обеспечивали процесс воспроизводства системы и также служили слабыми катализаторами. Повышению интенсивности метаболизма способствовали ионы некоторых металлов. Если в системе присутствовали молекулы АТФ, то они обеспечивали реакции метаболизма энергией. Для полного проявления процессов жизнедеятельности системе необходимо наличие веществ, несущих общую программу всех внутренних реакций. Белки не способны к самореплицированию. Между тем, их повторяемость в системе – необходимое условие её самоорганизации. Следовательно, живыми системами могли быть только те, которым был присущ опосредованный автокатализ белков через промежуточную структуру, способную к репликации. Этой способностью обладают нуклеиновые кислоты. Первоначально синтез белка в системе, вероятно, обеспечивала упоминавшаяся ранее прото-РНК. В ходе отбора на молекулярном уровне, главной молекулой, способствующей самоорганизации системы, оказалась двухцепочечная ДНК. Генетический код эволюировал от простого - к дуплетному и, наконец, к триплетному. Возникли протобионты – примитивные живые системы. Их внутренняя среда отличалась от окружающей среды. В роли мембраны, защищающей внутреннюю среду протобионта, оказались липиды, способные образовывать гидрофобные плёнки

Первичные протобионты по типу обмена веществ были гетеротрофными организмами. Они использовали из окружающей среды органические вещества, возникающие путём абиогенного синтеза. Однако скорость биогенного преобразования превышала скорость абиогенного образования органических веществ. Это привело к кризису в ранней биосфере. Если бы биосфера была представлена абсолютно одинаковыми протобионтами, она была бы обречена на гибель. Видимо, уже на самых ранних этапах становления биосферы, ей было присуще определённое биоразнообразие. Среди первичных примитивных систем были и такие, которые могли использовать дополнительную энергию Солнца или других источников для синтеза органических веществ из неорганических, биогенным путём. Так возник автотрофный способ обмена веществ. С этого момента на Земле существует только биогенный синтез органических веществ; от успешности этого процесса зависит существование гетеротрофных организмов и всей биосферы.

Таким образом, возникновение биологических систем на планете Земля происходило за счёт вещества и энергии космического происхождения. Следовательно, возникновение и развитие живой материи – это этап космической эволюции, явление не только планетарного масштаба.

Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 332; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!