Возникновение и развитие жизни на Земле - Войткевич Георгий Витольдович

По мере приближения к Солнцу летучее вещество комет испаряется и отбрасывается световым давлением, образуя гигантский хвост. Все наблюдаемые кометные явления определяются процессами, связанными с выделением газов и пыли. Входящие в состав кометных хвостов ионы H⁺, OH^—, O^— и H₂O⁺ происходят в основном от молекул воды, хотя, по всей вероятности, присутствуют и другие соединения водорода. Атомы, радикалы, молекулы и ионы представляются в следующем виде: в кометах — C, C₂, C₃, CH, CN, CS, CH₃CN, HCN, NH, NH₂, O, OH, H₂, O₂, Na, S, Si; вблизи Солнца — Ca, CO, Cr, Cu, Fe, V; в хвосте — CH⁺, CO⁺, CO₂⁺, CN⁺, N₂⁺.

Всюду в кометах обнаруживаются биофильные элементы, в основном С, О, N и Н. В настоящее время о большой долей вероятности установлено, что кометные молекулы близки к тем, которые необходимы для пред-биологической эволюции. Они могут быть представлены молекулами аминокислот, пуринов, пиримидинов. Как отмечает А. Дельсемм [Delsemme, 1981], существует несколько групп данных, указывающих на то, что кометная пыль имеет природу хондритовых метеоритов. Во-первых, она состоит преимущественно из силикатов и соединений углерода. Во-вторых, соотношения металлов, испарившихся из комет при прохождении вблизи Солнца, соответствуют типичным для хондритов соотношениям. В-третьих, пылевые частицы космического происхождения, отражающие, вероятно, вещество комет, очень близки к составу материала углистых хондритов. И в самом деле, анализ образцов космической пыли указывает на то, что 80% или более пылевых частиц размером меньше 1 мм состоит из вещества, подобного углистым хондритам. Некоторые ученые сравнили содержание углерода в кометах и углистых хондритах и пришли к заключению, что не менее 10% вещества комет представляет собой органические соединения. Природа обнаруженных в кометах химических соединении указывает на большую вероятность того, что порождающие их молекулы по своей сложности сравнимы по крайней мере с молекулами межзвездного пространства.

Таким образом, все данные по космохимии метеоритов, астероидов и комет свидетельствуют о том, что образование органических соединений в Солнечной системе на ранних стадиях ее развития было типичным и массовым явлением. Наиболее интенсивно оно проявилось в пространстве будущего кольца астероидов, но охватывало в разной степени и другие области протопланетной солнечной туманности, включая, вероятно, ту область, из которой возникла Земля. Однако химическая эволюция вещества протосолнечной туманности, дойдя до определенного этапа формирования сложных органических соединений, оказалась как бы замороженной в большинстве тел Солнечной системы, и лишь на Земле она продолжалась, достигнув невероятной сложности в виде живого вещества.

Космическая история углеродных молекул

В течение долгого времени ученые полагали, что синтез органических соединений как предшественников жизни происходил в условиях ранней Земли и что безжизненная атмосфера планеты состояла преимущественно из Н₂, СН₄, NH₃ c парами Н₂О. В этой смеси могли происходить химические реакции синтеза с образованием органических соединений, о чем косвенно свидетельствовали экспериментальные исследования. Первые опыты по получению органических веществ из водород-аммиак-метановой смеси при пропускании через нее электрических разрядов были поставлены в 1953 г. по инициативе американского физикохимика Г. Юри его учеником С. Миллером. Позднее аналогичные результаты были получены советскими исследователями Т. Е. Павловской и А. Г. Пасынским при воздействии на ту же газовую смесь ультрафиолетовых лучей. Реакции этого типа в газовой среде под действием ионизирующей радиации были названы реакциями Миллера-Юри.

Вообще в данной области были проведены многочисленные экспериментальные исследования. Результаты их обычно рассматривались в качестве подтверждения идеи о том, что ультрафиолетовое излучение Солнца и грозовые явления в первичной атмосфере Земли при определенных температурах и давлениях должны были приводить к массовому образованию сложных углеродных соединений, в том числе белков (рис. 10). Однако в свете современных данных подобные представления следует отбросить. Земля принадлежит к внутренним планетам Солнечной системы и образовалась в термодинамических условиях, отличающихся от тех, в которых сформировались гигантские внешние планеты Юпитер и Сатурн. В своих водород-гелиевых атмосферах они действительно содержат СН₄, NH₃ и другие углеводороды. Наиболее близкой, хотя и не тождественной первичной атмосфере Земли является атмосфера безжизненной Венеры, состоящая преимущественно из CO₂. Глубинные газы первичной мантии Земли, выделившиеся при вулканических извержениях и давшие начало первичной атмосфере планеты, содержат главным образом Н₂О, CO₂, SO₂, Н₂S, N₂. Газы аналогичного состава обнаружены в метеоритах. Таким образом, данные современной геохимии и космохимии не дают никаких указаний на присутствие водорода, аммиака и метана в ранних планетах земной группы.

Наиболее обильный газ первичной атмосферы Земли был представлен СО₂. Однако он спонтанно не может превращаться в органические соединения термодинамически менее устойчивые. Скудность водорода или же его быстрая потеря в условиях ранней Земли также резко снижала возможность синтеза органических веществ в атмосфере. На основании изучения физико-химических равновесии в космических условиях Г. Юри пришел к заключению, что при формировании Земли из прото-планетной туманности значительная часть первичного метана газопылевого облака улетучилась, так как повысились температуры в районе образования планет земной группы.

Отмеченное свидетельствует в пользу вывода о том, что основная масса органических соединений возникла за пределами Земли в период, предшествующий ее рождению. В таком выводе нет ничего необычного или парадоксального — ведь в ходе эволюции вещества Солнечной системы сформировались главные породообразующие минералы нашей планета и органические вещества вплоть до самых высокомолекулярных, давших начало первичным жизненным формам.

Таким образом, проблема происхождения органических веществ, как и проблема происхождения самой жизни, имеет прямое отношение к космохимии самой Солнечной системы. В настоящее время благодаря существенному расширению информации о составе различных тел Солнечной системы мы можем значительно глубже заглянуть в химическую историю вещества. Эти данные позволяют прийти к некоторым эмпирическим обобщениям, необходимым для понимания процесса образования органических веществ в протопланетной материи.

1. Земля, планеты и метеориты возникли из вещества Солнца. В пользу этого свидетельствует близость изотопного состава химических элементов, их слагающих. Различие химического состава планет и метеоритов — результат позднейших процессов, связанных с дифференциацией и фракционированием первичной более или менее однородной материи солнечного состава.

2. Возраст Земли, Луны, метеоритов и, вероятно, других планет, по данным ядерной геохронологии, 4,6-4,5 млрд лет. Метеориты, как осколки астероидов, являются древнейшими каменными телами Солнечной системы.

3. Родоначальные тела хондритов — продукты окислительно-восстановительных процессов в протопланетной туманности. У них различная степень окисления. Энстатитовые хондриты наиболее восстановлены, поскольку все железо в них находится в металлическом состоянии, кальций представлен ольдгамитом (CaS), фосфор — шрейберзитом (Fe, Ni, Cr)₃P, хром входит в состав добреелита (FeCr₂S₄), a небольшая часть кремния частично растворена в металлическом железе. Материал обычных хондритов более окислен, и перечисленные минералы встречаются в небольших количествах. Углистые хондриты наиболее окисленные из метеоритов. В них все железо химически связано с кислородом в силикатах и магнетите. Сера присутствует в составе сульфатов.