Георгий Войткевич - Возникновение и развитие жизни на Земле
В самом общем виде можно себе представить, что образование планет совершалось в два этапа. Первый этап знаменовался охлаждением и конденсацией вещества газовой туманности. В связи с разной скоростью остывания в зависимости от гелиоцентрического расстояния туманность в отдельных зонах приобрела различный химический состав. Эта неоднородность увеличивалась под влиянием солнечных лучей, которые отбрасывали легкие газы в периферическую часть Солнечной системы, в область формирования гигантских планет. Второй этап — это процесс аккумуляции конденсированных частиц в протопланеты. Можно допустить, что оба этапа не были разделены сколько-нибудь значительным промежутком времени. Аккумуляция в определенных участках протопланетной туманности началась тогда, когда конденсация еще не завершилась.
Неясным еще остается вопрос о последовательности аккумуляции протопланетных частиц. Ряд геохимических и физических данных указывает скорее в пользу гетерогенной аккумуляции планеты, когда последовательность аккумуляции повторяла последовательность конденсации. В этом случае верхние горизонты первичной Земли оказались сложенными самыми последними конденсатами солнечной туманности. Центральная часть ядра Земли образовалась при аккумуляции металлического железа, которое покрылось затем конденсатами в виде смеси металла, силикатов и троилита. Позже всех на поверхность растущей Земли поступил материал, близкий по составу к углистым хондритам, обогащенный летучими и органическими веществами.
На последних стадиях остывания солнечной туманности происходило массовое образование органических соединений в области формирования планет земной группы, астероидного пояса и, вероятно, очень обширного пространства в целом, включая область формирования комет.
В связи с повышенной распространенностью водорода в первичной туманности возникали простейшие его соединения с углеродом и азотом. Поскольку наиболее стабильной формой углерода был СО, то по мере охлаждения солнечной туманности происходили следующие реакции:
В отдельных областях протопланетной туманности, очевидно в области формирования гигантских планет, куда давлением солнечной радиации были перенесены легкие молекулы, появлялись H2, CH4 NH3, Н2О. При сочетании этих компонентов могли совершаться реакции типа Миллера-Юри под влиянием ионизирующей радиации, что приводило к образованию многочисленных органических соединений. Однако роль солнечной радиации как ионизирующего фактора, по всей вероятности, была ничтожной. Зараженная пылью протопланетная туманность была непрозрачной для ультрафиолетового света.
Тем не менее можно утверждать, что в ранней Солнечной системе существовали мощные источники радиации, вызывающие фотохимические реакции. К ним относятся повсеместно рассеянные радиоактивные изотопы, находящиеся как в газовой, так и в твердых пылевых фазах первичной туманности. Современная радиоактивность материала Солнечной системы определяется главным образом наличием изотопов 232Th, 235U, 238U, 40К, которых 4,5 млрд лет назад было значительно больше, например 235U было почти в 80, а 40К в 10 раз больше, чем сейчас. Кроме того, в период формирования планет и родоначальных метеоритных тел, возникших в связи с завершением процессов ядерного синтеза, присутствовали сильно радиоактивные изотопы. Однако они вскоре вымерли, поскольку обладали периодом полураспада в пределах 1-100 млн лет. Некоторые из вымерших радиоактивных изотопов представлены в табл. 8.
Учитывая эти обстоятельства, нетрудно заключить, что сама естественная радиоактивность как наследство болев древней космической эпохи синтеза нуклидов в виде альфа-, бета- и гамма-излучений могла и должна была ионизировать окружающую среду, стимулируя многие химические реакции, в том числе синтез органических соединений. Таким образом, само веществе, законы сил, заложенных в атомах, включая свойства ядер и электронных оболочек, определили в исторической последовательности оптимальную обстановку для создания высокомолекулярных органических соединений.
По мере выделения из газовой фазы твердых частиц при охлаждении солнечной туманности и реакций этих частиц с оставшейся газовой средой возникали также определенные соединения, которые явились хорошими катализаторами многих химических реакций. Органические соединения, найденные в метеоритах, образовывались преимущественно путем химических реакций между Н, СО и простейшими соединениями N. Наиболее вероятны в этих условиях реакции типа Фишера-Тропша. В общем виде их можно записать так:
nCO + (2n + 1)H2 → CnH2n+2 + nH2O.
Реакции этого типа протекают даже в благоприятных термодинамических условиях очень медленно, но они резко ускоряются в присутствии катализаторов.
На последних стадиях остывания солнечной туманности, когда основные тугоплавкие компоненты (металлическое железо, силикаты, окислы и др.) уже конденсировались в виде пылевых частиц, происходили процессы гидратации ранее выделившихся силикатов (преимущественно оливина) и образования совместно или позже органических соединений. При температурах ниже 500 К шли реакции гидратации между оливином и парами воды:
4(Mg, Fe)2SiO4 + 4H2O + 2CO2 → 2(Mg, Fe)2SiO4 + (Mg, Fe)6(OH)8Si4O10 + ...
Продукты этих реакций в виде гидратированных силикатов, магнетита и карбонатов действительно слагают основную массу хондритов типа C1 в качестве породообразующих минералов. По данным разных методов, типичные минеральные ассоциации углистых хондритов формировались в интервале температур 300-430 К.
Таким образом, можно заключить, что ассоциация органического вещества с низкотемпературными минеральными комплексами — типичное явление в космохимии метеоритов. По структурным данным органические соединения были синтезированы на поверхности минеральных зерен, впоследствии вошедших в состав углистых хондритов. Под микроскопом было замечено, что много органического вещества метеоритов присутствует в виде скругленных флюоресцирующих частиц от 1 до 3 мкм в диаметре. Ядрышки магнетита или гидратированного силиката найдены в центре этих частиц.
Отмеченные выше процессы каталитического синтеза органических соединений в космических условиях подтверждаются также опытными данными. Экспериментальные исследования по моделированию реакций типа Фишера-Тропша в условиях, близких к космическим, были выполнены Д. Иоширо, Р. Хайатсу и Э. Андерсом. Было обнаружено, что когда СО, Н2, NH3 вступают в реакции при температурах 150-500°С в присутствии никеля, алюминия или глинистых минералов в качестве катализаторов, то образуются многие органические вещества, включая аминокислоты. Исследования в этой области, в настоящее время ведущиеся довольно интенсивно, подтверждают ранее полученные результаты. Термодинамические условия формирования органических соединений в остывающей газовой туманности солнечного состава представлены на рис. 11.
Следует отметить, что частицы естественных катализаторов в солнечной туманности обладали первоначально также повышенной радиоактивностью, воздействующей на окружающую среду. Поэтому можно полагать, что синтез органических веществ проходил как под влиянием явлений катализа, так и под воздействием радиоактивности.
Пока еще мало опытов по экспериментальному моделированию синтеза органических веществ под непосредственным воздействием излучений радиоактивных изотопов на определенные газовые смеси, которые близки по составу к предполагаемой туманности. Проводились лишь исследования американских ученых С. Палма, М. Кальвина, С. Понамперумы по облучению смеси СН4, NH3, H2O бета-лучами. В результате происходили реакции, которые привели к образованию алифатических соединений, аденина и аминокислот. Однако особый интерес представляют результаты опытов Д. Гидлея и др. [Gidiey et al., 1982]. Облучая бета-лучами примитивные газовые смеси, эти исследователи установили, что под действием бета-излучения происходит образование асимметричных молекул органических веществ однородного структурного типа, включая аминокислоты и сахара. В связи с этим следует отметить, что одной из фундаментальных особенностей живой материи является оптическая молекулярная асимметрия главных компонентов организмов — белков и нуклеиновых кислот. В состав белков входят только L-аминокислоты. В связи с этим можно предположить, что действие излучений радиоактивных элементов было решающим фактором образования асимметричных молекул органических соединений, которые оказались наиболее подходящими для формирования живого вещества.
По-видимому, синтез органических веществ в древних космических системах мог происходить при определенных дозах ионизирующей радиации. Радиоактивные излучения высокой интенсивности разрушают химические соединения. Поэтому следует допустить, что при общем снижении радиационного фона в период распада вымерших и ныне существующих радиоактивных изотопов был достигнут какой-то оптимум радиоактивного воздействия на исходные вещества, благоприятный для процессов синтеза органических соединений.
