Марк Мосевицкий - Распространненость жизни и уникальность разума?
Согласно преобладающим ныне представлениям, глобальное плавление коры в истории Земли происходило, как минимум, еще один раз. В отличие от всех событий, происходивших на Земле ранее, это происшествие “документировано” благодаря появлению Луны, которая быстро растеряла свою первоначальную атмосферу. Вода также испарилась, по крайней мере, из поверхностных слоев. Благодаря этому на Луне почти с самого ее возникновения не было ветровой и водной эрозии, и самые древние детали рельефа, близкие по возрасту самой Луне, сохранились до наших дней. Наблюдение систем перекрывающихся лунных кратеров и лавовых потоков, а также анализ доставленных на Землю проб лунного грунта позволили установить, что сильнейшие метеоритные ливни обрушились на Луну 4.1–3.8 млрд лет тому назад (Maurer et. al., 1978; Strom et al., 2005; Gomes et al., 2005). Судя по кратерам, размеры некоторых метеоритов превышали 10 км. Однако центр тяжести системы Земля-Луна находится в Земле. Поэтому основные потоки метеоритов принимала на себя Земля. Согласно подтвержденной расчетами гипотезе, в тот период происходили выплескивания материала астероидного пояса, вызванные нарушениями орбитального движения планет-гигантов (Strom et al., 2005; Gomes et al., 2005; Tsiganis, 2005). По мнению некоторых авторов, в этот период кора Земли вновь расплавилась, а уже существовавший до того океан испарился (Chyba, 1993; Wilde, 2001). Эти сведения из ранней истории Земли имеют прямое отношение к вопросу о возникновении жизни на Земле, т. к. вызванное сильнейшим разогревом (до тысячи градусов и более) плавление коры каждый раз приводило бы к ее стерилизации. Если на Земле ранее уже были осуществлены какие-то шаги на пути становления жизни, т. е. были синтезированы сложные органические соединения или даже присутствовали живые организмы, то после очередного стерилизующего события все должно было начинаться сначала. Принято считать, что линия жизни на Земле, продолженная до наших дней, могла иметь начало не ранее 3.9–3.8 млрд лет тому назад, ибо именно с тех пор тотального плавления земной коры не было ни разу. Этот срок обозначен геологами на основании исследования древнейших скальных пород как вулканического, так и осадочного происхождения, выходы которых обнаружены на разных континентах: в Гренландии, Австралии, Южной Африке, Восточной Сибири. Метод определения возраста минералов основан на количественном определении газообразных продуктов радиоактивного распада, накапливающихся в толще минерала. Из расплава эти продукты улетучиваются, и отсчет возраста минерала начинается после его затвердевания. Подходящим для такого исследования является семейство 40K (К-захват) → 40Ar. Период полураспада 40K составляет 1.3×109лет. Определение содержания в минерале инертного газа 40Ar относительно 40K позволяет определить время, прошедшее после последнего плавления минерала. Именно так, по возрасту самых древних минералов, был определен промежуток времени после последнего глобального плавления Земли – почти 4 млрд лет.
К тому времени в центральной области Земли сформировалось расплавленное железо-никелевое ядро, в котором, по последним данным, присутствуют и силикаты (Elliott, 2007). Его окаймляет расплавленная мантия, образованная, главным образом, силикатами, окислами металлов, базальтами и насыщенная разнообразными газами. Затвердевшая кора 4 млрд лет тому назад была тоньше нынешней. Присутствующая в верхних слоях мантии магма во многих местах прорывала кору и разливалась на поверхности. Вместе с лавой наружу прорывались газы, которые формировали раннюю атмосферу Земли. Представлять как можно точнее состав ранней атмосферы принципиально важно для правильного направления рассуждений о химических реакциях, протекавших тогда в атмосфере, и, в первую очередь, о синтезах органических соединений, которые являлись необходимыми стадиями формирования среды, в которой могла появиться жизнь.
2.3. Атмосфера ранней Земли и ее роль в доклеточной эволюции
Самым распространенным элементом во Вселенной является водород. В газово-пылевой туманности, из которой сформировалась Солнечная система, также преобладал водород. Поэтому естественной была гипотеза Опарина и Юри о преобладании в ранней атмосфере Земли водорода. Это означало бы, что другие атомы и молекулы находились в максимально восстановленном состоянии. Так, металлы должны были существовать, в основном, в чистом виде, а не в форме окислов. В атмосфере преобладали бы соединения, богатые водородом: метан (CH4), аммиак (NH3), сероводород (SH2). В присутствии паров воды восстановительная атмосфера благоприятна для синтеза сложных органических соединений. В источниках энергии, необходимой для осуществления реакций, также не было недостатка. Благодаря отсутствию в атмосфере свободного кислорода (и, соответственно, озона) она не являлась препятствием для интенсивного ультрафиолетового излучения Солнца, которое практически без потерь достигало поверхности Земли. Другими источниками энергии были мощные разряды атмосферного электричества, потоки ионизирующих частиц с Солнца и из дальнего космоса и, наконец, тепло, доставлявшееся раскаленной лавой, горячими источниками, все еще многочисленными метеоритами, энергия торможения которых освобождалась в форме тепла. По идее Опарина и Юри образовавшиеся в атмосфере органические вещества накапливались в водоемах (“первичный бульон”). Юри и Миллер первыми поставили эксперименты, моделирующие процессы, которые могли идти на ранней Земле в описанных выше условиях (Miller and Urey, 1956; Miller, 1986). Они пропускали электрические разряды через обладающую восстановительными свойствами смесь газов в герметически закрытой колбе, снабженной электродами. В смеси обычно присутствовали водород, метан, аммиак, пары воды и др. Продуктами реакций оказались формальдегид, аминокислоты, жирные кислоты и даже более сложные соединения. Расчеты показали, что благодаря высокой эффективности синтеза органических соединений в атмосфере подобного состава в течение нескольких миллионов лет на Земле могло накопиться достаточно разнообразной органики для образования концентрированного “первичного бульона”, что позволило бы осуществиться взаимодействиям, ведущим к образованию еще более сложных молекул, в том числе полимеров. Первоначально образование коротких белковых молекул (пептидов) в смеси аминокислот удалось надежно зафиксировать лишь при использовании повышенной температуры (110–120 °C) в безводной среде (Fox and Middlebrook, 1954). Осуществление процесса в безводной среде обусловлено тем, что при образовании пептидной связи освобождается молекула воды. Поэтому в соответствии с законом действующих масс в водной среде равновесие реакции смещено в сторону разрыва связи, сопровождающегося связыванием молекулы воды (гидролиз). Однако позже было показано, что при ориентированной сорбции реагентов на твердой поверхности реакции, в том числе образование пептидной связи, осуществляются в значительно более мягких условиях. Большое значение могло иметь присутствие веществ, способных связывать воду, как карбодиимид, цианоген и др. Недавно был продемонстрирован способ образования пептидов из аминокислот в присутствии карбонил сульфида (COS). Примечательно, что этот процесс эффективен в водной среде при комнатной температуре (Leman et al., 2004). Авторы подчеркивают, что COS является распространенным вулканическим газом, и, следовательно, этот процесс мог осуществляться в предбиологический период вблизи выходов лавы и горячих источников, а также на океаническом дне. В целом модельные эксперименты подтвердили практическую осуществимость химической эволюции, т. е. добиологического образования сложных органических молекул, из которых и могли быть сформированы первые живые организмы. Только позже, уже в ходе клеточной эволюции по мере освоения клетками все более сложных органических синтезов необходимость в поступлении соответствующих продуктов из среды отпала.
Однако со временем представление о составе, а следовательно, и свойствах ранней атмосферы Земли существенно изменилось (Kerr, 1980; Pace, 1991; Kasting and Ackerman, 1986). Поводом для такого пересмотра явились результаты геохимического анализа древнейших осадочных пород, возраст которых 3.9–3.8 млрд лет. Эти породы в значительной степени сложены из известняков, что указывает на высокое содержание углекислоты (CO2) в атмосфере, достигавшее 70 %. Это значение многократно выше содержания CO2 в нынешней атмосфере. Таким образом, ранняя атмосфера Земли не обладала сильными восстановительными свойствами. На это указывает и присутствие в древнейших минералах окислов металлов (Summers and Chang, 1993). В образовании этих минералов мог участвовать кислород, освобождающийся при радиолизе воды, а также окись азота, образующаяся в атмосфере при электрических разрядах. Именно благодаря связыванию кислорода в окислах металлов он не накапливался в значительном количестве в атмосфере Земли. Модельные эксперименты показали, что под действием электрического разряда, ультрафиолетового излучения или других видов энергии в газовой смеси, модифицированной присутствием СО2 и кислорода, возникали разнообразные органические соединения, причем выходы их были сопоставимы с выходами в газовой смеси с сильно восстановительными свойствами (Schlesinger and Miller, 1983; Miyakawa et al., 2002). Однако остается много вопросов. Для эффективного протекания синтетических процессов концентрация реагентов должна быть достаточно высока (не менее 10-5 М, т. е. порядка 1018-1019 молекул в литре). Была ли достижима эта пороговая концентрация на ранней Земле при осуществлении синтезов в близких к нейтральным условиях? Следует также иметь в виду, что наряду с синтетическими процессами под действием тех же источников энергии должны были идти обратные процессы деструкции. Их интенсивность зависела от разных обстоятельств, которые полностью учесть невозможно. По современным оценкам на ранней Земле синтезировалось более 2 млн тонн формальдегида в год, что обеспечивало его концентрацию в “первичном бульоне” около 0.02 М. В значительном количестве поступал также цианистый водород и другие реакционно-способные соединения, что обеспечивало осуществление все более и более сложных синтезов в ходе химической эволюции (Taillades, et al., 1998).
