Лев Мухин - Планеты и жизнь
В самой туманности мы не вправе ожидать появления сложных молекул. Максимум, на что можно было бы рассчитывать, - на присутствие простейших аминокислот или же, например, аденина. Но, к сожалению, ни то, ни другое в газопылевых облаках не обнаружено.
Посмотрим теперь, что происходило на последующих этапах истории туманности. Мы помним, что при сжатии туманность прошла высокотемпературную стадию, причем в центральных частях диска температуры были очень высоки. На расстоянии от Земли до Солнца они достигали 2 тысяч градусов. Совершенно ясно, что никаким органическим молекулам не выдержать такой температуры. Но впоследствии, когда образовалось и стабилизировалось Солнце, туманность начала остывать. По времени это совпало с началом образования планет.
Основным газом в туманности был водород. Присутствовали также окись и двуокись углерода, азот и некоторое количество метана. Под воздействием ультрафиолетового излучения молодого Солнца снова начали образовываться предшественники - формальдегид и синильная кислота - и более сложные соединения: аминокислоты, основания нуклеиновых кислот.
"Отпечатки" этих процессов мы находим сегодня в древнейших метеоритах углистых хондритах, возраст которых составляет 4,5-4,6 миллиарда лет, что как раз равно возрасту солнечной системы. Но нужно обязательно подчеркнуть, что и в углистых хондритах нет сложных, абсолютно необходимых для жизни соединений: белков, нуклеиновых кислот, жирных кислот. Есть только их составные части. Вдобавок эти составные части, например аминокислоты, намертво "запечатаны" в неорганическую матрицу метеорита.
Напомним, что на заключительных стадиях образования Земли на зародыш падали крупные тела с линейными размерами в несколько километров. Скорости соударения были порядка десяти километров в секунду.
Следы таких ударов сохранились не только на Луне и Марсе, но и на поверхности нашей Земли. Знаменитый Аризонский кратер в Америке, кольцевые структуры на Украине - это следы чудовищных ударов, по сравнению с которыми взрыв атомной бомбы - сущий пустяк.
При таких ударах почти все вещество метеорита превращалось в плазму. При остывании этой плазмы могли образовываться органические молекулы.
Выходит, синтез и распад органических молекул происходил на всех этапах развития прототуманности. И когда сформировались планеты, природе нужно было заново строить соединения углерода уже на поверхности молодой Земли. 4,5 миллиарда лет назад на нашей планете началась эра добиологической эволюции.
Посмотрим, что представляла собой молодая Земля.
Жизни на Земле в то время не существовало. Это основное наше предположение. А что же было? Была твердая поверхность Земли - кора, была атмосфера, гидросфера и, самое главное, было Солнце с его мощным ультрафиолетовым излучением. Солнце - генератор энергии, которая стимулировала большинство химических реакций в атмосфере Земли.
Очевидность этого обстоятельства дала толчок для проведения огромного количества экспериментов по синтезам органических молекул под воздействием ультрафиолетового излучения в газовых смесях, предположительно моделирующих по своему составу первичную атмосферу Земли. Многие ученые считают, что 4,5 миллиарда лет назад она (атмосфера) состояла из водорода, метана и аммиака. Кислород появился позже за счет процессов фотосинтеза, то есть когда на Земле возникла жизнь.
Вот это и стало находкой для химиков-органиков.
Советские биохимики А. Пасынский и Т. Павловская, американские ученые С. Фокс, X. Оро, С. Поннамперума, К. Саган, М. Кальвин и многие другие проделали классические эксперименты по синтезу аминокислот, оснований нуклеиновых кислот, Сахаров и многих других биологигически важных молекул. Все авторы использовали в качестве исходных соединений водород, метан, аммиак, пары воды.
Здесь стоит сказать о том, что результаты этих экспериментов на многие годы загипнотизировали геохимиков и планетологов. Именно в результатах, полученных специалистами по предбиологической химии, геохимики и планетологи видели доказательство тому, что на ранних этапах развития Земля обладала бескислородной атмосферой. Ведь кислород настолько активный окислитель, что в его присутствии синтезы органических соединений не происходят. Если, например, в реакционную смесь, содержащую водород и другие компоненты, необходимые для получения углеродсодержащих молекул (метан), добавить кислород и подвести необходимую энергию, то вместо того, чтобы занять свое "законное" место в органической молекуле, водород сразу же вступит с кислородом в реакцию образования воды.
Логика планетологов была такова. Раз жизнь на Земле возникла, атмосфера должна была содержать водород, метан и аммиак. Был океан, значит, были в атмосфере и пары воды.
Ну а дальше специалисты по предбиологической химии как будто бы все объяснили. Было ультрафиолетовое излучение Солнца, были грозы, а значит, и электри ческие разряды, было тепло от вулканов. Короче говоря в источниках энергии недостатка не ощущалось. И в системе "атмосфера - океан" варился знаменитый питательный бульон, из которого впоследствии произошли первые живые организмы. Еще в 1964 году американский астрофизик К- Саган произвел несложный расчет, в результате которого получил ошеломляющую цифру.
На каждом квадратном сантиметре поверхности Земли за миллиард лет могло накопиться за счет химических реакций до сотен килограммов амино- и органических кислот. Что и говорить, для возникновения жизни условия более чем благоприятные.
Но дело обстоит совсем не так просто, как это представлял себе Саган. За последние годы опубликованы новые работы об эволюции атмосфер планет земной группы, и эти исследования показывают, что ранняя атмосфера Земли, как минимум, не была восстановительной (водородсодержащей). Более того, атмосфера ранней Земли без всякого участия живых систем, за счет чисто фотохимических процессов очень быстро стала окислительной, то есть в ней появился свободный кислород. А в подобной атмосфере образование органических соединений невозможно.
Что же тогда получается? Заколдованный круг?
Но ведь жизнь-то на Земле возникла. А еще раньше появились молекулы, необходимые для построения живых систем. Кстати говоря, слабость оценок Сагана заключается не только в том, что он в качестве исходной посылки брал восстановительную атмосферу.
Вопросы, которые мы сейчас хотим обсудить, очень важны. Давайте по порядку.
Возьмем кусок древнего базальта или гранита. Истолчем его в ступке, нагреем и с помощью какого-нибудь чувствительного прибора будем анализировать выделяющиеся газы. Мы увидим-, что главный компонент газовой фазы - пары воды, углекислота и азот. Водород и метан находятся в следовых количествах. Аммиака нет вообще. Кстати говоря, он отсутствует и в метеоритах.
В какой-то мере состав газовой фазы, которую мы исследовали, отражает состав древней атмосферы.
Специалисты по предбиологической химии долгое время забывали об одной простой вещи, хорошо известной астрофизикам. Водород очень легкий газ, он просто улетает с Земли, не задерживаясь в ее атмосфере. Специалисты по планетным атмосферам имеют в своем распоряжении надежные оценки, свидетельствующие о том, что "время жизни" водорода в атмосфере Земли всего 10 лет. Сравните это время с геологическим, когда и миллион лет весьма непродолжительный промежуток.
Итак, водорода практически не было, метана - следы. Что же остается? Остается океан, углекислота и азот. Можно ли получить что-нибудь важное для предбиологической химии в подобной атмосфере? Вряд ли.
И вот почему. Светимость Солнца 4,5 миллиарда лет назад была ниже, чем сегодня. На сколько? Разные авторы дают различные оценки - от 20 до 60 процентов.
Но даже если взять минимальную цифру - 20 процентов, это приводит к поразительным результатам. Земля получала так мало солнечного тепла, что на ее поверхности должны были царить отрицательные температуры.
Правда, тепло шло от горячих пятен - вулканических районов. Но этот тепловой поток был слаб и не мог подогреть всю поверхность планеты.
Палеогеологические данные неопровержимо свидетельствуют, что жизнь на Земле 3,5 миллиарда лет назад уже была. Но жизнь во льду, а точнее, без жидкой воды зародиться не может.
По-видимому, первыми это серьезное противоречие заметили американцы К. Саган и Д. Муллен. Они же предложили объяснение: будто бы очень небольшие примеси аммиака в атмосфере могли дать так называемый парниковый эффект, который поддерживал температуру поверхности нашей планеты выше точки таяния льда.
Итак, мы снова встретились с этим термином, и теперь нам нужно разобраться, что же это такое.
Парник в обычном понимании этого слова знаком каждому. Так вот, аналог парника, но уже в планетарном масштабе, мы имеем и на Земле и на Венере, Что он собой представляет?
