Георгий Войткевич - Возникновение и развитие жизни на Земле

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 Н 2, СН 4, NH 3c парами Н 2О. 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 СН 4, NH 3и другие углеводороды. Наиболее близкой, хотя и не тождественной первичной атмосфере Земли является атмосфера безжизненной Венеры, состоящая преимущественно из CO 2. Глубинные газы первичной мантии Земли, выделившиеся при вулканических извержениях и давшие начало первичной атмосфере планеты, содержат главным образом Н 2О, CO 2, SO 2, Н 2S, N 2. 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 СО 2. 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 (FeCr 2S 4), 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.

4. Планеты земной группы и астероиды отличаются химическим составом, что отражает условия дифференциации и физико-химических процессов в период их образования. В близких к Солнцу планетах содержится больше металлического железа, чем в более отдаленных. Меркурий на 3/4 состоит из металлической фазы, Венера и Земля — на 1/3, отдаленный Марс — на 1/4. В поясе астероидов находятся тела преимущественно типа углистых хондритов, т.е. максимально окисленные. В зависимости от гелиоцентрического расстояния планеты земной группы и астероиды представляются телами различной степени окисления. Во время образования Солнечной системы ближе к Солнцу процессы окисления железа (и других веществ) протекали слабо, а по мере удаления от него интенсивность их возрастала.

5. Образование тяжелых радиоактивных и других элементов завершилось непосредственно перед формированием Солнечной системы. В метеоритах и отдельных их минеральных фракциях обнаружены следы вымерших радиоактивных изотопов: 26Al, 129I, 146Sm, 236U, 244Pu, 247Cm. Происхождение Солнечной системы связано с происхождением химических элементов. Период времени между окончанием естественного ядерного синтеза и возникновением твердых тел в Солнечной системе оценивается примерно в 50-100 млн лет. Именно в этом промежутке при охлаждении солнечного газа образовались мелкие частицы и капельки как продукты конденсации, которые в дальнейшем послужили строительным материалом для планет земной группы и метеоритных тел.