2.3. Атмосфера ранней Земли и ее роль в доклеточной эволюции

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).

Описанные выше результаты модельных экспериментов подтверждают принципиальную возможность сложных органических синтезов в предполагаемых на ранней Земле условиях, но не могут служить доказательством, что эти процессы действительно имели место. В древнейших осадочных породах аминокислоты, азотистые основания и другие сложные органические соединения не обнаружены. Однако это не доказывает отсутствие этих соединений в тот период, ибо из-за тепловых и других воздействий они могли не сохраниться. Тем не менее, весьма убедительные свидетельства присутствия этих веществ на ранней Земле получены. Упали они, в буквальном смысле этого слова, с неба. В 1969 году вблизи города Марчинсон в Австралии “приземлился” метеорит, имевший в поперечнике около 50 см. Марчинсонский метеорит принадлежит к углистым хондритам. Такое наименование обязано высокому содержанию в углистых хондритах углерода (30 %) и присутствию хондрул – зернистых структур, образованных, главным образом, силикатами, но содержащих также окислы и соли металлов. Углистые хондриты богаты водой (до 20 %). Они являются древнейшими минералами Солнечной системы: радио-изотопные методы показывают, что их возраст около 4.6 млрд лет. Следовательно, они образовались в период формирования планет (McSween 1989). В Марчинсонском метеорите, в других метеоритах этого типа был обнаружен широкий набор аминокислот, а также азотистые основания, сахара, жирные кислоты, другие сложные органические соединения, в том числе порфирины (Pizzarello, 2004; Meierhenrich et al., 2004). Принятые меры предосторожности полностью исключили возможность заноса продуктов жизнедеятельности земных организмов. К тому же в земных организмах отсутствуют некоторые аминокислоты и другие органические вещества, обнаруженные в метеоритах. Многие из них получены в модельных экспериментах, о которых говорилось выше, хотя набор “космических” аминокислот богаче, и в нем присутствуют аминокислоты с более сложными боковыми группами. Воспроизведен также “космический” синтез как аминокислот (Nuevo et al., 2008), так и сложных гетероциклических соединений – предшественников порфиринов и других биологических кофакторов (Mierhenrich et al., 2005). Из самого факта обнаружения сложной органики в углистых хондритах, как и в материале комет, также образовавшихся в период формирования Солнечной системы, следует однозначный вывод: в газово-пылевой атмосфере молодого Солнца уже были осуществлены как ранние (т. е. использующие непосредственно газы атмосферы), так и дальнейшие стадии химической эволюции. Этот вывод подтверждается прямыми наблюдениями. Спектральный анализ показал, что в межзвездных газовых скоплениях присутствуют разнообразные органические вещества. Возможно, что часть органики, обнаруженной в метеоритах и кометах, была образована еще до формирования Солнечной Системы (Irvine, 1998; Busemann et al., 2006).

В результате слипания пылинок органика оказалась замурованной в минералах, а также во льду и замерзшей углекислоте. Сохранение в метеоритах сложных органических соединений в течение 4.6 млрд лет можно объяснить рядом факторов, в первую очередь низкой температурой, глубоким вакуумом, защищенностью от излучений в толще минерала. В ранних, да и в не очень ранних осадочных породах земного происхождения сложные органические вещества (аминокислоты, азотистые основания, сахара, липиды и др.), как таковые, не сохранились, т. к. не могли избежать деструкции и других химических превращений при земных температурах. Вследствие этого органика в земных минералах обнаруживается только в форме керогенов – конгламератов плохо растворимых органических веществ, в основном углеводородов.

Мы уже говорили о грандиозных метеоритных потоках, выпавших на Землю около 4.0 млрд лет тому назад. Многие исследователи считают, что углистые хондриты, преобладавшие в этих потоках, а также кометы, захваченные Землей, принесли значительную часть воды, присутствующей на планете. С этим же материалом на Землю попало много космической органики. Подсчитано, что практически весь ныне присутствующий на Земле углерод мог быть занесен из космоса именно в тот период (Pflug, 1984; Oro et al., 1990; Chyba and Sagan, 1992). Значительная часть органики, доставленной метеоритами, должна была подвергнуться пиролизу из-за разогрева при прохождении атмосферы и взрывном столкновении с Землей, поверхность которой, к тому же, могла быть расплавлена предыдущими столкновениями. Однако органика, выброшенная при взрыве в верхние слои атмосферы, могла сохраниться. Основной же приток органики на Землю мог идти с плавно оседавшей космической пылью (Raulin and Greenberg, 1997). Существенно, что пылинки размером до нескольких десятков микрон легко тормозятся практически без разогрева еще в верхних слоях атмосферы и надолго в ней задерживаются (Anders, 1989). Важным источником достигавшей Земли космической органики были кометы. 4 млрд лет тому назад засоренность межпланетного пространства разного калибра и состава “камнями”, в том числе кометами, была многократно выше, чем в наше время. Их газово-пылевые хвосты формируются из материала кометы, освобожденного благодаря таянию ледяной шубы и испарению твердой углекислоты при сближении кометы с Солнцем. В этом материале значительную долю составляет (и составляла) органика. Изрядно “похудевшие” кометы удалялись, а их хвосты рассеивались во внутренних областях Солнечной системы, пополняя запас космической пыли. Присутствие большого количества органики в материале комет доказано прямыми исследованиями кометы Галлея. В 1986 г. с нею сблизилась космическая станция Вега 1, с борта которой были проведены спектральные анализы. Тогда же были взяты пробы материала хвоста кометы. Оказалось, что значительную часть кометной органики составляют ненасыщенные углеводы, азот-содержащие (в том числе циклические) и другие весьма реакционноспособные соединения. Космическая пыль оседает на Землю непрерывно с момента ее появления. В наши дни ее приток составляет по одним данным 3 тыс. тонн в год, по другим – не менее 10 тыс. тонн в год. 10 % космической пыли составляет органика. 4 млрд лет тому назад запыленность околосолнечного пространства была в сотни раз больше. Соответственно, приток органики из космоса был многократно выше. (Chyba, 1993; Cooper, 2001; Llorca, 2004; Cockell and Bland, 2005).

Таким образом, если основываться на этом подходе, 4 млрд лет тому назад атмосфера Земли оказалась насыщенной разнообразной и реакционноспособной космической органикой, благодаря чему химическая эволюция могла развиваться независимо от того, успела ли накопиться органика местного происхождения. Очевидно, что в этом случае теряет остроту полемика о составе ранней атмосферы Земли, хотя свой вклад в химическую эволюцию могли внести и земные синтезы.

Изложенные выше представления об условиях, существовавших на ранней Земле, являются доминирующими, но не единственными. Соответствующей этим представлениям концепции нормально теплой ранней Земли (вода в океане – жидкость), временами раскаленной до плавления коры столкновениями с астероидами, противостоит альтернативная концепция нормально обледеневшей Земли, временами оттаивавшей благодаря столкновениям с астероидами. Во времена, о которых идет речь (4.4–4.0 млрд лет тому назад), светимость Солнца была ниже нынешней в начале этого срока на 40 %, а в конце – не менее чем на 30 %. Расчеты показывают, что в этих условиях даже при высоком содержании углекислоты и метана в атмосфере нормальным состоянием Земли было оледенение. Предполагается, что толщина ледяного покрова на океане могла составить 300 м (Bada et al., 1994). Достаточное для прекращения оледенения количество тепла могло быть выделено при столкновении Земли с крупным (размером около 100 км) астероидом или с дождем астероидов меньшего размера. Эти события в те времена происходили достаточно часто. Необходимость расплавить громадный массив льда снижала величину разогрева. В результате Земля избегала раскаленного состояния, но становилась теплой. За время оледенения подо льдом скапливались газы, поднимавшиеся от дна, где действовали термальные источники, происходили извержения и истечения лавы. Накопленные подо льдом газы поступали в потеплевшую атмосферу и вступали в химические реакции, производя разнообразные органические соединения. Углекислота и метан создавали парниковый эффект, продлевавший теплый период на Земле. Циклы глобальное оледенение – индуцированное потепление могли многократно повторяться, причем органические соединения, синтезированные в течение теплых периодов, сохранялись в холодные периоды оледенения и могли быть впоследствии использованы для получения более сложных соединений. Правдоподобность такого подхода подтверждается длительными глобальными оледенениями, действительно имевшими место около 2 млрд и 600 млн лет тому назад, т. е. в периоды, активно исследуемые геологическими и палеонтологическими методами. Каждое из них продолжалось многие миллионы лет, и выход в состояние теплой Земли был принудительным: помимо мощных импактов (столкновений с астероидами) называлась вулканическая активность. Окончательный выбор между гипотезами, моделирующими условия, существовавшие на ранней Земле, еще не сделан. Некоторые новые данные еще более обостряют полемику. Так, согласно Tian et al. (2005), водород, которого было очень много в первичной атмосфере Земли, убывал в сотни раз медленнее, чем следовало из данных других авторов, и, следовательно, восстановительная атмосфера “по Опарину” могла продержаться значительно дольше, чем полагают сторонники раннего формирования окислительной (бедной метаном и богатой окислами углерода) атмосферы. Но в таком случае синтезы сложных органических соединений в достаточном для этапа химической эволюции объеме могли быть в необходимый срок осуществлены на Земле без непременного участия космической органики (см., однако, Catling, 2006).

Данный текст является ознакомительным фрагментом.