АСТРОКАТАЛИЗ — АБИОГЕННЫЙ СИНТЕЗ И ХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ НА ДОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЭТАПАХ ФОРМИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ. Часть I

Хотите побаловать близких изысканным кулинарным шедевром, приготовленным своими собственными руками? Тогда, просто вбейте в поисковую строку Яндекса запрос “торт черепаха рецепт”, который непременно приведет Вас на сайт www.vdvoem.su, уже ставший путеводителем по миру кулинарии для тысяч гурманов со всей России и ближнего зарубежья.


АСТРОКАТАЛИЗ — АБИОГЕННЫЙ СИНТЕЗ И ХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ НА ДОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЭТАПАХ ФОРМИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

© 2009 г. В.Н. Снытников

Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН

 

Биосфера на Земле появилась в результате самоорганизации вещества при возникновении Солнечной системы. С использованием методов изучения самоорганизации и на основе имеющихся естественнонаучных данных выяснено, что основными этапами химической эволюции в становлении биосферы являются «холодная предыстория жизни» в плотных молекулярных облаках, «допланетный хемоценоз», «мир РНК» в околосолнечном диске и первичные биоценозы из протоклеток (жизнь) на допланетных телах. Масса первичной биосферы на поверхности ранней Земли оценена в 2.4×1019 кг по углероду. Деструкция первичной земной биомассы и биогеохимические циклы привели за 2.5 млрд. лет к «планете бактерий» с 2.0×1015 кг биоты в протерозое с кислородной атмосферой. Установлены основные параметры — давление, температура, состояние каталитической твердой фазы — на этих этапах возникновения жизни. Показано, что абиогенный синтез пребиотического вещества осуществлялся в Солнечной системе в грандиозных масштабах с участием практически каждого атома всех элементов в наночастицах — катализаторах. Отбор среди каталитически активных наночастиц происходил по способности синтезировать высокомолекулярные соединения в допланетном диске. Допланетная химическая эволюция шла с участием автокатализаторов, начиная уже с таких простых веществ как этилен и гликолевый альдегид. Первичный синтез автокатализаторов осуществлялся через внешнее высокоэнергетическое воздействие, к примеру, посредством ультрафиолетового излучения.

 

Проблема происхождения жизни — это крупнейшая проблема, которая нам досталась в наследство от XX в. В первую очередь мне было интересно ответить на вопрос, что изменилось в исследованиях по этой проблеме и в чем было максимальное продвижение за последние 30 лет. Почему взят отрезок времени именно в 30 лет?

Дело в том, что в 1980 г. два вышедших подряд выпуска журнала Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева (Журнал ВХО, 1980. № 3-4) были полностью посвящены происхождению и эволюции жизни. В № 3 напечатана одна из последних статей А.И. Опарина. В этих же номерах был затронут практически тот же круг вопросов, который обсуждался и на совещании «Проблемы происхождения жизни» в 2008 г. Кроме того, два автора тех выпусков — Л.М. Мухин и НС. Кардашев — участвовали в наших заседаниях.

 

 

112911 0004 1011 АСТРОКАТАЛИЗ   АБИОГЕННЫЙ СИНТЕЗ И ХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ НА ДОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЭТАПАХ ФОРМИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ. Часть I

Рис. 1. Примеры структурообразующих систем с биоценозами. Se — экспортируемая энтропия, Si — производство энтропии в системе в неравновесных процессах.

 

Первое, что обращает на себя внимание — интенсивное изучение дальнего и ближнего космоса. Это уже нашло свое отражение в выступлениях на нашем совещании. Второе. На сегодня весьма сильно развиты информационные подходы, что ранее проходило под термином «кибернетика». Третье. Стало редким обсуждение проблем термодинамики и второго закона возрастания энтропии для изолированных систем. Почему? По моему мнению, интерес переместился в область нелинейных неравновесных процессов в открытых системах (Эбелинг и др., 200I). Кроме того, найдено несколько полезных и важных примеров, на которых на качественном уровне можно понять эти проблемы. Остановимся здесь чуть подробнее.

Рассмотрим либо замкнутую систему, либо открытую систему, в которую попадает поток энергии. Ровно тот же поток энергии уходит из этой системы. Но приходит энергия с большей температурой, чем та, с которой энергия уходит. В этом случае система экспортирует энтропию. Примеры таких систем известны достаточно хорошо (рис. 1). Прежде всего, это наша Земля, на которую падает излучение от Солнца с температурой 6000 К. В свою очередь Земля излучает энергию в космос, который имеет температуру 2.7 К. Излучение Земли в космос определяется в основном атмосферой. Меньшую часть излучает поверхность Земли. Взяв для оценки значение 300 К температуры поверхности, мы получаем величину энтропии dSe/dt=-6·1014 Вт/К, которую Земля непрерывно экспортирует в космос в единицу времени. Еще один пример это литосфера Земли. Через нее высокотемпературная энергия из ядра Земли выходит на охлаждаемую атмосферой поверхность Земли. Приведем соответствующую оценку для экспорта энтропии dSe /dt=-1011 Вт/К для литосферы. И последний пример — обычные вулканы и подводные «черные курильщики», для которых эта величина не столь значительна.

Тем самым, повторю давно сделанный вывод из термодинамики, что Земля как физическое тело — это замкнутая система, теряющая энтропию на временах своего существования. Биосфера на ее поверхности и на глубине это открытые системы. Во всех указанных примерах в системах возможна самоорганизация (развитие, усложнение) в границах, которые определяются балансом между экспортом энтропии и ее ростом внутри в неравновесных процессах. Интересный и тут же возникающий вопрос. Связанные сегодня между собой биоценозы в наземных, глубинных подземных и в подводных вулканических системах имеют одного родоначальника или же они возникли и развивались автономно друг от друга?

 

112911 0004 1021 АСТРОКАТАЛИЗ   АБИОГЕННЫЙ СИНТЕЗ И ХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ НА ДОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЭТАПАХ ФОРМИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ. Часть I

Рис. 2. Самоорганизация в системе при возникновении новой структуры с разрушением исходной.

 

Следует отметить еще одно направление исследований, в котором имеется значительное продвижение. Это проблемы самоорганизации в приложениях к различным объектам, начиная космологическими явлениями и вплоть до событий социальных и исторических. Происхождение и эволюция биосферы — одна из таких проблем. Задачи в этой области являются принципиально нестационарными, динамическими. Часто исследования ведутся на качественном, описательном уровне, хотя основы для количественных моделей уже заложены (Эбелинг и др., 2001).

С общефизической точки зрения подход к решению проблемы самоорганизации, как выше было уже отмечено, состоит в рассмотрении открытой системы. Открытая система в квазистационарном состоянии подстраивается под приход и уход энергии или соответствующей массы. Насколько полно выполняется баланс между приходом и уходом зависит от конкретного объекта. Примером может служить биосфера с неполной замкнутостью цикла по углероду. Если приход энергии компенсирует ее потери, то и система может оказаться стабильной по своему внутреннему состоянию даже при значительном экспорте энтропии. При изменении внешних условий или внутренних параметров прихода-ухода энергии система двигается к состоянию, в котором начинают развиваться неустойчивости (рис. 2). Неустойчивое состояние означает, что все обычно небольшие и затухающие флуктуации, присутствующие в этой системе, начинают резко усиливаться и достигают макроуровня. Из этих макросостояний остаются только те, которые соответствуют новым условиям, внешним и внутренним. Происходит отбор и, конечно, он естественный.

Исходная система может перестроиться вся в целом с потерей исходного состояния, как схематично показано на рис. 2. Но перестройка может пройти и так, что внутри исходной системы может возникнуть какое-то новое состояние или новый уровень (рис. 3). В этом случае считается, что в исходной системе произошло усложнение. В литературе иногда встречается термин «упорядочивание» (Климонтович, 1990; Галимов, 2008) в смысле возникновения коллективного согласованного движения в противоположность хаотическому. Приведу примеры такого сорта усложнений.

Барионы имеют массу в 4 % от всей гравитирующей материи. Тяжелые элементы среди всех барионов с большей, чем у водорода и гелия, атомарной массой. Таких тяжелых элементов во Вселенной около 1 % среди барионов.

 

 

112911 0004 1031 АСТРОКАТАЛИЗ   АБИОГЕННЫЙ СИНТЕЗ И ХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ НА ДОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЭТАПАХ ФОРМИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ. Часть IРис. 3. Самоорганизация в системе при возникновении новых структур с сохранением исходной.

 

Звезды относительно всей видимой материи во Вселенной — всего-то 0.5 %. Масса планет в Солнечной системе (СС) — масштаба 0.1 % от системы. И если брать примеры уже из биологии, то, прежде всего можно привести трофические цепи. Число их уровней невелико, в «Биологическом словаре» (1993) указано 4-5. А вот предельная энергия, которую один уровень может передать другому без своего разрушения, не превышает 10 %.

Итак, характерная масса нового состояния для одного этапа в процессах самоорганизации в природе составляет примерно 1 % исходной системы. Последовательная цепь возникающих новых состояний от, ограничим себя, синтеза барионов до зарождения и эволюции биосферы представляет собой развитие в природе. Хотя бы из-за охлаждения нашей расширяющейся Вселенной это развитие однонаправлено. Так, тяжелые элементы при стабильном протоне не распадаются. Поскольку новые состояния формируются через неустойчивость (кризис), то смысл и использование терминов типа «устойчивое развитие» должны определяться отдельно.


Найти на unnatural: АСТРОКАТАЛИЗ АБИОГЕННЫЙ СИНТЕЗ ХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ НА ДОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЭТАПАХ ФОРМИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ Часть
Автор: admin | 29 Ноябрь 2011 | 357 просмотров

Новые статьи:

Оставить комментарий:

Все размещенные на сайте материалы без указания первоисточника являются авторскими. Любая перепечатка информации с данного сайта должна сопровождаться ссылкой, ведущей на www.unnatural.ru.
Rambler's Top100