Итак — наша основная гипотеза астрокатализа, идея которой возникла довольно давно, в начале 1990-х гг. Первое сообщение о ней на конференции было сделано в 1996 г. (Snytnikov et al., 1996), а основательные публикации вышли в 2007 г. (Снытников, 2007а, б). Гипотеза состоит в том, что абиогенный каталитический синтез органических соединений проходил непосредственно при формировании первичных тел и протопланет при развитии гравитационной коллективной неустойчивости с одновременным объединением многих малых тел. Или, кратко, катализ сформировал планеты. И основные выводы по нашей работе. Если по гипотезе Опарина-Холдейна синтез органических соединений произошел на поверхности Земли, то сейчас стало ясно, что химическая предбиологическая эволюция прошла в допланетной околозвездной среде в первый миллион лет. Эта та цифра, которую хотел услышать от меня А.Ю. Розанов. Зародыши планет формировались в местах каталитического синтеза органических соединений благодаря гравитационным неустойчивостям.
В последовательности этапов возникновения жизни неорганическое вещество с активными каталитическими центрами увеличилось в своих размерах от наночастиц до тел в тысячи километров. Но при этом каталитические неорганические материалы последовательно уступали свое место катализаторам из органических соединений, вплоть до белков и ферментов.
Рис. 11. Тепловая энергия укрупняющихся тел в зависимости от их массы для трех моментов времени. Увеличенное ядро коагуляции в интеграле столкновений.
Неорганическое вещество меняло свою роль и влияние. Место и роль конкретных элементов, формировавших активные каталитические центры, в возникновении жизни, по-видимому, могут быть определены в настоящее время по их воздействию на внутриклеточные реакции в прокариотах и по способности ряда микроорганизмов избирательно концентрировать многие элементы.
Здесь мне необходимо отметить высказанное ранее предположение (Войткевич, 1979, с. 125), что «жизнь на Земле существует столько, сколько существует и сама Земля». Идея, что «химическая эволюция на предпланетной стадии в Космосе и протопланетном облаке заходит так далеко, что жизнь возникает практически сразу после сформирования земноподобной планеты», была отмечена как «наиболее радикальная точка зрения» (Цицин, 1980).
Рис. 12. Происхождение жизни как процесс самоорганизации.
Она почти 30 лет оставалась вне основного внимания исследователей, по-видимому, из-за недостаточного объема естественнонаучных данных, в частности, астрофизических и космохимических, по процессам в «протопланетных облаках».
Итак, происхождение жизни может быть представлено следующими основными этапами (рис. 12). Плотное молекулярное облако с его туннельными реакциями «холодной предыстории жизни» (Гольданский, 1997) предоставляет исходные вещества для образования звезд вместе с их протопланетными дисками. Это первый, физический этап. На втором этапе в околозвездных дисках из высокоактивных веществ синтезировались органические соединения с участием всевозможных по своим свойствам наночастиц. Подчеркну еще раз, что именно в наночастицах состава космической распространенности элементов было представлено все наше земное вещество, вещество планет и тяжелые элементы Солнца. Синтез проходил с преимущественным сохранением в диске высокомолекулярных соединений. Но только если они формировали крупные первичные тела. Обратно, отбор происходил и среди катализаторов по способности синтезировать именно высокомолекулярные соединения. Все низкомолекулярное и легкое вещество потоком водорода и гелия уносилось на протосолнце в термоядерную топку, источник энергии для «химического завода». На этом этапе, по-видимому, появились нуклеотиды, сахара, липиды, белки, тяжелые углеводороды, азотистые основания. Здесь было представлено все, что могло быть синтезировано абиогенным путем. На этом промежутке времени был сформирован первичный «допланетный хемоценоз». Его состав менялся во времени и в зависимости от расстояния от протозвезды. Большое влияние на состав оказывали температуры плавления, испарения и тому подобные свойства соединений. Общую эффективность синтезов на стадии допланетного хемоценоза по отношению к выходу сложных соединений из первичной органики, скорее всего, следует оставить в 0.01 %. Первичная масса вместе с водородом и гелием — масса Солнца. Характерные времена существования этих синтезов — сотни тысяч лет. По-видимому, кометы могут нести нам информацию об этапе «допланетного хемоценоза» на своих расстояниях от Солнца.
Следующий этап — формирование из первичных крупных тел зародышей планет. Это происходит при высоких давлениях в сгустках, в этих обнаруженных нами реакторах с кипящими метровыми зернами катализатора. На этом этапе среди всех возникающих реакторов есть такие, в которых происходит переход от «допланетного хемоценоза» к «миру РНК».
«Мир РНК» может появиться в умеренных по температурам условиях и, следовательно, на вполне определенных удалениях от протозвезды. Умеренные температуры — это диапазон от замерзания воды до ее испарения. И в этих условиях периодические увлажнение и высыхание поверхности тел становятся просто неизбежными. Отбор среди реакторов по температурным условиям, по активности катализаторов для дальнейшего усложнения органических молекул (по способности их полимеризовать), образовать километровые планетезимали и зародыши планет, а вместе с тем и перейти к «миру РНК», также можно оценить в 0.01 % по массе вещества. Этот этап самый быстрый, масштаба нескольких лет для одного реактора уединенной волны, иными словами, самогравитирующего сгустка вещества. Помимо сгустков, вещества в околозвездном диске еще много, не на одну планету. Вне сгустков, реакторов уединенной волны, «допланетный хемоценоз» эволюционирует в сторону преимущественно деструкции органических соединений, возможное свидетельство о которой и, возможно, об исходном составе первичного вещества находится в углистых хондритах. Методически, с точки зрения разделения труда, на этом этапе мы передаем свои данные по абиогенному синтезу исследователям «мира РНК». В этом месте у нас возникает совпадение с данными А.С. Спирина о необходимости интенсивного обмена тел с периодически высыхающей поверхностью. Возможные свидетельства этого этапа, кроме углистых хондритов, могут находиться в наименее плотных астероидах и спутниках планет (Маров и др., 2008; Адушкин и др., 2008).
Переход от «мира РНК» к сообществу простейших одноклеточных организмов нами не рассматривается. Но я возьму на себя смелость высказать, с использованием звучавшей в зале на совещании терминологии, «экстремистское» или, как говорили 30 лет назад, «радикальное» предположение. Оно состоит в том, что в какой-то момент времени из-за своей конденсации жидкая вода стала постоянно присутствовать на поверхности некоторых планетезималей и протопланет. И именно жидкая вода стала той причиной, по которой из всего богатства «мира РНК» оказались отобраны те соединения, которые в своей совокупности, сформировав оболочку — мембрану, смогли противостоять такому крайне разрушительному реагенту как вода. Все остальное богатство «мира РНК» погибло. А вот что осталось, то получило толчок к дальнейшему формированию сообществ одноклеточных организмов (биоценозов), способных использовать воду и выживать в новых катастрофических и других изменениях среды обитания с капельно-жидкой водой. Все отходы оказались отправлены в космос, Юпитер и Сатурн как «в третьи и развивающиеся страны», и в топку на Солнце. И если прав А.Ю. Розанов (Герасименко и др., 1999) относительно биоморфных микроструктур в метеоритах с возрастом 4.56 млрд. лет, то первичный биоценоз возник и существовал именно на допланетной стадии. Этот биоценоз перешел к «планете бактерий», естественно, с большими потерями органического вещества, большая часть которого подверглась деструкции, а что-то оказалось погребено в земных толщах.
Переход от первичного биоценоза к «планете бактерий» прошел в следующие два этапа, которые идентифицируются по биогеохимическим циклам в географической оболочке Земли (Заварзин, 2001). На первом этапе основная первичная биомасса подверглась деструкции:
(CH2O)106(NH3)16H3PO4 → 53 СН4 + 53 СO2 + 8 N2 + 24 Н2 + [H3PO4] .
Легкие компоненты — Н2, Не, СН4 — Земля утратила. На сегодня существуют доводы полагать, что атмосферный азот является продуктом разложения первичной биомассы. Тогда массовое содержание азота в атмосфере к концу этого этапа стало близким к современному значению 4×1018 кг. Отсюда первичная земная биомасса может быть оценена в 2.4х1019 кг по углероду. Выделившееся 1.2×1019 кг СO2 и абиогенные СO2 связались в древнем «содовом океане» с отложением свыше 6×1019 кг карбонатов (Заварзин, 2006). Значит, масса абиогенного С02 в древнейшей атмосфере примерно 4.8х1019 кг по углероду, а давление в ней оценивается по порядку величины в 10 атмосфер. На этом же этапе осадочные породы закрыли древнейшие породы с возрастом в 4.56 млрд. лет, возможно, с погружением последних вместе с осадочными породами в мантию, метаморфизацией и вновь выносом на поверхность. Отметим, что на Земле современное количество воды 1.3×1021 кг. Не меньшее количество содержалось и в палеоокеане. При отсутствии воды на Земле объемное отношение СO2 и N2 в атмосфере было бы свыше 20, как на Венере и Марсе.
Атмосферы Венеры и Марса имеют главными компонентами 95 % СO2 и 3-5 % N2 по объемному содержанию. Предполагая, что содержание азота в атмосфере этих планет связано, как и для Земли, с разложением первичной биомассы с отношением элементов С : N = 6, получим, что свыше 60 % СO2 в их атмосферах является абиогенным. Другие компоненты — Н2, Не, СН4, Н2O — потеряны этими планетами. Вода в виде льда на прото-Марсе при его низкой температуре не обеспечила сток СO2 в карбонаты. На прото-Венере связывания СO2 не произошло из-за ее высокой температуры и воды в виде пара. Отсутствие воды в жидком виде не запустило на этих планетах важнейший геохимический процесс — углекислотное выщелачивание, связывание углекислоты в карбонаты и появление осадочных пород и, вместе с тем, питания микроорганизмов, что привело к исчезновению органического вещества на поверхности Марса и Венеры.
На последнем из рассматриваемых этапов становления «планеты бактерий» примерно 2 млрд. лет назад произошло формирование окислительной атмосферы (Розанов, 2008, с. 49). Первичная продукция образовывалась в реакциях фотосинтеза
CO2 + Н2O → [СН2O] + O2,
которая не была сбалансирована с деструкцией в биогеохимическом цикле. Это привело к накоплению избыточной мортмассы, которая в настоящее время представлена в основном керогеном в 1.5×1018 кг — рассеянным углеродом осадочных пород. Масса керогена примерно соответствует накопившемуся кислороду атмосферы в 1х1018 кг. Массу самой биосферы на этом этапе определить очень сложно. Поэтому оценим совместную эффективность двух последних этапов самоорганизации. Тогда для этапа деструкции первичной биомассы с выходом на фотосинтезирующий биоценоз и переходом к «планете бактерий» с ее современной массой 2х1015 кг получается эффективность 2х1015 кг / 2.4х1019 кг ~ 0.01 %, что совпадает с обычной эффективностью двух этапов самоорганизации. Итак, на рубеже примерно 2 млрд. лет масса биосферы достигла современного значения, и появилась «планета бактерий».
Работа выполнена по программе Президиума РАН № 18-2 по направлению академика В.Н. Пармона, которому автор приносит искреннюю благодарность за поддержку и обсуждения исследований по астрокатализу. Автор выражает признательность сотрудникам исследовательского коллектива СО РАН, в частности, Института катализа им. Т.К. Борескова, где в основном была выполнена эта работа. Многие идеи обсуждались на встречах у академика А.Ю. Розанова в дискуссиях с академиками Г.А. Заварзиным, А.С. Спириным, А.И. Григорьевым, Н.С Кардашевым, Н.А. Колчановым, СВ. Шестаковым, которым автор признателен за критику и полезные замечания.
Поздравляю, Вы наконец-то стали обладателем новенького айфона четвертого поколения и теперь Вам предстоит самая занимательная и интригующая часть знакомства с вашим мобильным устройством — установка программ. Все для Android, Symbian, Bada и iPhone! Вы найдете на сайте www.exclusivemobile.ru, благодаря которому Вы сможете превратить свой мобильник в настоящий мультимедийный центр!