ПЕРВЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ НА ЗЕМЛЕ

© 2009 г. Г.А. Заварзин

Институт микробиологии им. СИ. Виноградского РАН

Предположения о происхождении жизни на Земле должны исходить из представления, что обитаемость предшествует обитанию. Требуется составить представление о возможной жизнеобеспечивающей экосистеме, прежде чем строить предположения о первом организме. Экосистема обязательно должна включать первичных продуцентов-автотрофов и гидрогенотрофия представляется адекватным типом физиологии для примитивных экосистем. Рассматривая жизнь на Земле, следует различать возникновение организмов in situ и появление организмов извне и с космическими телами в рамках концепции жизни как универсального феномена Вселенной. В случае транспорта жизни с космическими телами нет ограничения на перенос сообщества, а не единичной клетки. В случае транспорта сообщества с «грязным льдом» проблема состоит в соответствии сообщества и его экосистемы на родительском теле с условиями на примитивной Земле, а не в функциональной дивергенции от первичного предка. Последующие события находятся в рамках наблюдаемой палеонтологически эволюции и могут быть описаны как биогеохимическая сукцессия без дополнительных спекуляций.

Рассматриваемая проблема происхождения жизни относится к виртуальной области гипотетических построений, которые должны быть непротиворечивыми и соответствовать фактическим данным, полученным из актуалистического материала. Гипотетические представления о происхождении жизни развивают представители самых разных дисциплин, часто ограничивающие свое внимание какой-либо узкой проблемой, например, абиогенным происхождением нуклеотидов. В таких построениях авторы исходят из некоторых презумпций, редко четко сформулированных, но чаще находящихся в области невысказанных положений, или, хуже, игнорируемых для простоты картины. Поэтому внимание должно быть обращено не на детали, иногда очень впечатляющие своей изысканностью, а на исходные посылки.

Относительно предыстории биосферы есть серия упрощенных представлений, как бы очевидных и само собой разумеющихся, которые, находясь за рамками собственно исследования, ограничивают поле логических построений, и, соответственно, поисков. Будучи неявными и вместе с тем базовыми, они оказывают определяющее влияние на поле возможных гипотез. Многие из этих догм у неспециалиста восходят к усвоенным чуть ли не в школе представлениям. Такие упрошенные представления о развитии биосферы можно упорядочить по логической альтернативной схеме.

Первая по порядку альтернатива касается рамок системы:

I. Земля — замкнутая по материальному балансу система, открытая в космос только по энергии, получаемой от Солнца;

II. Земля — открытая в космос по материальному балансу система.

Альтернатива 1 относится ко всей наблюдаемой геологической истории Земли в 3.8 млрд. лет. Замкнутость системы ограничивается потоком космической пыли в верхние слои атмосферы, оцениваемой в 10^|: г/год. Этот порог можно принять при оценке материальных потоков в биосфере. Для каждого элемента в каждый момент существования соблюдается материальный баланс. Для биосферы есть, однако, существенное ограничение. Биосфера находится внутри географической оболочки Земли. Эту оболочку уже нельзя считать замкнутой, поскольку происходит обмен с глубинными слоями, обусловленный тектоникой, и потоки между географической оболочкой и корой необходимо принимать во внимание для значительных промежутков времени, условно говоря — миллионолетних. Говоря о балансе, следует учитывать, что на всем протяжении своей истории Земля открыта в космос по энергетическому балансу.

Альтернатива II определенно относится к периоду аккреции и догеологической истории Земли в первый миллиард лет ее существования. В этот период Земля открыта по материальному балансу и формируется из материала космического происхождения. Поскольку биосфера находится в пределах географической оболочки, то начало жизни на Земле следует отнести к периоду формирования этой оболочки.

Каждая из альтернатив достаточна для определенных условий и оказывается недостаточной для других. Вместе с тем, существуют и нарушения альтернатив, и их комбинации, требующие компромиссов в подходах.

В рамках альтернативы I развивалось все представление о биосфере Земли и, в особенности, о содержащемся в биосфере биоразнообразии. Такое представление достаточно для описания настоящего в рамках согласованной, «целесообразной» системы. Слово «целесообразная» вызывает множество споров из-за разного его толкования. В действительности речь идет о наблюдаемой в природе взаимно согласованной системе явлений. В XVIII в. для этого эмпирического обобщения употребляли слово Ubereinstimmung. Оно точнее отражает наблюдаемые факты, чем даже Zvveckmapigkeit, отражающее причинную зависимость. Заметим, что в английском языке не оказалось соответствующего слова. Взаимная согласованность включает понятие естественного отбора — исключение несогласованного.

Для расширенного, включающего историю и прошлое, понимания системы необходимо включение времени и понятия развития («эволюции»). Развитие обусловлено внутренними закономерностями системы; развитие системы может быть упорядочено последовательностью возникновения от простого к сложному. Традиционно предполагается, что для биоразнообразия механизмом возникновения служит дивергенция единичного объекта, позволяющая построить универсальное корневое дерево — порядок. Механизм ветвления обусловлен мутацией и отбором и рассматривается в традиционных взглядах на эволюцию живых существ.

Для геосферы принимается несколько иное представление о развитии на основании внутренних сил с эволюцией Земли от первоначального состояния под действием двух факторов:

А. Актуалистической интерпретации изменений географической оболочки под действием постоянно действующих факторов с ведущим процессом «выветривание — седиментогенез». Этот процесс обусловлен циркуляцией подвижных сред — атмосферы и гидросферы — с основным вкладом тепловой энергии Солнца. Такая интерпретация достаточна для относительно малого геологического времени и безусловно достаточна для настоящего в смысле «Глобальных изменений природной среды и климата».

К постоянно действующим геологическим факторам в другой временной шкале следует отнести дрейф континентов, приводящий к геологическому рециклу и метаморфизму пород, но этот периодический процесс имеет движущей силой внутренние причины, обусловленные энергией Земли. В особенности это относится к состоянию дна океана.

Б. Однонаправленная динамика глубоких слоев Земли от первоначально нагретого (или временно разогревшегося) к остывающему состоянию с характерными тектоническими циклами — волнами. По отношению к биосфере и вмещающей ее географической оболочке тектоника воспринимается как внешний возмущающий процесс. Она находится в иной временной шкале. Эти представления необходимы для понимания эволюции биосферы, но насколько они согласуются со временем происхождения жизни?

Представление о земной системе как замкнутой по материальному балансу очевидно достаточно и необходимо для настоящего, но оно так же необходимо и для описания каждого состояния прошлого. Более того, установление материального баланса служит критерием достаточности подхода. Характерное время составляет интервалы в десятки миллионов лет в зависимости от доступной детализации.

Достаточность сложившихся согласующихся взглядов на саморазвитие замкнутой системы Земли не вызывает сомнений, ни для геологической составляющей, ни для биологической. Согласование взглядов достигается ограничением рассматриваемого периода времени, вне которого находятся внешние к существующей системе факторы. Справедливость такого подхода основывается событиями фанерозоя, и понимание его постепенно распространяется на все более ранние периоды протерозоя. Ранние периоды развития прокариотной биосферы остаются в области неопределенности, но описываются именно в условиях замкнутого материального баланса.

Вторая альтернатива (II) основана на представлении о Земле как открытой в космос по материальному балансу системе. В материальный баланс не входит постоянное поступление в верхние слои атмосферы космического материала порядка 10¹² г/год; здесь рассматриваются величины гораздо большего масштаба и, следовательно, необходимо иметь количественную границу. Но проблема состоит не только в количестве, но и в неравномерности поступления. Крупные импакты даже меньшего количества материала рассматриваются как нерегулярные катастрофические события в рамках альтернативы I, допустимой для периода ранее 3.8 млрд. лет назад. Напротив, предшествующий период аккреции Земли и последующая история импактов рассматривает Землю как открытую в космос по материальному балансу систему. Эти события находятся в рамках астрофизики и астрономической шкалы времени, хотя собственно аккреция занимает очень короткий промежуток. Описывается этот период в рамках астрофизики и ее, преимущественно расчетных, представлений. Из рассматриваемых здесь альтернативных гипотез существенны две: 1) гипотеза гомогенной «пылевой» аккреции и 2) гипотеза гетерогенной аккреции относительно крупных тел со значительным вкладом импактных событий. Эти взгляды не следует противопоставлять как несовместимые.

Пишете на своем сайте интересные научно-познавательные статьи, но Вас никто не читает? Значит, пришло время задуматься о раскрутке сайта! Лучше всего с этой задачей справятся опытные специалисты Netpeak™. За более полной информацией обращайтесь на сайт www.netpeak.ua.

ПЕРВЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ НА ЗЕМЛЕ. Часть II ->>

Над селом Кацхи (Чиатурский район, Грузия) возвышается каменный столп, вершину которого венчает церквушка Кацхского Спасо-Вознесенского монастыря.
Читать дальше>>

Дискуссия по пленарному докладу А.Ю. Розанова «УСЛОВИЯ ЖИЗНИ НА РАННЕЙ ЗЕМЛЕ — 4.0 МЛРД. ЛЕТ НАЗАД»

Председательствующий Г.А. Заварзин

М.А. Федонкин: Вы показали архейские остатки возрастом три миллиарда лет. Этолопий, метаморфическая порода, там пластические деформации, растяжение и так далее. А трубочки эти выглядят как новенькие. Этот момент настораживает. В древних толщах архея в Норвегии и Швеции в гранитах обнаружили зерна плагиоклаза, пронизанные туннелями — несколько дециметров этих туннелей в одном зерне. Это делают современные литотрофные бактерии.

А.Ю.Р.: У них очень маленький диаметр, нанометровый. Те же, которые я называл -по меньшей мере, на порядок больше, два-три микрона и чуть больше, в диаметре.

М.А. Федонкин: Но есть всякие игольчатые, волосовидные минералы и так далее. Вот дается такая картинка с трубочками, тут бы и дать к ней анализ, что-то еще, кроме морфологии.

А.Ю.Р.: Анализы на микрозонде делаются всегда. Если Вы предложите, что сделать еще, я сделаю, но тут пока нечего предложить.

М.А. Федонкин: В таких случаях, когда «экстраординарные заявления требуют экстраординарных аргументов» — по выражению Карла Сагана — все-таки приходится раскошеливаться и на время, и на средства, в таких случаях начинают мерить все, что угодно, биомаркеры, отличия от матрицы, используют рамановский микроскоп и так далее. Это слишком сильное заявление (эукариоты в очень древних породах или марсианских метеоритах), и одной морфологии здесь недостаточно.

А.Ю.Р.: Но что еще нужно? Есть двойная стенка, оболочка с порами, этого вполне достаточно.

М.А. Федонкин: Например, наши коллеги, Весталл и другие, при исследовании в первую очередь органостенных, но и минерализованных тоже, архейских объектов пытаются искать реликты органических соединений. Или Энди Ноэл — он берет одну микрофоссилию и сканирует ее лучом, лазерным или электронным, и делает карту концентрации равных элементов. Этих карт может быть несколько по разным элементам. Потом они накладываются, и вдруг выявляются внутренние субклеточные структуры, идет картирование одной клетки по разным элементам. Тогда их аргументы обретают новую дополнительную силу.

А.Ю.Р.: Такие «карты» мы с Ричардом Хувером делали неоднократно, и это опубликовано. У меня только один вопрос — Вы ставите под сомнение печенгию?

М.А. Федонкин: Не знаю, честно говоря.

А.Ю.Р.: Если ставите под сомнение именно Pechengia, то наш разговор непродуктивен.

Ю.В. Наточин: Можно комментарий? Элементы не помогут, потому что все уже вымыто.

М.А. Федонкин: Некоторые вещи минерализуются, остаются металлоорганические соединения. Они, конечно, искажены, потеряли первичную структуру, но именно по этим обрывкам подчас восстанавливают биохимические компоненты.

М.Я. Маров: Говорит ли все это об эволюционном тренде в развитии биосферы, об архейской древности сложноорганизованных форм? Каков главный вывод?

А.ЮР: Главный вывод состоит в том, что появление сложноорганизованных форм произошло значительно раньше, чем мы считали. И это означает, что количество кислорода в атмосфере Земли стало достаточно большим значительно раньше, чем мы предполагали (раньше, чем 2.5 миллиарда лет назад). И это говорит о том, что средние температуры поверхности не могли быть такими чудовищными, как это обычно представляется. Следствий еще очень много.

М.Я. Маров: Это говорит еще и о том, что Земля потрясающе организованная природная система, в ней задействованы такие фантастически глубокие механизмы обратных связей, которые поддерживают вполне определенную стабильность. Это очень интересно и это может быть одним из главных выводов.

ГА. Заварзин: С этим можно сразу согласиться. Работают столь мощные обратные связи, что система не выходит из коридора.

А.Ю.Р.: Да, и за четыре миллиарда лет никаким событиям не удалось прервать развития биосферы. А сбой у нас в мышлении бывает, когда мы пытаемся рассуждать, что будет с биосферой, применительно к нашим — человеческим — целям и интересам.

СВ. Шестаков: Алексей Юрьевич, можно согласиться с Вашими доводами относительно палеомикробиологии. Но с моей точки зрения, «крамолой» в Ваших представлениях является уверенность в том, что к трем с половиной миллиардов лет назад можно отнести появление эукариот. Дело в том, что даже у современных микроорганизмов мы можем найти примеры очень сложных клеточных организаций, которые могут давать картины, схожие с теми, которые Вы трактуете как эукариоты.

А.Ю.Р.: Три с половиной миллиарда я не называл в отношении эукариот, но 2.9-3.0 — да.

СВ. Шестаков: Около двух — да, я согласен.

А.Ю.Р.: Два — это бесспорно, против печенгии спорить бессмысленно. Относительно трех миллиардов свидетельствуют тимофеевские данные, которые мы перепроверили.

СВ. Шестаков: Хорошо, дело даже не в датировках. Просто нужна уверенность в том, что описываемые вами формы могут быть отнесены к эукариотам. Для этого нужно хорошо представлять организацию не только современных, но и вымерших прокариот и эукариот, а эти знания еще очень не полны.

A. Ю.Р.: Сергей Васильевич, если Вы сможете мне привести пример прокариота, который имеет двойную стенку, пронизанную порами, да еще имеет размер в 130 микронов — я Вам буду благодарен. Я такого не знаю.

СВ. Шестаков: Я берусь показать…

B. Н. Снытников: Алексей Юрьевич, если мы попытаемся фоссилизировать современные аналоги изображенных Вами организмов, за какое время они дадут приблизительно такой же элементный состав?

A. Ю.Р.: Фоссилизировать что-нибудь живое можно почти мгновенно, любой состав можно получить в течение нескольких часов. Многочисленные эксперименты были проделаны Людмилой Михайловной Герасименко и Галиной Тихоновной Ушатинской, а ранее -Крыловым, Заварзиным и другими.

B. Н. Снытников: И этот образец не будет отличаться от древнего?

A. Ю.Р.: Будет морфологически отличаться, потому что он современный.

B. Н. Снытников: Я имею в виду химический состав. В химии существует понятие «встречного синтеза», когда нужно подтвердить какое-то вещество, это вещество синтезируется и сравнивается с получаемым. Нельзя ли применить аналогичный прием здесь?

А.Ю.Р.: Если я возьму современный празинофит, его фоссилизирую, доведу до такого состояния, чтобы получился такой же спектр, что Вы мне скажете — «Ну и что?» И больше ничего. Это не будет доказательством чего-либо.

М.А. Федонкин: Алексей Юрьевич, а это массовый материал?

А.Ю.Р.: Да, массовый. Вы видели снимки на томографе.

ГА. Заварзин: Что я хотел бы сказать. Пункт первый. Видим ли мы то, что видим на экране? Видим. Второй пункт — как мы эти изображения интерпретируем? Мы можем говорить, что это ветвистые минеральные образования по кавернам, по трещинам. Но уйти от самого факта существования такого объекта мы не можем — это не подделка, не имитация. Мы можем говорить, что это образовалось на породе из лопия позже, что это контаминант, который так же фоссилизировался — но так можно сказать о единичном образце, о массовом материале так сказать гораздо труднее (однородное загрязнение более сомнительно). В этом случае будет смещена интерпретация по времени. Следующий аргумент относится к требованию получить какой-то дополнительный материал к одной показанной картинке. Он может дать что-то дополнительное. Но есть очень старое правило логики, восходящее к Платону: для того, чтобы потерять истину, достаточно говорить на эту тему слишком долго и много. Это одно из первых правил софистики. Поэтому дополнительный материал может сработать, а может и увести в сторону. Конечно, эти дополнительные материалы могут быть ценны, важны, их, естественно, надо получать, но не нужно забывать, что это так называемые сопутствующие доказательства, а не первичные. Теперь еще относительно изображений. Я морфолог тоже, и я, вообще говоря, верю тому, что я вижу, хотя догматические предпосылки у нас очень разные. Далее история с кислородом. Сергеев из Геологического института по своим образцам не согласится с цианобактериями древнее 2.5 или 2.7 миллиардов лет. Кислород в стопроцентной концентрации появляется с первого момента существования цианобактерий. И кислорода возле цианобактериальных сообществ будет много. И придется объяснять, как анаэробы справятся с этим стопроцентным окислительным стрессом. Сколько времени понадобилось, чтобы из пузырька кислорода произвелось воздействие на всю атмосферу? Это не короткий период. Поэтому отсутствие кислорода в атмосфере не является ограничением для времени появления цианобактерий и для появления довольно крупных аэробных организмов, которые могли бы жить в непосредственной близости от скопления цианобактерий (но только днем, так как ночью они будут находиться в среде сероводорода). Поместить сравнительно крупные существа — доли миллиметра, до миллиметра — в цианобактериальный мат, по-моему, можно. Мат отрывается от грунта, слегка всплывает, а под ним пузыри кислорода — образуется такая прослойка — несколько миллиметров, даже до сантиметра, в котором можно дышать и жить. Но это не целоматный уровень, конечно. Так что этот пункт не так критичен. Поверить всем тем интерпретациям, которые дает Алексей Юрьевич, я смогу только после очень большой паузы, после долгого «переваривания» и осознания. С ходу поверить не получится. Еще об эукариотах. Игорь Николаевич Крылов в свое время дал мне шлифы, на которых была видна отличная эукариотная структура. Все получалось. Потом оказалось, что это оболочки чехлов цианобактерий. Так что над этими картинками я немножко подумаю… И относительно минимальных размеров, которые могут иметь прокариоты и цианобактерий, в частности. Есть такой организм — носток Рябушинского, колония цианобактерий размером с мелкую сливу, которая перекатывается в пресных озерах (я наблюдал ее в вулканических озерах на Камчатке), если ее раздавить, фоссилизировать, такая колония может имитировать очень многое. Так что природа предоставляет нам очень много возможностей ложных интерпретаций. Но я повторяю — отрицать то, что мы видим, нельзя, надо объяснять.

Хотите быстро и за разумные деньги справки для водителей купить, тогда Добро Пожаловать на сайт «Медицинские Справки», который Вы найдете по адресу www.clickuk.org.

Крупнейшее расхождение датировок по молекулярным часам и по палеонтологическим данным касается последней цифры. Либо это 1.1 млрд. (по «молекулярным часам»), либо 550-450 млн. лет (по палеонтологическим данным). Возможные два сценария: либо растения, водоросли, вторичноротые и членистоногие появились вокруг Родинии (второго суперконтинента) около 1.1 млрд. лет назад и существовали до 950-750 млн. лет назад. А потом два гигантских оледенения 750 млн. и 650 млн. лет назад уничтожили все растения, водоросли и связанных с ними мелководных животных. Лишь немногие из них пережили это время в рефугиях, чтобы дать расцвет в венде и кембрии. Не исключено, что их глубоководные родственники вновь колонизировали мелководье. Либо, наконец, древние датировки для указанных групп растений и животных — ошибка метода молекулярных часов.

Кроме вышеупомянутого главного расхождения есть расхождения и в другие эпохи, причем они все связаны с крупными перестройками. В частности, меловой эпохе перестройки соответствует относительное удревнение по молекулярно-биологическим часам. Важнейший рубеж на границе мезозоя и палеозоя фиксируется аналогичными удревнениями. Это, в частности, можно объяснить тем, что скорость мутаций, которая принимается постоянной при определении по молекулярным часам, на самом деле в периоды крупных перестроек может быть быстрее. Отсюда возникает кажущееся удревнение.

В эпохи крупных оледенений (750-650 млн. лет назад) сформировался также механизм крупных мантийных плюмов, поднимающихся от ядра Земли (Добрецов и др., 2001а; Maruyama et al., 2007). Именно периодические плюмы и связанные с ними явления обусловили основную периодичность за последние 500 млн. лет, в частности, с ними коррелируются все крупные вымирания (рис. 8), в том числе крупнейшее на границе перми и триаса (событие 6 на рис. 2). Но и остальные вымирания обусловливают периодическое уменьшение биоразнообразия от прямой линии, соединяющей появление биоразнообразия животных около 800 млн. лет назад и современный уровень биоразнообразия (рис. 8).

Рис. 9. Эволюция жизни на Земле в течение 2.5 млрд. лет (-2.5-0) и ожидаемые изменения биосферы (0+1.5 млрд. лет) (Bounama et al., 2004, с изменениями).

На рис. 9 приведена схема (Bounama et al., 2004), представляющая экстраполяцию будущей эволюции и умирания (исчезновения) биосферы. Это связано с возрастанием солнечной светимости и постепенным превращением Солнца в красную звезду. Первые 4 млрд. лет шло остывание и снижение температуры поверхности до 40°С на рубеже архея-протерозоя. Снижение до 30-25 °С — вспышка и появление высших организмов. Похолодание около 650-750 млн. лет назад и потом потепление в мезозое (250-100 млн. лет назад) я добавил с учетом современных данных. Объем биологического вещества (если не учитывать симбиозы) примерно одинаков в прокариотах, эукариотах и высших многоклеточных организмах и достигал максимумов около 1800, 1200 и 500 млн. лет назад. Последовательное вымирание начнется через 500 млн. лет и связано с повышением температуры поверхности: при достижении примерно 30°С вымрут высшие организмы, выше 45 °С вымрут эукариоты и окончательно, через 1.6 млрд. лет, когда температура достигнет 70 °С и выше — с поверхности исчезнет вся жизнь. Это относительно оптимистический сценарий. Есть сценарий вымирания жизни через 250 млн. лет.

На рис. 9 добавлены возможные периодические колебания температуры и объема биосферы. Сами оценки объема биосферы (в гигатоннах) очень примерные (Bounama et al., 2004), но вариации объема биосферы подтверждаются колебаниями биогермных построек (строматолитов, коралловых рифов и т. д.) в разы и даже на порядок, и они коррелируются с изменениями температуры поверхности. На самом деле температурные колебания могли быть еще больше. Если посмотреть вековые колебания, то видно, что температура поверхности непрерывно «дрожит». Но дрожит в умеренных и высоких широтах. В тропиках она меняется мало. Тем не менее возможно расширение зон с высокими вариациями по температуре в периоды таких похолоданий, вплоть до 0°С на экваторе, если допустить, что покрывающие всю Землю оледенения действительно существовали. Но продолжается спор, поскольку геохимической информации, положенной в основу этого материала, недостаточно. Температура поверхности, в любом случае, последние 800 млн. лет и следующие 500 млн. лет испытывала и будет испытывать сильные колебания.

Таким образом, на раннем этапе эволюции биосферы главную роль играл процесс окисления атмосферы, который привел к преобладанию фотосинтеза на рубеже 2.7 млрд. лет назад и (вместе с охлаждением поверхности) — расцвету цианобактерий, развитие которых достигло максимума около 2 млрд. лет назад.

На более поздних этапах главное значение имело остывание поверхности, которое привело к крупнейшим оледенениям 750 и 640 млн. лет назад. Похолодания и оледенения привели к большой изменчивости условий для биосферы, что стимулировало, во-первых, половое размножение и образование только (или преимущественно) эндогамно-замкнутых видов (или к рубежу 1.5 млрд. лет назад, или 1-1.2, или 0.75 млрд. лет назад), и, во-вторых, — развитию разных форм минерального скелета, начиная с 550 млн. лет назад.

После формирования главных крупных таксонов в кембрии-ордовике (550-450 млн. лет назад), основное значение для видообразования и усложнения видов и их приспособляемости к внешним условиям явились периодические изменения климата и внешней среды, иллюстрируемые рис. 8, обусловленные, в том числе (или преимущественно?) периодическими мантийными крупными струями (суперплюмами). Примеры изменения биоразнообразия, обусловленные изменениями климата, хорошо изучены на Байкале (Грачев, 2002; Добрецов, 2003). Один из наиболее ярких примеров — крупнейшее вымирание на границе перми и триаса (рис. 8), вызванное Сибирским и Эмейшанским суперплюмами. Механизм этого вымирания (таяние ледников и кислотные дожди, вызванные выбросом огромного количества серы) обсуждался неоднократно (Добрецов, Чумаков, 2001; Добрецов, 2003; Isozaki, 2007).

В заключение вернемся к основным проблемам зарождения и эволюции биосферы. Где появилась жизнь — на Земле или в космосе? Есть доказательства, что правдоподобно внеземное происхождение жизни (панспермия), вытекающее из изучения марсианских метеоритов и космохимических моделей. Более вероятная альтернатива — зарождение жизни в гидротермальных струях типа современных черных или белых курильщиков.

Второе важнейшее событие — появление и развитие фотосинтеза. Бактерии изменяли мир, т. к. за счет фотосинтеза они способствовали окислению поверхности. Окисление на ранних этапах шло и без бактерий за счет диссипации водорода в космос. Водород единственный элемент, который Земля теряла всегда, а особенно на ранних стадиях, когда она была горячая. Зная примерную диссипацию сегодня и учитывая более высокую температуру в прошлом, можно рассчитывать диссипацию в архее и посчитать количество водорода. У меня получилось, что в архее, на рубеже 4 млрд. лет назад, атмосфера была водородно-метановая. Не было никакого свободного кислорода.

Ну, а третье важнейшее событие это появление половой репродукции и натуральной селекции. Это важнейший рубеж, который привел к появлению многоклеточных организмов, а затем к тому естественному отбору, который нам известен как дарвиновский отбор. Обычно проводится рубеж около 1.2 млрд. лет назад. Но есть и другие данные, что это рубеж может быть 1.5 млрд. лет назад, а по мнению академика А.Ю. Розанова — еще раньше.

Это один из важнейших вопросов, которые надо уточнить. Дело в том, что в ископаемых отпечатках мы не можем достоверно отличить колониальные организмы от многоклеточных. Поэтому здесь важнее уточнить изотопные смешения. Как только появились специализированные многоклеточные организмы, появились специфические белки. Вероятно, прав академик М.А. Федонкин (Fedonkin, 2003), что в это же время произошла и смена активных центров в белках. Сегодня это железо, никель, частично медь и цинк. А в прошлом должны были быть трехвалентные катионы — вольфрам, молибден, ванадий. Мы должны искать изотопные доказательства и найти существенное смешение именно изотопов молибдена, ванадия, вольфрама. Сегодня это уже возможно инструментально. Есть черные сланцы (продукты деятельности сначала бактерий, а потом и более сложных организмов), в них и надо искать этот рубеж. Наряду с тем, чтобы развивать бактериальную палеонтологию и другие методы и с их помощью реконструировать последовательность появления специфических белков, специфических тканей, нейронов, нервной системы и, наконец — сознания. Таковы возможные темы будущих исследований.

В заключение хочу поблагодарить академика А.Ю. Розанова за приглашение принять участие в совещании и многолетнее сотрудничество в программе «Происхождение и эволюция биосферы», а также моих коллег и неоднократных соавторов — академика Н.А. Колчано-ва и В.В. Суслова — за сотрудничество и плодотворные дискуссии, в том числе способствовавшие улучшению данной статьи.

Если Вы стали невольным участником преступления, то первое что Вам нужно сделать — это вбить в поиск Яндекса запрос: “ адвокат уголовные дела Уфа”. Не сомневаюсь, что в результатах поиска Вам не раз встретиться фамилия адвоката Панфилов В.В., стараниями которого было прекращено 17 уголовных дел за последние 2 года!

Следующий вопрос — была ли эволюция бактерий, как и когда возникли археи и эубактерии (Добрецов и др., 20016; Заварзин, 20036; Шестаков, 2003; Zavarzin, 2008).

В позднем архее и раннем протерозое (до 1.8 млрд. лет), безусловно, преобладали цианобактерии. Но они существуют и сейчас без заметных морфологических и биохимических изменений (Scrgeev et al., 2002). Максимальное развитие цианобактерий было около 2 млрд. лет назад (рис. 1, С), судя по широкому развитию в это время строматолитовых построек в карбонатных (преимущественно доломитовых) породах (окаменевшие цианобактериальные маты). Сначала преобладали анаэробные, а потом с 2.5 2.7 млрд. лет аэробные бактерии (граница архея-протерозоя), но зафиксированный массовый оксифотосинтез начался 2.7 млрд. лет назад (рис. 2, 6). Появился он, возможно, уже 3.5 млрд. лет назад (рис. 6). Железистые формации, образование магнетитовых осадков в океане — отражение этого процесса. На рис. 1, В я повторил оценки Г.А. Заварзина (2003а, б; Zavarzin, 2008).

Теперь обратимся к изменению климата и самым ярким его проявлениям — оледенениям. Как видно из рис. 6, самое раннее зафиксированное оледенение — на границе архея-протерозоя. Следует обратить внимание, что в это время произошла смена общемантийной конвекции на двухслойную (Добрецов и др., 2001а). Поэтому изменился режим обмена вещества. В частности, это объясняет, почему содержание железа в мантии до этого было постоянным (рис. 4) — вся мантия перемешивалась. Как только верхнемантийная конвекция обособилась, верхняя мантия стала истощаться, терять железо за счет дифференцированных серий, включая граниты (в т. ч. железистые граниты, характерные для раннепротерозойских серий). Одновременно двухслойная конвекция привела к остыванию поверхности и построению новой климатической системы. Но все же в раннем и среднем протерозое оледенения были редкими. Лишь на рубеже 700-750 млн. лет назад появились очень сильные и частые оледенения. Возможно, максимальным было ранневендское оледенение около 640 млн. лет назад (Добрецов, Чумаков, 2003). Для них как раз и применяют определение «snowball» -замерзшая Земля, похожая на снежный шар (Hoffman, Schrag, 2002; Maruyama, Liou, 2005). Первые гипотезы об этом родились из чисто геохимических данных, а далее главным доказательством того, что ледниковые отложения были вблизи экваториальных областей, служили уточненные палеомагнитные данные (но здесь еще много дискуссионного).

Диаграмма, приведенная на рис. 7 одно из объяснений важности рубежа 750 млн. лет назад. На ней обобщены данные по породам из зон субдукции, извлеченным с разных глубин в разное время (Maruyama, Liou, 2005). Красные точки это древние породы (древнее I млрд. лет), им соответствуют очень высокотемпературная граница и малые глубины. Давление здесь не превышает 10 кбар. Белые квадраты — это комплексы с возрастом от 1000 до 750 млн. лет. Зеленые точки включают более молодые породы (менее 750 млн. лет), извлеченные из глубин более 200 км, то есть соответствующих давлению 60-50 кбар. Они возникли в палеозое и мезозое, в частности, кокчетавские алмазеодержащие породы с возрастом 530-540 млн. лет (Dobretsov, Shatsky, 2004; и др.). Японские авторы (Maruyama, Liou, 2005; Maruyama et al., 2007) сдвигают эту границу — то 540, то 750-800 млн. лет. В любом случае, с 750 млн. лет назад началась интенсивная и ускоренная (в разы) субдукция, обусловившая и быстрое извлечение пород с больших глубин. И вместе с субдуцирующим материалом в мантию снова стала поступать вода. До этого высокотемпературными расплавами из мантии вся вода была извлечена. Усиление субдукции дало вспышку островодужного магматизма, массовое поступление СО, в атмосферу и ее окисление. И главное — разуплотнение обводненной мантии приподняло все континенты и островные дуги. Они стали более существенно выступать над уровнем океана, расширился шельф, появились крупные реки, крупные дельты и т. д. По данным Ш. Маруямы (Maruyama et al., 2007), все это произошло в интервале 650-750 млн. лет назад (рис. 7).

С оледенениями связан вопрос об эволюции скелетов. Впервые хитиновые (белковые) скелеты появились на границе протерозоя. Минеральные скелеты — фосфатные, карбонатные, силикатные, появились лишь через 1.5-2 млрд. лет. Почему? Это вопрос нерешенный, возможно, это результат частых неблагоприятных обстановок, связанных с оледенениями.

Рис. 7. Условия температуры и давления в разновозрастных метаморфических породах (а) и условия изменения динамики мантии и континента в интервале 650-750 млн. лет назад (б) (Maruyama. Liou. 2005, с изменениями). Взаимосвязанные события 1-8 — см. пояснения в тексте.

Рис. 8. Сценарий изменения биоразнообразия в фанерозое (Sep-koski. 1996) в сравнении с важнейшими импульсами мантийных плюмов (красные точки на шкале времени — Добрецов и др.. 20016).

Основанием для построения рис. 5 и 6 и других аналогичных диаграмм, служат не только геологические и палеонтологические данные, но и данные молекулярной биологии, так называемые «молекулярные часы», основанные на средне-постоянной скорости синонимичных или нейтральных мутаций (Kumar, Hedges, 1998; Cavalier-Smith, 2002; Колчанов и др., 2003). Приведем только важнейшие рубежи, установленные этим методом. Появление и дивергенция эука-риот-2.2-1.8 млрд. лет назад. Важно, что 1.8 млрд. лет (эта цифра везде повторяется) — это либо завершение этого процесса, либо его максимум. Наконец, для многоклеточных организмов две цифры. Одна — общий предок растений, животных и грибов появился 1.5-1.6 млрд. лет назад. Вторая-общий предок водорослей и наземных растений это 1 млрд. или 1.17 млрд. лет.

Изюминкой Вашего загородного дома непременно станет баня из липы, качественный сруб для строительство которой Вы сможете приобрести на сайте простосруб.рф.

Первичные атмосфера и гидросфера Земли

Состоянию первичных атмосферы и гидросферы, столь интересующих специалистов по происхождению биосферы, в последние полстолетия посвящены тысячи работ. Поддерживаемое фактически большинством астрофизиков мнение о меньшей (на 20-25 %) светимости молодого (в первые сотни млн лет) Солнца привело к обсуждению вероятных составов первичной атмосферы, вызывающих парниковый эффект. Это известные работы Карла Сагана, его ученика Чайбы и др. Так как этим вопросам, вероятно, будет посвящена статья в этом сборнике нашего классика профессора Л.М. Мухина, мы опускаем обсуждение этой проблемы. Считаем важным отметить следующий выдающийся результат работ международного коллектива по австралийским цирконам — гидросфера и атмосфера Земли существовали уже в первые 150 млн. лет.

Согласно интерпретации данных по изотопии кислорода (^|60/¹⁷0/¹⁸0) в цирконах Jack Hills (Peck et al., 2001), 4.2, 4.3 и 4.4 млрд. лет назад на Земле была вода в жидкой фазе. Объемы ее пока оценить не удается (ручейки, озера в кратерах, мелкие моря?). Согласно работам французской школы (1960-1980 гг.) и известного специалиста по изотопии ксенона Р. Озимы, ксенон в атмосфере Земли имеет возраст порядка 4.0 и более млрд. лет. Наша интерпретация содержаний изотопов инертных газов, в частности, изотопной плеяды Хе (Pechernikova et al., 2003; Vityazev et al., 2005) указывает на то, что примитивная атмосфера сформировалась в ходе заключительных стадий образования Земли. Оценка ее массы и состава пока представляет проблему. Однако в сочетании с данными по австралийским цирконам можно уверенно говорить о том, что давление на поверхности ранней Земли было выше необходимого для существования примитивной гидросферы (тройная точка для Н₂O), т. е. порядка и выше современного для Марса.

На стадии аккумуляции Земли, когда поток падающих тел был достаточно велик, параметры ранней атмосферы в значительной степени определялись ударной дегазацией и эрозией. В.В. Светцовым (2007) путем численного моделирования ударов астероидов и комет с размерами от 100 м до 10 км были оценены потери атмосферы на Земле с ее современной атмосферой и Марсе с более плотной атмосферой из углекислого газа, которая могла быть на ранних стадиях его эволюции. Численное моделирование вертикальных ударов проводилось путем решения двумерных уравнений газовой динамики в цилиндрических координатах, начиная со стадии входа тела в атмосферу. Получены приближенные аппроксимирующие выражения потерь массы атмосферы и ударника в зависимости от их параметров и силы тяжести на планете. Характерные величины уносимой массы атмосферы при ударах астероидов (километровых и более размеров) оказываются порядка 0.01-0.1 от массы ударника, а при ударах долгопериодических комет — порядка 0.1-1 от массы кометы.

Согласно расчетам, параметры ранней атмосферы после окончания роста планеты существенно зависят от того периода аккумуляции, когда масса планеты составляет более 99 % от ее конечной величины. Более ранний период забывается, а в более поздний интенсивность притока массы недостаточна для существенного изменения массы образовавшейся до этого атмосферы.

Отметим, что результаты вычислений зависят от таких точно не известных входных параметров, как содержание атмофильных элементов в падающих телах, распределение по массам и скоростям падающих тел, размеры наибольших ударников. При вариации входных данных в допустимых пределах установившиеся к концу аккумуляции (99.9 % массы планеты) атмосферы имеют давление более 1 бар. Более совершенные модели должны учитывать взаимодействие выделяющихся при ударах газов с атмосферой и породами верхнего слоя планеты, физико-химическое состояние ранних атмосфер, сток газов в водные бассейны и учет глубинной дегазации примитивной части вещества, полученного планетой на ранних стадиях аккумуляции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Обнаружение протопланетных дисков, экзопланет и планетных систем около молодых звезд и их исследования позволяют надеяться на уточнение условий на поверхности ранней Земли и других планет.

Луна хранит следы «поздней бомбардировки» (Late bombardment) 3.7-3.9 млрд. лет назад. Чем она была вызвана? Наше предположение — это выброс Солнечной системы из звездного скопления. Это предположение должно быть либо опровергнуто, либо поддержано динамическими расчетами и другими данными.

2. Новые технологии обнаружения остатков короткоживущих радиоактивных элементов ²⁶Al, ⁶⁰Fe, ¹⁸²Hf и т.д.) позволяют хронометрировать отдельные стадии формирования и ранней эволюции планет с точностью до 1 млн. лет. Данные по австралийским цирконам и по плеяде изотопов Хе свидетельствуют о наличии атмосферы и гидросферы, начиная с 4.4 млрд. лет назад.

Но масса первичной гидросферы, состав и масса первичной атмосферы пока не установлены. Вероятно, проблему формирования атмосфер надо решать одновременно для Марса, Земли и Венеры. В частности, необходимо решить проблему выхода Венеры на парниковый режим. И понять, почему Земля избежала этого исхода. Это задача ближайшего десятилетия.

В работе использованы результаты исследований сотрудников ИДГ РАН, выполненных по проекту «Процессы на завершающей стадии аккумуляции Земли» (руководитель акад. В.В. Адушкин) в рамках программы Президиума РАН «Проблемы зарождения биосферы Земли и ее эволюции». Авторы благодарны проф. Л.М. Мухину и акад. РАН А.Ю. Розанову за приглашение к участию в рабочем совещании «Проблемы происхождения жизни».

На сайте www.100diet.org Вы найдете эффективные диеты для похудения, благодаря которым Вы сможете встретить новогодние праздники обновленным человеком – оставив в 2011 году столь ненавистные Вам лишние килограммы.

Дискуссия по пленарному докладу Л.М. Мухина «УСЛОВИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ 4.6-4.0 МЛРД. ЛЕТ НАЗАД:

ПЕРВИЧНЫЕ СИНТЕЗЫ»

Председательствующий А.С. Спирин

М.Я. Маров: Откуда следует, что океан был уже четыре с половиной миллиарда лет назад? Согласно известным мне геологическим данным и моделям, он появился где-то 3.8, может быть, 3.9 млрд. лет назад. Действительно, в этой зоне аккреционного диска изначально была высокая температура (около тысячи градусов, как показывают наши термодинамические расчеты), и, следовательно, происходило обеднение летучими. К этому же времени относится, вероятно, появление первых гидросиликатов. Другой вопрос — почему у Вас только отдельные очаги на первичной Земле горячие? Вы полагаете, что изначально Земля была холодной и горячие области обусловливались только очень крупными импактами?

Л.М.М.: Заключение о том, что гидросфера возникла достаточно рано, сделано на основе анализа изотопов кислорода в цирконах. Дельта ¹⁸0 оказалась между 7 и 9 (а не 5, как в магме), сделан вывод, что это были какие-то гранитные расплавы, которые получались от взаимодействия магмы с водой. Нет другого решения этой проблемы.

М.Я. Маров: Но циркон — не летучий элемент, и такая связка могла быть, скажем, в межпланетном пылевом веществе, так же, как и в корунде. Поэтому, с моей точки зрения, это не является доказательством.

Л.М.М.: На мой взгляд, с цирконами все в порядке, они не могли быть привнесены, они очень древние. В сочетании с возрастом, данные по изотопии кислорода и другие данные коррелируют.

М.Я. Маров: Теперь о проблеме фосфора. На Землю летучие могли быть привнесены не только кометами, но и астероидами, в частности, достаточно большой фракцией астероидов, содержащих гидратированные минералы. Поэтому фосфор может быть найден.

Л.М.М.: Согласен. Но проблема существует.

А. Б. Рубин: Поясните по поводу содержания кислорода и окисления железа.

Л.М.М.: Соотношение двухвалентного и трехвалентного железа показывает, что был молекулярный кислород.

М.Я. Маров: Возможно, изначально было много FeO, который, переходя в ядро, обеспечивал приток тяжелого элемента для роста ядра. Кислород высвобождался и параллельно связывался в Fe₂O₃.

Л.М.М.: Он очень быстро связывался.

А.В. Витязев: В кометах отношение D/H очень не подходит для земного океана. В кометах плохо с фосфором. Слабая надежда на неисследованные кометы семейства Юпитера. В общем, идея, что большая часть воды была принесена кометами, сейчас выглядит слабее.

Л.М.М.: Да, абсолютно правильно.

А.В. Тутуков: Я специально занимался температурой Земли на стадии ее формирования. На этапе 300 миллионов лет средняя поверхностная температура была бы только 100 градусов Кельвина. Для того, чтобы повысить температуру до 1 000 градусов, нужно, чтобы время аккреции сократилось до 30 миллионов лет. Если Земля образовывалась из пыли, ее температура была низкой, но от ударов крупных тел локально повышалась и до одной тысячи и до нескольких тысяч градусов.

Л.М.М.: Я согласен с Вами. Критическим параметром здесь является время аккреции.

Л.Ю. Розанов: Куда исчезли геологические породы древнее четырех миллиардов лет?

Л.М.М.: Есть цирконы, им 4.4 миллиарда лет.

А.Ю. Розанов: Это несколько десятков зерен. Где сами породы?

Л.М.М.: У меня нет ответа.

Н.Г. Бочкарёв: Как Вы относитесь к работам Георгия Георгиевича Манагадзе по импактному образованию сложных соединений, в том числе воды — происходит атомизация ударного объекта, потом заново образование молекул. Им было показано, что все океаны могли образоваться импактным образом.

Л.М.М.: Георгий Георгиевич — блистательный инженер, но то, что он пишет в своих статьях, по меньшей мере, сомнительно…

М.Я. Маров: Отношение D/H в кометах действительно вдвое выше, чем в земных океанах, но это результаты относятся только к долгопериодическим кометам, а что касается короткопериодических, в частности, семейств Юпитера, Нептуна, об этом мы пока ничего не знаем.

Л.М.М.: Да, это существенно.

Решили отправиться в путешествие по юго-восточному побережью Чёрного моря, тогда первое, что Вам нужно узнать – это то, что находиться Абхазия на карте России.
В этом путешествии вашим незаменимым помощником и гидом по живописным местам черноморского побережья станет сайт virtune.ru, который поможет Вам не только сориентироваться на местности, но и узнать расположение городов и курортов.

УСЛОВИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ 4-4.6 МЛРД. ЛЕТ НАЗАД. ПЕРВИЧНЫЕ СИНТЕЗЫ*

© 2009 г. Л.М. Мухин

Институт космических исследований РАН

4-4.6 млрд. лет назад поверхность Земли могла быть в основном относительно холодной, с отдельными горячими пятнами, обусловленными им-пактными событиями. Такая сильно гетерогенная по температуре система могла обеспечить возможность процессов первичных синтезов органических соединений.

Мы говорим о том, что трудно дать определение Жизни. Может быть, этого не нужно делать, но стоит отметить, чем отличается живое от неживого. Живое отличается от неживого наличием совершенно уникальной машины, которая состоит из двух частей (компонентов) — транскрипции и трансляции. Такой механизм есть в любой живой системе. В связи с этим мне очень понравилась диаграмма, которую я нашел в одной из американских энциклопедий. Это такой пазл, состоящий из отдельных квадратиков, где есть практически все составляющие проблемы происхождения жизни на Земле (рис. 1). Здесь есть проблема возраста жизни на Земле, есть источники энергии, необходимые для синтеза органических соединений и т. д. Эта схема ставит перед исследователями, занимающимися проблемами происхождения жизни, некоторые задачи. Я думаю, что одной из первых важнейших задач является возраст Земли, который сейчас можно определить достаточно точно, благодаря высокотемпературным включениям в метеоритах. Это самое древнее, что мы сейчас имеем. Совсем недавно, порядка 10 лет тому назад, появились данные по цирконам. Это самые древние минералы на Земле, один из них имеет возраст 4.4 млрд. лет, более молодые цирконы — 3.8 млрд. лет и менее. Их возраст определялся соотношением изотопов свинца (²⁰⁷РЬ/²⁰⁶РЬ) в этих образованиях (рис. 2). Интересно, что именно на уровне 3.8-3.9 млрд. лет назад закончилась так называемая последняя тяжелая бомбардировка, которая происходила до этого времени. Это накладывает некоторые ограничения на проблему происхождения жизни. По изотопии кислорода в этих цирконах был сделан очень важный вывод, что уже более 4 млрд. лет назад на Земле была вода. В сочетании с анализом следовых элементов это достаточно убедительное доказательство того, что на Земле в те времена была прагидросфера.

* Профессор Лев Михайлович Мухин — один из активнейших организаторов рабочего совещания «Проблемы происхождения жизни» — скончался 24 апреля 2009 г. Учитывая намерение Льва Михайловича подготовить статью по материалам его доклада, редколлегия сборника взяла на себя смелость опубликовать выступление Л.М. Мухина по его видеозаписи, адаптировав содержание к письменной речи и иллюстрировав материалами презентации. Ответственность за возможные недостатки полностью лежит на редакторах сборника.

Рис. 1. Проблематика происхождения жизни на Земле. Объяснения в тексте.

Во время формирования Земли происходили высокоскоростные удары (рис. 3), и поэтому очень многие ученые считали, что поверхность Земли была горячей и даже расплавленной. Но это не совсем так. Если принять во внимание то обстоятельство, что тепло сбрасывалось не с помощью простой, регулярной свободной конвекции, а с помощью вынужденной конвекции, то оказывается, что на достаточно холодной поверхности Земли были горячие пятна (рис. 4). И такая сильно гетерогенная по температуре система обеспечивала возможность для процесса синтеза органических соединений. При ударах тел размером порядка 500 км и более выкипали океаны, сильно менялся климат Земли и ничего живого не оставалось. Но если ударные тела были размером порядка 10-20 км, то таких катастрофических последствий не было.

Рис. 2. Возраст древнейших цирконов (Cavosie et al.. 2004).

Рис. 3. Формирование Земли (Герасимов. Mvxim. 1986).

Рис. 4. Ранняя Земля — горячие пятна на холодной поверхности (Mukhin, Pimenov, 2002): а — условия вынужденной конвекции; б
— условия свободной конвекции. Обозначения: 1 — температура поверхности, 2 — температура на глубине 10 см.

Таким образом, предложенная модель холодной поверхности Земли с горячими пятнами должна была работать.

При ударе происходило испарение, в самом факеле происходили высокотемпературные химические реакции (рис. 5), которые приводили к образованию атмосферы, содержащей очень благоприятные компоненты — такие как синильная кислота, альдегиды — для синтеза органических соединений. О составе этой атмосферы можно судить по газам, содержащимся в земных породах и метеоритах на период времени их формирования (табл. 1). Интересно, что эта атмосфера неравновесна: в ней есть полностью окисленные компоненты, такие как СО₂, и есть компоненты восстановленные: нет аммиака, а есть только свободный азот. Тем не менее, эти данные приводят к выводу о том, что 3.8-3.9 млрд. лет назад не было никакой восстановительной атмосферы.

Рис. 5. Физико-химические процессы, происходившие при падении на Землю планетезималей (Герасимов, Мухин, 1986).

Таблица 1. Химический состав реликтовых газов (Mukhin et al., 1989)

ND — not determined

Certiified by IGEM Acad. Sci. USSR

+ — HC, the sum of hydrocarbons.

Наблюдаются следы кислорода, который должен был образовываться во время высокотемпературных процессов и очень быстро реагировать с другими компонентами взрыва. Это важно потому, что в присутствии кислорода не проходят никакие абиогенные синтезы органических соединений.

Органические вещества образуются не только в Солнечной системе, они образуются во всем цикле формирования планет из протопланетного облака. Вообще, на самом деле космос просто «набит» органикой. В 2006 г. было известно 146 межзвездных молекул. Среди них очень много органических соединений, но нет фосфора¹. Таким образом, органические молекулы из космоса дают не очень много для модели происхождения жизни.

Накоплению предшественников органических соединений на поверхности ранней Земли придавалось очень большое значение. Основным источником добиологической органики считались кометы (Chyba, Sagan, 1997) (табл. 2). Но здесь вновь возникает проблема фосфора.

Таблица 2. Источники добиологического органического вещества на ранней Земле (Chyba, Sagan, 1997)

¹ В настоящее время в молекулярных облаках обнаружены такие соединения как CP, PN, РО — см. статью Н.Г. Бочкарёва в данном сборнике и Итоговую дискуссию, с. 252-253. — Прим. ред.

Таблица 3. Обилие химических элементов во Вселенной

Распространенность этого элемента во Вселенной на два порядка меньше, чем распространенность углерода (табл. 3). В то же время в живых системах фосфора больше, чем серы, т. е. он занимает очень значительное место. К примеру, в организме человека отношение по массе углерода к фосфору составляет 15 (табл. 4). Вопрос — почему и как живые организмы накапливали фосфор, и как он оказался в достаточном количестве для этого накопления?

При анализе полученного вещества межзвездных пылинок фосфора в них пока не обнаружено.

Таблица 4. Химический состав тела человека (Chang, 2007)

Таблица 5. Органические вещества в кометах (Bockelee-Morvan et al., 2000)

По последним данным (табл. 5), в кометах мы находим синильную кислоту, много СО, альдегиды, но не обнаруживаем ни одного соединения с фосфором. В то же время, среди органических веществ в метеорите Мурчисон и хондритах есть даже пурины и пирамидины, есть аминокислоты и есть фосфор в твердой фазе (табл. 6).

Если фосфор в кометах есть, то он содержится только в ядре кометы, в твердой матрице. Другого места для размещения фосфора просто нет. На рис. 6 показана схема пребиотического синтеза в кометах (Ого, Cosmovici, 1997). Должен отметить, что уже на стадии пуринов, пирамидинов, Сахаров эта модель встречается с очень значительными трудностями. Пурины и пирамидины входят в состав химической структуры ДНК и также в состав РНК. Фосфор является одним из ключевых компонентов нуклеотидов. Синтез пуринов и пирамидинов является очень важной ступенькой в образовании нуклеиновых кислот. Аминокислоты образуются сравнительно легко, но необходимо получение не просто аминокислот, а аминокислот в определенном порядке, который обеспечивает трансляционная машина. При синтезе самых простых органических соединений мы сразу же сталкиваемся с рядом трудностей. На рис. 7 представлена автокаталитическая реакция синтеза Сахаров, открытая еще Бутлеровым. В ней образуется огромное количество Сахаров, причем не только рибоза или дизоксирибоза, которые необходимы для РНК и ДНК, но и масса других. И немедленно начинают идти побочные реакции с другими саха-рами. Из них образуется либо карамель, либо метиловый спирт и мочевина². Синтезы аденина и цитозина тоже встречают ряд трудностей.

² Реакция Бутлерова изучалась в последнее время в Институте катализа им. Г.К. Борескова СО РАН -см. ссылки на публикации в статье В.Н. Снытникова в данном сборнике. — Прим. ред.

Еще одна важная вещь, которую я хотел бы отметить, и на которую обычно не обращают внимания.

Таблица 6. Органические вещества из метеорита Мур-чисон и нескольких хондритов (Ehrenfreund et al., 2002)

Если нам нужно синтезировать РНК или ДНК, то мы должны иметь кооператив нуклеотидов, то есть они должны быть примерно в равных пропорциях и синтезироваться по одинаковой схеме. Даже при синтезе аденина, который из этой группы нуклеотидов синтезируется легче всего, возникает ряд существенных сложностей. В частности, синтез аденина требует концентраций цианистого водорода по меньшей мере 0.01 М, что совершенно нереально в условиях примитивной Земли. Кроме того, аденин подвержен гидролизу (время полужизни для деаминации при температуре 37 °С, рН 7 — около 80 лет). Следовательно, нельзя ожидать накопления аденина в условиях любого «пребиотического супа».

Рис. 6. Схема пребиотического синтеза в кометах (Ого, Cosmovici, 1997).

Рис. 7. Схема автокаталической реакции синтеза Сахаров.

К тому же, взаимодействие аденина и урацила слабо и неспецифично, и поэтому никогда нельзя ожидать его функционирования в любой специфической схеме узнавания при хаотических условиях «пребиотического супа».

Представляется очень важным вывод Л. Оргейла (Orgel, 2004). Он говорит, что неизбежное заключение исследования синтеза нуклеотидов состоит в том, что нет убедительных, общих пребиотических синтезов каждого из нуклеотидов. Крайне ограниченное количество реакций дает высокий выход продуктов; а те, что дают, обычно производят сложные смеси продуктов. Я уже продемонстрировал это на примере синтеза Сахаров. Здесь необходимо заметить, что вопрос хиральности является исключительно сложным для проблемы синтеза, потому что как только мы имеем рацемическую смесь Сахаров, сразу терминируется рост следующего звена. Не менее важным мне кажется заключение Дж. Джойса (Joyce, 1989), который считал, что наиболее разумным предположением является то, что жизнь не началась с РНК, а переход к миру РНК и происхождение жизни в целом полны неопределенностей и отсутствием экспериментальных данных.

Проблема хиральности до сих пор не решена, и все смеси, которые образуются в экспериментах по предбиологическому синтезу, являются рацемическими смесями. И можно сказать, что это обстоятельство стоит на пути решения проблемы происхождения мира РНК, потому что еще до его появления необходимо получить нерацемические смеси. Еще одной проблемой являются упомянутые побочные реакции, которые сильно мешают выделению основного продукта.

В заключение приведу некоторые соображения насчет уровня содержания кислорода в примитивной атмосфере — она на начало геологической летописи не была восстановительного характера, и уже 3.5 млрд. лет назад содержала значительно количество кислорода. Это дает возможность поставить здесь барьер на временной шкале органических синтезов.

Закончить я бы хотел одним любопытным фактом. Была жуткая вспышка энтузиазма в 1950-х гг. на первой конференции по происхождению жизни. После этого 90 % работ по этой проблематике поддерживали эволюционную идею. Однако трудности этого вопроса оказались столь велики, что в 2006 г. число публикаций, посвященных искусственному зарождению жизни на Земле (т. е., связанному с идеей творения), оказалось близко к 80 %. Таково мировоззренческое значение проблем происхождения жизни…

Вы серьезный деловой человек и вашему статусу должен соответствовать не только ваш внешний вид, но и, как это ни странно, телефонный номер.

Вы сможете купить золотые номера москвы на сайте красив-номера.рф и тем самым показать Ваши серьезные намерения будущим деловым партнерам и клиентам.

Так, по мнению художника НАСА, выглядит голубая планета Kepler-22b, находящаяся от Земли на расстоянии 600 световых лет

Астрономы обнаружили первую на сегодняшний день голубую планету, находящуюся в обитаемой зоне и обращающуюся вокруг звезды, как две капли воды похожей на наше Солнце. По их словам, если эта планета окажется необитаемой, то такое понятие, как инопланетные формы жизни можно будет навсегда исключить из лексикона землян и признать тот факт, что человек является единственным разумным существом во Вселенной.

В рамках миссии «НАСА Кеплер» (Kepler) было открыто огромное число новых миров, участвующих в гонке за звание инопланетной колыбели жизни. На данный момент, к финишной черте, с большим отрывом от остальных претендентов, подошла не так давно обнаруженная учеными НАСА экзопланета Kepler-22b, которая является «супер-Землей» и находится в самом центре обитаемой зоны.
Читать дальше>>

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!