Дискуссия

по пленарному докладу Е.А. Бонч-Осмоловской «ГЛУБИННАЯ БИОСФЕРА»

Председательствующий Л. М. Мухин

В.Н. Снытников: Мне показалось, что Вы в своем докладе ни разу не указали конкретные значения давления. Правильно ли я понимаю, что если глубина три километра, то это не менее 600 атмосфер? А если вода, то я могу посчитать давление по столбу воды?

Е.А.Б.-О.: Да, это все так. Поэтому, извлекая части этих сообществ, мы грубейшим образом нарушаем существующие там условия. Видимо, мы отсекаем основную популяцию микробов, так же как, исследуя воду, отсекаем всех тех, кто прочно привязан к грунту. Мы должны все время отдавать себе отчет о том, что мы изучаем пока только какую-то «верхушку айсберга».

Ю.В. Наточин: Как измеряли возраст грунтовых вод?

Е.А.Б.-О.: Точно не знаю, думаю, что по стабильному изотопному составу.

Л.М. Мухин: Скажите, пожалуйста, какое отношение глубинная биосфера имеет к проблеме происхождения жизни?

Е.А.Б.-О.: Я бы считала, что как аналогия. Пытаясь исследовать потоки вещества и энергии в живых системах, мы обращаемся к таким изолированным сообществам как к современным моделям.

Л.М. Мухин: А каково происхождение этих ценозов? Это следы наружной биосферы или они возникли совершенно независимым путем на этих глубинах?

Е.А.Б.-О: Эти микробные сообщества образовались из поверхностных. Их очень широкий оптимум температуры и рН это какой-то древний фенотип, оставшийся еще со времен их пребывания на поверхности и в силу их очень медленной эволюции сохранившийся -почему так интересно было бы посмотреть их полный геном и сравнить его с таковым гидротермальных микробов.

М.Я. Маров: Елизавета Александровна, у меня два связанных вопроса. Первый: если предельная температура, как Вы показали, 122 градуса, то можно ожидать наличие биосферы до глубины шесть километров, поскольку рост температуры в коре примерно 20 градусов на километр. Но, если я правильно понимаю, с такой глубины никакой экскавации не было?

Е.А.Б.-О: Есть Кольская скважина, но интересующих нас данных по ней нет.

М.Я. Маров: Конечно, очень интересно, сколь глубоко простирается эта граница, и меняются ли там условия, свойственные такой закрытой системе. Мой второй вопрос следующий. Я с удивлением услышал о том, что глубинная биосфера может составлять около 80 процентов биомассы Земли. Известный американский ученый Том Голд в статье, опубликованной в 1992 году в журнале «Science», утверждал, что глубинная биосфера по массе может значительно превышать то, что мы имеем на поверхности. Приведенные Вами цифры — это что, изменившиеся воззрения?

Е.А.Б.-О: Я думаю, что это связано с новыми методами и возможностями, например, сейчас доказано, что эти клетки активно функционируют.

М.Я. Маров: То есть раньше это было спекулятивно, а сейчас в значительной мере методично?

Е.А.Б.-О: Да.

М.А. Федонкин: Я бы хотел узнать о водородном обмене, его роли. Насколько он широко распространен? Не является ли, скажем, деятельность органотрофов борьбой за водород, выбиранием водорода из органики?

Е.А.Б.-О.: С водородом проблемы нет, есть много его источников, проблема в окислителе, потому что если нет кислорода, то нет и почти всего остального. С серой тоже не совсем понятно. Это считается древним видом дыхания. Но если элементная сера напрямую возгоняется из глубин, она достигает поверхности в конформации, недоступной микробам, в виде кристаллов. Микробы с удовольствием поедают ту серу, которая образуется из сероводорода в его реакции, опять же, с кислородом. Так что сера тоже под вопросом. И главный акцептор электронов — это СО₂, которого много. Здесь есть две возможности — во-первых, образование метана, во-вторых, образование ацетата. И образование ацетата до сих пор остается в тени.

М.А. Федонкин: Радиолиз может вызывать разложение воды с выходом водорода.

Е.А.Б.-О.: Водород образуется из базальтов, в реакции с водой.

М.А. Федонкин: Да, источников очень много. А вот, скажем, цикл водорода и окиси углерода, СО?

Е.А.Б.-О.: СО — это тоже совершенно отдельная статья. СО это обязательный компонент гидротермальных газов, и огромное количество организмов может использовать СО, и ничего при этом другого им не нужно, только СО и вода. А водород образуется в результате этой реакции. Я не совсем поняла Вас про органотрофов, почему они борются за водород, у них есть такой прекрасный органический субстрат. Вообще, побывав на этом совещании, я стала думать, что, если действительно возможен абиогенный синтез органических веществ, то тогда может быть, что первыми организмами были органотрофы, потому что их внутреннее устройство гораздо проще, им не нужны мембраны, не нужны всякие сложности… Субстратное фосфорилирование — и все… Кстати, на Камчатке довольно много ацетата в гидротермах, и при высоких температурах в черных курильщиках тоже идет абиогенный синтез ацетата. Правда, ацетат не используется без акцептора, а какая-то более сложная органика вряд ли может абиогенно синтезироваться… В общем, тут есть над чем подумать, в том числе и сточки зрения возможностей первичных метаболизмов…

М.Я. Маров: Откуда СО на глубине?

Е.А.Б.-О.: СО идет как ювенильный газ из магмы, а кроме того, образуется в результате биологических процессов. С СО тоже нет проблем.

Л.М. Мухин: Ювенильность любой составляющей надо доказывать. Потому что масса компонентов в вулканических газах, гидротермах возникает за счет разложения осадочных пород.

Е.А.Б.-О.: Абсолютно согласна.

А.Ю. Розанов: Елизавета Александровна, как Вы относитесь к публикациям Оборина и компании и их схеме подземной биосферы?

Е.А.Б.-О.: К сожалению, я плохо их знаю.

А.Ю. Розанов: Вы постоянно говорите, что это у вас закрытые системы. Но если Вы связываете их с нефтяными или артезианскими бассейнами, то это не закрытые системы.

Е.А.Б.-О.: Как только мы доберемся в закрытую систему, она перестанет быть закрытой…

М.Я. Маров: Она закрытая в том смысле, что прямо не выходит на поверхность, а находится в каких-то определенных резервуарах или «карманах»…

А.Ю. Розанов: Если это бассейны, то где-то они выходят на поверхность…

Е.А.Б.-О.: Открытые или закрытые системы — для циклов.

Обожаете романтические и добрые болливудские баллады и раз за разом безрезультатно вбиваете в поисковую строку Яндекса: “индийские фильмы смотреть онлайн”, тогда Вам просто необходимо посетить сайт india-films.ru, где вы найдете огромное число замечательных кинолент производства индийских киностудий.

АКТИВНОСТЬ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ

Разработанные микробиологами школы СИ. Кузнецова радиоизотопные методы определения скорости микробиологических процессов нашли свое применение и при исследовании микробных сообществ термальных местообитаний, в том числе и глубинных (Pimenov, Bonch-Osmolovskaya, 2006). Последние отличаются невозможностью инкубирования изолированных проб с добавленными радиоизотопными субстратами непосредственно в месте отбора; приходится проводить инкубацию в термостате с соответствующей температурой, без учета геостатического давления, которое на глубине 1500-3000 м является значительной величиной и может существенно влиять на ход исследуемых процессов. Тем не менее, несмотря на относительный характер получаемых параметров, они способны дать нам важную информацию о некоторых процессах, протекающих в высокотемпературных глубинных местообитаниях (примером которых являются нефтяные месторождения). Так, было установлено, что в микробных сообществах пластовых вод Самотлорского нефтяного месторождения сульфатредукция и метаногенез являются конкурентными процессами и реализуются в зависимости от концентрации сульфатов (Bonch-Osmolovskaya et al., 2003). При этом скорости сульфатредукции, литотрофного (с использованием водорода) и ацетокластического (с использованием ацетата) метаногенеза имеют два максимума (рис. 1). Первый приходится на заводняемые скважины поверхностных горизонтов, второй (основной) — на скважины глубинных юрских горизонтов, откуда нефть изливается под естественным давлением. Можно с значительной долей уверенности предположить, что именно в этих скважинах при температуре 84 °С процессы сульфатредукции и метаногенеза осуществляет аборигенная гипертермофильная микрофлора.

Рис. 1. Скорость микробиологических процессов — сульфатредукции, литотрофного и ацетокластического метаногенеза в скважинах высокотемпературного нефтяного месторождения Самотлор, Западная Сибирь (Bonch-Osmolovskaya et al., 2003, модифицировано).

Рис. 2. Влияние сульфата на скорость сульфатредукции (а) и молекулярного водорода на скорость литотрофного метаногенеза (б) в скважинах высокотемпературного нефтяного месторождения Самотлор, Западная Сибирь.

Исследование влияния на скорость процессов добавления дополнительного количества сульфатов или введения водорода в газовую фазу инкубационных флаконов показало, что присутствие сульфатов стимулирует сульфатредукцию, в то время как добавление водорода не влияет на скорость метаногенеза (рис. 2). Первое явление может быть объяснено тем, что сульфатредукторы при лимитации сульфатами могут участвовать в других процессах, например, синтрофном окислении органического вещества путем передачи электронов метаноге-нам. При добавлении дополнительного количества сульфатов эта микрофлора переключалась на их восстановление с использованием тех же доноров. Стимуляцию литотрофного метаногенеза и сульфатредукции водородом можно было бы ожидать, считая что он компенсирует потери присутствующего в пластовых водах растворенного водорода за счет дегазации при поднятии проб на поверхность и снижении давления. Однако, так как этот эффект не наблюдался, приходится предположить, что литотрофный метаногенез является не результатом использования водорода глубинного происхождения, а терминальной реакцией анаэробного разложения органического вещества, и численность присутствующих в пробе метаногенов соответствует количеству образующегося при брожении органических субстратов водорода. Таким образом, и сульфатредукция, и литотрофный метаногенез в микробных сообществах высокотемпературных нефтяных месторождений являются не первичными процессами, дающими начало микробному сообществу, существующему за счет хемосинтеза, а, наоборот, завершают анаэробную деструкцию органического вещества, видимо, захороненного в этих горизонтах в более древние геологические периоды.

ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОДЗЕМНЫХ ТЕРМОФИЛЬНЫХ МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВ

Молекулярно-биологические методы, получившие развитие в последние десятилетия, дали возможность экспрессной оценки разнообразия микроорганизмов в природных местообитаниях без этапа культивирования. Кратко суть этих методов заключается в следующем: с помощью полимеразной цепной реакции гены 16S рибосомальной РНК (общепризнанный филогенетический маркер) всех микроорганизмов, присутствующих в природном образце, сначала выделяются, затем тем или иным способом разделяются и по их последовательности определяется филогенетическое положение присутствующих в пробе организмов. В случае наземных и морских гидротерм применение этих методов обнаружило присутствие в этих сообществах большого количества новых организмов, неизвестных в лабораторных культурах. Оказалось, что подземные термальные местообитания по филогенетическому составу микроорганизмов сильно различаются.

Микробные сообщества высокотемпературных нефтяных месторождений состоят в основном из представителей уже известных родов. Применение микрочипа с нанесенными на нем люминисцентными зондами, специфичными к I6S рРНК 17 родов или групп родов термофильных архей и бактерий, позволило обнаружить в пластовых водах юрского горизонта (глубина 2384 м, температура 84 °С) представителей 12 из них (Bonch-Osmolovskaya et al., 2003). Это гипертермофильные архей рода Thermococcus, представители относящихся к глубоким филогенетическим ветвям бактерий порядков Thermotogales и Aquificales (также гипертермофилы), литотрофные метаногены родов Methanothermobacter, сульфатредуцирующие бактерии рода Desiilfolomuculimu анаэробные органотрофы рода Thermoanaerobacter и некоторые другие (рис. 2). Близкие результаты были получены путем анализа библиотек клонов генов 16S рРНК из высокотемпературных нефтяных месторождений Калифорнии (Orphan et al., 2000) и Китая (Назина и др., 2006).

Совершенно иные результаты дал филогенетический анализ термофильных микробных сообществ, развивающихся в горнодобывающих шахтах в Южной Африке (Takai et al., 2001). Путем анализа библиотек клонов генов I6S рРНК были обнаружены присутствующие там архей типа Crenarchaeota, представляющие новые филогенетические линии (рис. 3). При этом наиболее разнообразными были микробные сообщества, развивающиеся в шахтах, не оводняемых поверхностными водами метеорного происхождения. Все это дало основания предположить, что в исследуемых глубинных экосистемах развивается аборигенное сообщество, состоящее из микроорганизмов с неизвестное пока физиологией, возможно, литоавтотрофов.

В сходном местообитании близкого географического расположения (также Южная Африка, горнодобывающая шахта глубиной 2.8 км) была обнаружена еще одна микробная экосистема, также уникальная — биопленка, состоящая практически из одного микроорганизма — «Candidalus Desulj’orudis audaxiviator» (Lin et al., 2006). Роста этой бактерии в лабораторных условиях пока получить не удалось, но уже получена полная последовательность ее генома, из которой следует, что «DesulJorudis audaxiviaion> является умеренно-термофильной литоавтотрофной сульфатре-дуцирующей бактерией, использующей молекулярный водород как энергетический субстрат и углекислоту как источник углерода, причем пути фиксации углекислоты сходны с архейными.

РАЗНООБРАЗИЕ И ЧИСЛЕННОСТЬ КУЛЬТИВИРУЕМЫХ ОРГАНИЗМОВ, ВЫДЕЛЕННЫХ ИЗ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ЭКОСИСТЕМ

Параллельно с применением «прямых» методов исследования микробиологических процессов и филогенетического состава микроорганизмов в высокотемпературных глубинных экосистемах велась и работа по изучению их традиционными культуральными методами. Ряд гипертермофильных архей и бактерий, широко известных по микробным сообществам морских гидротерм, был выделен из проб в высокотемпературных нефтяных месторождениях шельфовой зоны: на Аляске (Stetter et al., 2003), в Северном море (Nielsen, Torsvik, 1996; Stetter et al., 2003), в Калифорнии (Orphan et al., 2000) и в Японии (Takahata et al., 2000). Среди них были органотрофные архей родов Thermococcits и Pyrococcus, метанобразующие и суль-фатредуцируюшие архей (роды Methanothevmococcits и Archaeoglobus), органотрофные бактерии порядка Thermotogales). Еще более удивительным было выделение этих же организмов, типичных обитателей морских гидротерм, из пластовых вод с соленостью уровня морской, но расположенных в центре континента: нефтяного резервуара Парижского бассейна (L’Haridon et al., 1995), месторождения Самотлор в Западной Сибири (Bonch-Osmolovskaya et al., 2003). Эти изоляты либо принадлежали к уже известным видам, либо представляли новые виды. Так, из проб юрских горизонтов Самотлорского месторождения был выделен новый вид гипертермофильных архей Thermococcus sibiricus (Miroshnichenko et al., 2001).

Рис. 3. Новые филогенетические группы прокариот в горнодобывающих шахтах Южной Африки (Takai et al.. 2001).

Рис.4. Клетки Thermococciis sibiricus — анаэробной органотрофной гипертермофильной архей, выделенной из нагнетательной скважины Самот.торского нефтяного месторождения, Западная Сибирь. Масштаб 0.5 мкм.

Этот организм с клетками кокковидной формы (рис. 4) растет при температуре от 40 до 95 °С, сбраживая пептиды в присутствии элементной серы, которая восстанавливается в сероводород. Можно, однако, предположить, что, как и у остальных представителей рода Thermococcus, восстановление серы у этого организма играет важную роль лишь при лабораторном культивировании в закрытых сосудах, так как позволяет избежать ингибирующего действия водорода — основного восстановленного продукта в отсутствие серы (Бонч-Осмоловская, Мирошниченко. 1994). Другие новые органотрофные термофильные прокариоты, выделенные из пластовых вод Самотлорского нефтяного месторождения, относились к порядку Thermotogales и представляли новые виды в родах Termosipho и Petrotoga (L’Haridon et al., 2002a, b).

Сходные микробные сообщества были обнаружены под океанической корой в районе глубинной гидротермальной активности (Deming, Baross, 1993; Takai, Horikoshi, 1999). Культуральные методы показали доминирование Thermococcales — органотрофных гипертермофильных архей (Takai et al., 2004). Однако при применении молекулярно-биологических методов к этому же сообществу выявилось значительное преобладание метаногенов порядка Methanococcales. Об активности последних свидетельствовал и легкий изотопный состав присутствующего метана, говорящий о его биологическом происхождении.

Численность органотрофных термофильных прокариот в высокотемпературных нефтяных месторождениях оказалась неожиданно высокой — 10⁴-10⁶ клеток в мл. Это подтверждает сделанное на основании радиоизотопных экспериментов предположение о том, что микробные сообщества нефтяных месторождений используют энергию захороненного органического вещества. Однако недавние данные, полученные Н.М. Шестаковой и Т.Н. Назиной (Шестакова, 2007), указывают на совершенно особую экологическую функцию, которую могут играть в природных сообществах даже представители хорошо изученных таксонов. Авторам этой работы удалось показать, что представитель органотрофного рода Thermoanaerohacler в присутствии водород-использующего метаногена способен анаэробно окислять ацетат. Таким образом, было найден агент, или, вернее, агенты ацетокластического метаногенеза, зарегистрированного в высокотемпературных нефтяных месторождениях. Полученные данные указывают также на то, как далеки от полноты наши познания о физиологии даже легко культивируемых в лабораторных условиях микроорганизмов; экстраполяция их на природные системы может не приблизить нас к пониманию истинного положения вещей.

Другим способом раскрытия экологической роли микроорганизмов, в том числе некультивируемых, является метагеномный анализ микробных сообществ и выявление функциональных генов, которые могут указать нам на метаболические пути, реализуемые в сообществе. В случае «Desulfbrudis atidaxiviatom»
такой анализ явился, по существу, определением полной геномной последовательности единственного организма, растущего, фактически, в виде чистой культуры. Несомненно, подобные работы будут проводиться и с другими, более сложными экосистемами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении мы собираемся вернуться к вопросу, поставленному в заглавии этого обзора: могут ли микробные сообщества высокотемпературных подземных экосистем рассматриваться как аналоги первичных биоценозов Земли? Как мы уже увидели, эти сообщества очень сильно различаются, в первую очередь по исходному энергетическому субстрату. Микробные сообщества нефтяных месторождений, по видимости, являются органотрофными и используют органическое вещество если не самой нефти, то более доступное, захороненное вместе с окружающей породой. Это органическое вещество, скорее всего, являлось продуктом фотосинтеза. Таким образом, подземные сообщества, ассоциированные с нефтяными месторождениями, не зависят от современного фотосинтеза, но зависят от продуктов фотосинтеза, происходившего в предшествующие геологические периоды.

Что же может являться энергетическим субстратом подземных анаэробных микробных сообществ? Конечно же, в качестве основного такого субстрата рассматривается водород (Nielsen, Takai, 2005). Известно, что он может образовываться из базальта при реакции с водой и поддерживать рост водород-использующих прокариот, например метаногенов (Stevens, McKinley, 1995). Другим источником водорода является радиолиз воды — этот процесс предлагается в качестве основного для уникальной экосистемы, образуемой «Desulforudis audaxiviatoni». В последнем случае остается непонятным, почему вместе с «Desulforudis aiidaxiviator» не развивается полноценное микробное сообщество, использующее органическое вещество первичного продуцента. Возможно, какие-то ограничения накладываются особыми физико-химическими условиями, исключающими развитие всех прочих организмов, кроме «Desulforudis audaxiviatony».

Однако в случае высокотемпературных микробных сообществ основным источником водорода все-таки остаются ювенильные газы вулканического происхождения. Как уже было сказано, водород часто рассматривается как возможный источник энергии для анаэробных хемосинтетиков в гидротермах различного типа. Однако приток аллохтонного органического вещества в этих системах не позволяет считать их независимыми от современной биосферы. Возможно, наиболее близким к искомым гипотетическим сообществам будут микробные экосистемы гидротермальных местообитаний под океанической корой, где высокая численность литоавтотрофных метаногенов по сравнению с органотрофами указывает на возможность хемосинтетического происхождения первичного органического вещества в этой экосистеме.

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.

РАННЯЯ ЗЕМЛЯ В ТЕСНОМ ОКРУЖЕНИИ МОЛОДЫХ ЗВЕЗД

© 2009 г. А.В. Витязев, Г.В. Печерникова

Институт динамики геосфер РАН

Данные о физико-химических условиях на ранней Земле важны для специалистов, работающих по проблеме зарождения биосферы. Обсуждается последняя модификация теории формирования Земли и планет. Рассматриваются возможные последствия формирования Солнца в области звездообразования в тесном окружении соседних молодых звезд. Приводится обобщение классической задачи о темпе роста Земли и планет с новыми оценками, позволяющими согласовать результаты как по долгоживущим (уран-свинцовым), так и короткоживущим (гафний-вольфрам) космохронометрам. Обсуждается модель ранней эволюции Земли, учитывающая как новые динамические оценки, так и последние геохимические данные (древнейшие австралийские цирконы, реликтовая плеяда ксенона). Указаны проблемы теории ранней эволюции Земли, по которым пока не удается получить удовлетворительного решения.

ВВЕДЕНИЕ

Продвижение в решении проблемы зарождения земной биосферы так или иначе зависит от ограничений, следующих из моделей образования планет. Идеи межзвездной или межпланетной панспермии или самозарождения биоты на Земле требуют оценок астро-физико-химической обстановки на нашей планете в первые полмиллиарда лет. Модели ранней Земли основываются на нашем понимании процессов, приведших к формированию Земли и планет. Предлагавшиеся модели «огненно-жидкой» и конкурентной «холодной» первичной Земли базировались на тех или иных космогонических представлениях, появлявшихся после знаменитой гипотезы Канта-Лапласа.

В 1970-1980 гг. благодаря совместным усилиям российской (московской), японской, американской и европейской школ был построен так называемый «стандартный сценарий происхождения Солнечной системы» (описание см. Hayashi et al., 1985; Витязев и др., 1990; более поздние обзоры, включая Wikipedia). В статье эта модель представлена схематически, как часть новой более общей модели (см. ниже рис. 6).

Первый раздел посвящен обобщенному подходу к исследованию происхождения околозвездных протопланетных систем в гигантских молекулярных облаках. Здесь мы обсуждаем разные возможности образования Солнечной системы (СС), формирующейся в тесном окружении других молодых звезд (Pechernikova, Vityazev, 2007). Здесь же объясняются новые понятия — плазменные оболочки газопылевых дисков около молодых звезд — «ионоторы» и «магнитоторы». Поскольку к системе уравнений грави-гидродинамики добавляется система уравнений Максвелла для ионизованной среды, модификация стандартной модели названа нами «грави-магнито-гидродинамической моделью». В этом разделе, по сути, предлагается принципиальное решение старой (весьма острой) проблемы о потере первичным газопылевым диском более 90 % его первоначальной массы.

Во втором разделе дается краткое описание «стандартного сценария формирования планетной системы Солнца». Приводятся новые оценки по уточненной формуле для скорости роста Земли. Полученная короткая шкала роста твердых планет на ранней стадии позволяет интерпретировать показания Hf-W-геохронометра как указание на плавление и дифференциацию в родительских планетезималях в первые десятки миллионов лет жизни СС. С другой стороны, подтверждена оценка общей длительности завершающего этапа роста Земли — 100 млн. лет.

В третьем разделе приводится описание агрегированной модели ранней Земли. Мы продолжаем придерживаться полученного нами ранее вывода о том, что Земля не была никогда ни «огненно-жидкой», ни «холодной». Нагреваемая ударами падающих тел, массы крупнейших из которых могут на заключительных стадиях составлять до 1 % от массы планеты, растущая планета временами имеет гигантские очаги расплавов. В этих гигантских подземных, но все же локальных, морях магмы должна происходить дифференциация. При определенных условиях, описываемых критерием «теплового взрыва», энергии гравитационной дифференциации становится достаточно, чтобы локальная дифференциация перешла в глобальную. Обсуждаются процессы формирования примитивных атмосферы и гидросферы. Здесь же приводится сводная схема блоков, составляющих референц-модель ранней эволюции Земли.

В Заключении приводятся остающиеся нерешенными основные проблемы моделей ранней Земли. Имея в виду общую направленность сборника, мы сочли необходимым ограничиться минимумом формул, отсылая читателя к соответствующим публикациям.

ФОРМИРОВАНИЕ ПЛАНЕТНЫХ СИСТЕМ В ТЕСНОМ ЗВЕЗДНОМ
ОКРУЖЕНИИ

Астрофизические и космохимические аспекты

Одним из важнейших открытий за последние менее чем полстолетия является обнаружение множества планетных систем около других звезд в Галактике. К настоящему времени найдено более 300 экзопланет около ~100 молодых звезд.

Более того, обнаружены и исследуются тысячи газопылевых, вероятно, протопланетных, дисков около молодых звезд. Таким образом, спустя два с половиной столетия после знаменитых работ Канта-Лапласа, идея о происхождении планет из околосолнечного газопылевого диска обрела экспериментальное подтверждение. Да, у нас нет возможности своими глазами увидеть раннюю Солнечную систему. Но мы можем наблюдать рождение планетных систем в современной Галактике около звезд солнечного класса. Можно сказать, что мы не знаем, каким был этот дуб в молодости, но мы теперь видим деревья в нашей дубраве на разной стадии их жизни.

В последние два-три года мы пытаемся сделать следующий шаг: восстановить астрофизическую обстановку вблизи формирующейся Солнечной системы. Понимание того, что звезды не формируются поодиночке, а возникают группами в огромных туманностях типа знаменитой туманности Ориона, было достигнуто более полувека назад. Однако последствия такого совместного рождения планетных систем для нашей Солнечной системы по сути остаются не исследованными. Здесь имеется несколько важных подпроблем. Первая — как долго наша СС находилась в туманности и, вероятно, затем в звездном скоплении типа

Рис. 1. Схема протопланетного диска (проплайда) (а) и артвидение протопланетного диска, обдуваемого звездным ветром близкого голубого гиганта (б).

Плеяд или Гиад (без газопылевого окружения)⁰ Какие космохимические и динамические следствия тесного звездного окружения имели место для молодой СС?

В связи с первым вопросом заметим, что характерные времена жизни туманностей, в которых рождаются звезды с планетными системами (и без них), порядка десятков миллионов лет. Голубые гиганты своим звездным ветром рассеивают газо-пылевую составляющую, и на месте туманности остаются звездные скопления. Звездные скопления распадаются гораздо медленнее, и известны NGC 752, М 67, Гиады, Ясли, существующие от первых до многих сотен миллионов лет.

В связи со вторым вопросом следует обратиться к характеристикам астрофизической обстановки у наблюдаемых протопланетных дисков в молодых туманностях. На рис. 1 показана схема типичного протопланетного диска около молодой звезды солнечного класса, который испытывает сильнейшее влияние звездного ветра, рентгеновского и УФ излучения от близкого голубого гиганта. Говоря коротко, в молодую СС с уже сформировавшимися крупными телами и протопланетами в первые десятки миллионов лет после образования Солнца может по-прежнему поступать свежий материал от окружающего звездного населения. По массе в сравнении с массой протопланетного диска это может быть и незначительная доля. То есть на химический состав молодой СС влияние привноса вещества может быть пренебрежимо малым.

Если инжектируются свежие радионуклиды короткоживущих элементов (см. табл. 1), по дочерним которых мы хронометрируем ранние стадии эволюции СС, это может быть существенно! Кроме того, если в молодой СС уже есть сформировавшиеся планеты и другие меньшие тела (астероиды и кометные ядра), помимо потока солнечного ветра и солнечного излучения может быть важным звездный ветер и космические лучи из ближайших окрестностей, действующие на приповерхностные слои.

Напомним, что космические лучи — это массивные частицы, протоны, ядра гелия и т. д., фотоны (гамма, рентген, ультрафиолет и ИК). Общая плотность энергии ~1 эВ/см³. Для сравнения — плотность светового излучения звезд ≈ 0.3 эВ/см³. Во время формирования СС в туманности плотность излучения могла быть на два-три порядка выше.

Итак, мы считаем важным обратить внимание на возможность перенормировки космо-и гео- хронометров ранних стадий эволюции СС.

Таблица 1. Короткоживущие нуклиды в ранней Солнечной системе (Goswami, Vanhala, 2000)

SN — сверхновая: N — новая: AGB — асимптотическая ветвь гигантов; WR — типа Вольфа – Райе: ^b — продукты спонтанного деления: ^c — необходимо подтверждение.

Дискуссия по пленарному докладу В.Н. Снытникова «АСТРОКАТАЛИЗ — АБИОГЕННЫЙ СИНТЕЗ И ХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ НА ДОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЭТАПАХ ФОРМИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ»

Председательствующий А.Ю. Розанов

В.А. Царёв: Мне кажется очень привлекательной идея космического происхождения жизни. Вы в качестве исходного объекта принимаете газово-пылевое облако, в котором есть гранулы и прочее.

В.Н.С.: Исходным считается протопланетный аккреционный диск на стадии примерно от полумиллиона до миллиона лет, когда протозвезда еще набирает массу.

В.А. Царёв: Мое замечание сводится к следующему. Надо начинать с облака, оно обладает гравитационной устойчивостью, чтобы оно превратилось в диск, его надо встряхнуть. Такая встряска достигается при взрыве сверхновой в относительной близости. Мне кажется, стоит привлечь эту стадию в Вашу модель, потому что Вы одновременно получите еще одну вещь — при взрыве сверхновой испускается большое число нейтронов, нейтроны распадаются, возникает поток поляризованных электронов, которые облучают протосолнечное облако, действуя вместе с ударной волной, тем самым можно получить хиральную асимметрию первичной органики.

В.Н.С.: Вот что здесь мне не совсем нравится. Характерные времена в наших моделях связаны с временами протекания химических реакций, это очень короткие времена (от нескольких часов!) по сравнению с теми интервалами, которыми оперируют большинство астрофизиков. Это времена нескольких десятков оборотов. За это время проходится стадия от размеров частиц порядка сантиметра до тел величиной несколько километров и более. Времена у нас очень маленькие.

В.А. Царёв: Но радиационный фактор действует практически мгновенно, электроны летят со скоростью света.

В.Н.С.: Да, но времени-то прошло уже почти миллион лет с момента взрыва сверхновой, который дал толчок для формирования Солнечной системы.

В.А. Царёв: Тогда есть вторая возможность — это облако, в котором уже есть органика, и оно готово распасться на глыбы, оно еще облучается взрывом другой сверхновой — они же происходят время от времени в Галактике. Иначе не решается вопрос с хиральностью.

В.И.С: Может быть…

Н.Л. Добрецов: Вашу модель нужно верифицировать. Верификация всех таких моделей проводится на материале метеоритов. Пытались ли Вы как-то это сделать? По метеоритам получается, что в центре облака был чистый газ, по периферии — только пыль, в пограничной области — смесь пыли и газа. Ваша модель должна соответствовать данным по метеоритам. Ничего другого, кроме метеоритов, у нас нет.

В.Н.С.: То, о чем Вы говорите — это одна из более поздних стадий существования протопланетного диска. Стадия, которую мы рассматриваем — примерно от первого полумиллиона лет до одного миллиона лет. В это время есть еще и газ, и твердое вещество, они вместе, газ является носителем, который несет твердое вещество в центр. Это все — еще до метеоритов.

Н.Л. Добрецов: Бомбардировка космическими телами древней Земли продолжалась около 600 миллионов лет, Луна образовалась от удара гигантского метеорита, часть Земли была уничтожена, там ничего первичного не осталось. Вот когда бомбардировка кончилась четыре миллиарда лет назад, тогда и жизнь зародилась. Затем, Вы не объясняете возникновение полинуклеотидов, а более примитивная органика не так существенна. Поэтому Ваша модель мне кажется настолько упрощенной, что ее трудно куда-либо применить.

В.Н.С.: Я все время подчеркиваю, что ее можно применить только там, где она применима — на стадии, когда происходит накопление органического вещества.

Н.Л. Добрецов: Но как ее можно верифицировать, где найти остатки того, что в это время образовалось? Вы говорите, метеориты не подходят. Между тем, 99.9 процентов метеоритов имеет один возраст — 4.56 миллиарда лет.

В.Н.С.: Правильно, он более поздний. Что касается верификации этой модели. Есть огромное количество астрофизических данных — исследование облаков, зарождающихся протозвезд с их дисками, на основе которых можно верифицировать эти модели. Главное — все синтезы произошли в первый миллион лет.

Н.Л. Добрецов: Но почему удлинились нуклеотидные цепочки? Кирпичики — добио-логический синтез — могли возникнуть, а синтез длинных цепочек стал возможен лишь на более поздней стадии, когда появилась вода.

В.Н.С.: Мое утверждение таково — все синтезы произошли быстро.

A. С. Спирин: Без воды не могло быть РНК и ее структур. Никаких молекул нуклеиновых кислот без воды нельзя сделать. Мир РНК в Вашей модели оказался до воды.

B. Н.С.: Я не утверждал, что не было воды до мира РНК. Я сказал, что переход от мира РНК к планете бактерий произошел не тогда, когда появилось немного воды (сухо/чуть влажно), а тогда, когда ее стало огромное количество.

A. С. Спирин: Для мира РНК нужно столько же воды, сколько и для бактерий, а то и больше.

B. Н.С: Можно полагать, что вода была.

A. С. Спирин: Есть еще один момент. Когда Вы рисуете свой «химический завод», это никакого отношения к периоду мира РНК не имеет, потому что там выходы — не одна сотая процента, а девяносто процентов, начиная с появления рибозимов и так далее. Отходов таких нет. Когда начинается биологический синтез, выход повышается до девяноста процентов.

B. Н.С: Поэтому я поставил там вопросы. Я обязательно внесу коррективы.

А.Б. Макалкин: Соотношение углерода в кометах к таковому даже в самых богатых углистых хондритах — пять-десять к одному, то есть метеориты действительно недополучили углерод. Если бы роль органики была так велика, это было бы очень важно для космогонических моделей образования планет, так как там существует проблема быстрого перехода от сантиметровых размеров частиц к размерам планетезималей. В этом переходном интервале размеров уже не работает механизм физического слипания и еще не работает самогравитация планетезималей. Добавление значительного количества органики было бы большим подспорьем для теории образования планет в преодолении этого барьера из-за повышенной адгезионной способности ряда природных органических соединений. Но имеются сомнения в связи с относительно малым содержанием органики в метеоритах по сравнению с кометами.

А.Ю. Розанов (председательствующий): С углистыми хондритами не все так просто.

A. Б. Макалкин: Да, летучая органика в метеоритах могла быть потеряна на более поздних стадиях, во времена ударов крупных тел.

B. Н.С: Это совсем другие времена и совершенно другие процессы.

A. В. Витязев: Какая часть газа собралась в звезды? Должно быть менее одного процента.

B. Н.С: Согласен.

Обратившись в Медицинский Центр Вы сможете продлить медицинскую книжку или, при отсутствии оной, получить ее всего за один день. За более подробной информацией о продлении медицинской книжки обращайтесь на сайт sandoctor.info или по телефону (495) 543-57-06.

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!

Следующий выпуск вышеупомянутого журнала за тот же год (Журнал ВХО, 1980. № 5) был посвящен проблемам химической промышленности и науки. В этом выпуске рассматривалось развитие химических технологий, создание химических заводов для многотоннажных синтезов и небольших производств, задачи разработки новых и модернизации действующих реакторов, их классификация, защита окружающей среды. Используя изложенные в этом журнале подходы, попытаемся посмотреть глазами химиков-технологов на научную проблему о происхождении жизни (рис. 4). Зададимся простым вопросом. Если у нас есть готовая продукция в виде биополимеров известного (CH₂0)_l06(NH₃)₁₆H₃P0₄ состава на поверхности Земли, то какой я должен создать химический завод, сколько должен взять исходного сырья, как я должен организовать выброс отходов и их утилизацию для получения определенного биогеохимиками количества продукции. Не поддержания на Земле на длительных временах в тысячи и миллионы лет заданной массы биополимеров определенного состава в био-, гео-и фотохимических циклах в биоценозах, а именно их получения. Нужно еще учесть, что есть времена «выпуска заводом продукции» и есть химические времена, времена пребывания реагентов в реакторах и передвижения реагентов из реактора в реактор.

Рис. 4. Происхождение жизни как первичное производство биополимеров.

Эти времена синтезов органических соединений составляют сутки, максимум, что можно себе представить — годы, десятки, но не тысячи лет. За тысячи и более лет скорее происходит деструкция, разложение органических соединений. Далее, один из важнейших вопросов — куда мы должны девать отходы? Не менее важный вопрос с точки зрения реакторов и химических технологий — как подводится, используется и отнимается энергия в комплексе эндо- и экзотермических реакций? Такая постановка вопроса не рассматривалась ранее, не исключение и упомянутые выпуски журнала ВХО им. Д.И. Менделеева, посвященные происхождению и эволюции жизни. На мой взгляд, это перспективный методологический подход к изучению проблемы абиогенного синтеза пребиотического вещества, поскольку происхождение жизни выходит за рамки последних 3.9 млрд. лет, которые геологически документированы для Земли. Кроме того, химические технологии требуют как экспериментальную демонстрацию своих процессов последовательно на лабораторном, пилотном и опытно-промышленном уровнях, так и проведения количественных инженерных расчетов. Все это возвращает далекие от реальности идеи и фантазии на прокрустово ложе базовых законов сохранения в балансовых соотношениях.

Итак, «проблема химического завода» — рис. 5. На «планете бактерий» (Заварзин, 2008) углерода биологического органического вещества несколько единиц на 10¹⁸ г. Если я добавлю сюда воду, азот, то получаю число примерно 10¹⁹ г состава ((CH₂0)_l06(NH₃)₁₆H₃P0₄)_n. Л.М. Мухин (1980) утверждал, что выходы в синтезах нуклеотидов, Сахаров и других важных компонентов составляют значения в 0.01 % по массе. Обычно выходы полинуклеотидов при переходе к «миру РНК» также указываются в 0.01 %. Мной не найдены литературные сведения о возможных выходах продукции при переходе от «мира РНК» к простейшим клеткам и далее к «планете бактерий». И я принял (но здесь требуется уточнение, стоит вопрос) то же самое значение 0.01 % по массе, что соответствует двум стадиям самоорганизации в этом переходе. А теперь собираем все порядки. Итого на трех основных этапах выход составил 10^-12, двенадцать порядков! Для того чтобы на поверхности Земли получить 10¹⁹ г бактерий, в качестве сырья на входе «химического завода» нужно иметь 10³¹ г углерод-азот-кислородного сырья. А если по космической распространенности элементов я добавлю еще два порядка по массе водорода и гелия, то необходимое общее количество сырья на входе «завода» 10³³ г, что всего в два раза меньше массы современного Солнца. Число астрономическое.

Рис. 5. Проблема «химического завода».

В учебниках по химическим технологиям написано, что нужно делать, чтобы уменьшить это число, количество исходного сырья. Для этого мы должны кардинально увеличить выходы особенно на первых стадиях, решив как минимум две проблемы. Во-первых, найти наиболее эффективные синтезы с катализаторами. И, во-вторых, создать для них экономичные реакторы, которые еще должны быть согласованы по массо- и теплообмену по всей цепочке синтезов. Мы должны согласовать абсолютно всю цепочку синтезов от сырья из простейших соединений до конечной продукции клетки и «планеты бактерий». Если у нас возникнет затор в одном хотя бы месте, то это будет означать, что вся цепочка, весь «завод» не работает. В этом случае на временах в миллиарды лет заведомо происходит как деструкция наработанных полупродуктов, так и разрушение самого «завода». Что еще мы можем сделать с точки зрения химических технологий? Мы можем сменить исходное сырье и вместо инертных, трудно активируемых молекул — СН₄, СО₂, N₂, — использовать реакционноспособные соединения. Тогда их нужно найти. И зададим еще один, возможно, самый главный, или ключевой, вопрос. А может, и нет ничего страшного в этом числе 10³³ г, и в происхождении жизни действительно участвовало вещество, по массе сравнимое с Солнцем? Положительный ответ переводит проблему происхождения жизни из геохимии в астрохимию и астрофизику.

Современный космохимический ответ на вопрос об исходных высоко реакционноспособных соединениях на первый взгляд очень прост. Даже вся Земля, а не только ее атмосфера и поверхность с привнесенным метеоритным дождем, не имела и не имеет указанной массы исходного вещества для первичного абиогенного синтеза органических соединений. А вот молекулярные облака и околозвездные диски сразу предоставляют необходимое сырье. В его состав помимо метана, воды, диоксида углерода входят многие активные и в обычных условиях неустойчивые соединения, которые идентифицированы астрофизиками и астрохимиками. Среди этих соединений можно отметить цианводород, формальдегид, аммиак, монооксид углерода, формамид и другие молекулы и многие радикалы. Поэтому здесь не надо придумывать никаких молний, вулканов и тому подобных плазмохимических, электродуговых, фото- и прочих реакторов с их экстремальными условиями, к примеру, расплавленных лав или суперкритических сред для активации инертных соединений. А при этом — с разрушением сложных молекул и стерилизацией среды. Это примерно так же, как нас заставили бы производить этилен из метана, вместо того, чтобы воспользоваться другим источником сырья — этаном в составе добываемого природного газа.

Если волею судеб Вас занесло на адриатическое побережье Балканского полуострова, то Вам определенно точно понадобиться карта Черногории туристическая, которая поможет Вам не заплутать, прогуливаясь по живописным улочкам этого европейского государства.

1.3. Узкие овраги на марсианских склонах

Перемещение больших масс грунта — по-видимому, тонких фракций песка по склону, происходящее в современную эпоху — доказывает и прекрасно иллюстрирует рис. 8, где в нижней части снимка видны размытые валы осыпавшегося материала. Ширина участка на снимке около 3 км. Валы сыпучего материала огибают остатки прежнего рельефа, оставляя обнаженный склон. Такие же осыпи можно видеть и в других районах Марса; они известны со времен миссии «Viking» (1976 г.).

Рис. 7. Термодинамические условия существования льда, пара и воды на Марсе. Кружок в центре соответствует давлению 6.1 мб. Условия существования воды в жидком виде на поверхности Марса отражает небольшая центральная часть диаграммы с горизонтальной штриховкой. Структура диаграммы, соотношение шкал давления/глубины и среднегодовые температуры для широт 30° и 70° по: (Stewart, Nimmo, 2002).

Рис. 8. Осыпи грунта и нитевидные овраги (показаны стрелками) на склоне кратера на Марсе (424°S, 158.2°W). Овраги похожи на следы земных горных рек, но в отличие от земных оврагов, они не расширяются, а сужаются вниз по склону (MGS МОС Release No. МОС2-320, NASA/JPL/MSSS).

Но наряду с осыпями сыпучего материала, на рис. 8 можно видеть не отмечавшиеся прежде (из-за недостаточного разрешения) образования. Это тонкие нитевидные километровые овраги или борозды, спускающиеся по склону (показаны стрелками на рис. 8). Их ширина в узкой части составляет всего десятки и единицы метров. Овраги очень похожи на промоины земных горных рек или ручьев, но в отличие от земных оврагов, они не расширяются, а сужаются вниз по склону. Поэтому они не могли возникнуть под действием камнепада или крупномасштабного селя. Тем более они не могли образоваться под действием пылевых оползней, которые засыпают все овраги. Зато именно жидкие потоки (воды или какой-то другой жидкости) легко могли бы образовать такие промоины. В работах (Maiin, Carr, 1999; Malin, Edgett, 2000) указывается именно на источники грунтовой воды как среды, формирующей овраги, промоины и другие образования такого рода на Марсе. По их данным, узкие овраги или протоки достаточно часто встречаются в полосе широт 30°N-70°S. Они морфологически подобны склоновым руслам земных рек и не перекрываются более поздними образованиями (такими как песчаные дюны). Ширина (и, вероятно, глубина) оврагов близка к 10-20 м, а протяженность составляет от нескольких сотен метров до километров (Malin, Edgett, 2000). Авторы еще одной работы на ту же тему (Palermo et al., 2001) обработали сотни снимков камеры МОС и также получили доказательства современных следов грунтовых вод. Их источники, согласно обеим работам (Malin, Edgett, 2000; Palermo et al., 2001), находятся на крутых склонах долин и кратеров, на глубине 150-500 м под уровнем окружающей поверхности. Но по данным второй работы (Palermo et al., 2001) широта районов, где в основном сосредоточены источники, лежит в пределах от 30°S до 30°N.

Рис. 9. Склон кратера с протоками на Марсе (39°S, I66°W). В правой нижней части снимка бассейн шириной около 600 м (MGS МОС Release No. МОС2-320, NASA/JPL/MSSS)

На рис. 9 представлен другой район с подобными оврагами. Их ширина от единиц метров до 10-20 м. Они также не расширяются, а сужаются вниз по склону. На первый взгляд, это кажется парадоксальным, если овраг образован потоком. Но можно предложить простое объяснение: если грунтовая вода действительно образовала ключ и поток вышел на склон и устремился вниз, то в условиях Марса масштаб развивающейся промоины будет зависеть, прежде всего, от температуры поверхности и температуры потока.

Описываемые Э. Палермо и др. (Palermo et al., 2001) объекты обнаружены, в основном, в полосе широт ± 20-30°. Если температура поверхностного слоя составляет типичные для экваториальной зоны Марса 240-260 К или ниже, поток, спускаясь по склону, должен постепенно впитываться в сухой морозный грунт и замерзать. Образуется ложе канала из промерзшего грунта, по которому поток устремляется дальше, впитываясь, наращивая промерзшее ложе и охлаждаясь. Поэтому, в отличие от земных склоновых рек, потоки на Марсе сужаются, спускаясь по склону. При переходе воды с температурой 0 °С в фазу льда выделяется почти 80 ккал/кг. Теплоемкость грунта близка к 0.2, поэтому промерзшее ложе потока может получиться достаточно толстым, если ключ существует достаточно долго. Как ведет себя грунт Марса при увлажнении и сколько при этом поглощается тепла, точно не известно, но баланс отдаваемого тепла должен включать текущие теплопотери в образующемся ледяном ложе канала и более медленные процессы излучения и отдачи тепла в атмосферу. Температура истекающей воды также неизвестна, но она не может быть высокой, и, как показано выше, энтальпия воды не играет существенной роли.

Часто утверждается, что жидкая вода на поверхности Марса немедленно испаряется. Это недоразумение. Роль испарения пренебрежимо мала и ее нетрудно оценить. Пусть давление р в данном районе составляет 8 мб, а температура кипения Т(р) = 4 °С, согласно рис. 7. При температуре T_L потока, например, 10 °С, истекающая вода должна кипеть, с уменьшением ее энтальпии. Какая-то доля потока будет потеряна при испарении с понижением его температуры до Т_s(р) = 4 °С (или до 0 °С при давлении 6.1 мб) и с прекращением кипения. Поскольку теплота парообразования составляет q = 539 ккал/кг, а теплоемкость с_aq = 1 ккал/(кг °С),

N =[T_L-T_s(p)]c_aq/q_v.

Роль испарения в этом примере сведется к тому, что потерянная часть N составит 1.1 %. Таким образом, сколько-нибудь значительная часть истекающей воды испариться не может.

Рис. 9 представляет склон кратера, богатого склоновыми протоками. В нижней части снимка находится изрезанной формы бассейн. Внешняя граница бассейна выделяется светлой окантовкой. Вероятно, это ледяная кромка. Поверхность бассейна, по сравнению с примыкающей поверхностью, гладкая; возможно, это лед. В верхней (по снимку) части бассейна видны два-три следа, соответствующие многократному понижению уровня поверхности. Сток воды через края бассейна образовал второй, внешний контур (в нижней части снимка). Два таких же, но меньших по размерам контура можно видеть в левой части снимка. Источников жидкой фазы, пополняющих бассейн, на снимке видно несколько. Вероятно, главный источник находится справа над бассейном. Это вытянутое образование с шестью на-правлеными вниз отростками. По-видимому, вода стекает вдоль отростков. Более мелкие структуры того же вида видны слева над бассейном и, вероятно, связаны с наиболее широким протоком вдоль склона. Форма промоин на рис. 9, соответствующая крутому склону, указывает, что поток должен нести с собой значительное количество грунта. Горизонтальная ось снимка около 1500 м. Размер бассейна около 600 и, а площадь около 0.3 км².

Рис. 10. Протяженность следа потока на склоне Марса (см. рис. 9) достигает 6 км. Для земных грунтов потемнение соответствует увлажнению. Предположительно, темный след относится к более позднему источнику (MGS МОС M0807686b. NASA/JPL/MSSS).

Никакие песчаные запруды на Марсе не смогли бы удержать большие массы воды, даже с учетом втрое более низкой силы тяжести на планете. Но если грунт очень холодный, поступающая вода, впитываясь в морозный грунт, могла бы быстро создать чаши изо льда и промерзшего грунта, обладающие определенной прочностью. По существу, это тот же предложенный выше механизм, который объясняет сужение протоков вдоль склона.

Возраст образований на рис. 9 не может быть большим. Вполне вероятно, что комплекс источников и бассейн действуют в наши дни. На это указывает чистая (без отложений пыли), насколько можно судить по снимку, кромка бассейна, примыкающий к нему второй контур и четкие нитевидные протоки на склонах. В ряде случаев наблюдаются следы потоков, уходящие на несколько километров, а также повторно появляющиеся свежие следы, пересекающие прежние истечения (рис. 10). Подобных образований найдено много (Ксанфомалити, 2003). Жидкая вода локально появляется во многих точках планеты, спорадически или даже периодически, хотя в целом бюджет жидкой воды на Марсе весьма ограничен.

1.4. Поиск следов жизни на Марсе: заключение

Итак, длительные поиски обитаемости Марса положительных результатов пока не дали. На какой-то стадии исследований утверждалось, что важным шагом было бы обнаружение на Марсе воды в жидкой фазе. Но и после этого задача осталась столь же далекой от разрешения, а никаких следов жизни найти не удается.

Это следует считать удивительным, так как в последние десятилетия было доказано, что планеты постоянно обмениваются осколочным материалом (Melosh, 1984), образующимся при ударах крупных метеоритов. Результаты поиска следов жизни в марсианских SNC метеоритах широко известны (McKay et al., 1996). Материал с поверхности Земли в эпоху интенсивной метеоритной бомбардировки также выбрасывался в космос в виде вторичных метеоритов и нес в себе элементы земной биосферы. Поэтому метеориты, подобные марсианским SNC, попадали не только с Марса на Землю, но и с Земли на Марс. Если учесть, что присутствие микроорганизмов на земных образцах неизбежно, а на Марсе следы их не находят, уместен вопрос: не обладает ли Земля каким-то исключительным свойством, которое нас окружает, но которого мы не замечаем?

Дискуссия

по пленарному докладу А.С. Спирина «ДРЕВНИЙ МИР РНК»

Председательствующий А.Ю. Розанов

А.Д. Альтштейн: Как Вы решаете проблему хиральности?

А.С.С.: Не решаю. Обратите внимание, я не рассматриваю вопрос абиогенного синтеза мономеров, а хиральность — это проблема того времени. Хиральность относится к мономерам, к полимерам она имеет отношение уже с точки зрения закрученности спирали вправо или влево.

И.Л. Доврецов: Гипотеза «пересыхающих луж» — эти условия могли перемежаться с другими, где все бурлило и кипело.

А.С.С.: Важно, чтобы в каждой «луже» происходили циклы.

Н.Л. Доврецов: Может рассматриваться подземное происхождение жизни или на дне океана (черные курильщики).

А.С.С.: Мне больше всего нравятся промежуточные варианты. В любом случае, поверхность имеет одно колоссальное преимущество — разнос материала. Инновации в одной «луже» быстро становятся достоянием другой «лужи». Молекулы при высыхании еще и в атмосфере переносятся. Но в принципе, возможны некие подземные инкубаторы, с более стабильной температурой, отсутствием смены дня и ночи.

Г.А. Заварзин: У меня экологические замечания. Я боюсь, что Александр Сергеевич не делает различий между лужей и прудом. Пруд образуется за счет латерального переноса влаги, а лужа имеет дождевое происхождение, в результате в луже всегда создаются ультрапресные омбротрофные условия, где соответствующих ионных условий быть не может. Альтернативой для Вас является почвенный раствор, который как раз составляет переменную влажность и высыхание. Слово «почвы» я использую в смысле «soil».

А.С.С.: Дело в том, что для того, чтобы происходил SELEX, ионные условия не столь уж критичны. По отношению к ионным условиям РНК довольно нетребовательна, была бы матрица, это ведь не микроорганизмы. Да, рН должен быть 7, плюс-минус 0.2-0.3. Ионы же. особенно анионы, не так важны, а общая ионная сила может быть от 0.01 до 0.5.

Г.А. Заварзин: Когда Вы говорите, что нужна высокая скорость размножения рибозимов, я в этом не уверен и думаю, что, может быть, выживание важнее скорости размножения.

А.С.С.: Я сказал не о скорости размножения, я сказал о скорости эволюции. А скорость эволюции зависит от количества циклов.

М.Я. Маров: Мое замечание касается известного геохимического и связанного с ним водного парадокса. Расцвет мира РНК происходит сразу после завершения максимальной фазы бомбардировки Земли и других планет земной группы. Уже в протопланетном диске, в горячей зоне формирования этих планет при температуре 800-1000 К, с неизбежностью возникает сильное фракционирование летучих и обеднение летучими, включая вероятный дефицит воды. Соответственно, возникает парадокс происхождения земной атмосферы и гидросферы. В Институте Келдыша нами была развита концепция возможного притока значительного объема летучих за счет миграции ледяных тел типа комет из внешних областей Солнечной системы, прежде всего, из пояса Койпера. Компьютерное моделирование показало, что количество воды, которое может быть приобретено за счет этого механизма, соизмеримо с объемом земной гидросферы, или даже немного превышает его. Практически те же оценки получаются для Венеры и Марса. Поэтому мне очень симпатично Ваше предположение о том, что должен быть какой-то внешний источник, который мог компенсировать дефицит летучих. Получается вполне естественное объяснение — существовал некий привнесенный извне водный резервуар, который был составляющим элементом гетерогенной аккреции Земли на завершающей стадии аккумуляции и, возможно, ее предбиологической эволюции.

СВ. Рожнов: Все-таки, мир РНК был миром живых существ или миром, обогащенным особым типом химических соединений?

А.С.С.: А Вы можете дать мне определение жизни?

А.Ю. Розанов (председательствующий): Нет, этим сейчас не нужно заниматься…

А.С.С: Но задан вопрос, ответ на который зависит от этого определения,

СВ. Рожнов: Можно подойти с другой точки зрения. Когда появилась эукариотная биосфера, она не заместила собой прокариотную, а наложилась на нее. А прокариотная биосфера еще раньше наложилась на мир РНК?

A. С.С.: Наложилась полностью. Мир РНК живет в нас, он стал внутриклеточным. Подавляющая часть разновидностей РНК — некодирующие, с неизвестными нам функциями. Теперь мир РНК действительно в тепличной обстановке существует в каждой нашей клетке.

B. PI. Снытников: Вы сказали, что для того, чтобы провести синтезы, не нужно много времени, все это проходит в течение суток. И все-таки Вы затребовали 100 миллионов лет на эти синтезы. Как соотносятся скорость этих реакций и эти 100 миллионов лет?

А.С.С.: Для того, чтобы перейти от колонии РНК к клетке, нужно очень много чего еще сделать, проэволюционировать. РНК копируется быстро — из одной молекулы за один час создается 10¹² копий. Но нужно сформировать структуры, мембрану — нужна клетка. Четыре миллиарда лет назад мы встречаем уже бактериальные клетки.

А.Ю. Розанов: А какая разница — 100 лет или 100 миллионов лет?

А.С.С: 100 лет недостаточно.

Н.Л. Доврецов: Чтобы создать мембрану, нужны миллионы лет.

А.Ю. Розанов: Но какой-нибудь критерий измерения времени можно предложить?

Н.Л. Доврецов: Можно только сказать, что многократно больше, чем первичный синтез и отбор.

А.Б. Макалкин: Увеличение амплитуды колебаний температуры замедлит процесс синтеза? Почему интервал от 20 до 40 °С, а не от 0 до 50?

А.С.С: При 50 °С сильно (на порядок) увеличивается скорость деградации полирибонуклеотидов. При низких температурах реакции сильно замедлятся. При 20 °С замораживается плавление спиралей РНК.

Л.В. Ксанфомалити: Следует ли думать что-нибудь о другой, неуглеродной форме жизни?

А.С.С: Раньше этот вопрос много обсуждался, в основном по поводу кремния. Но пока мы ничего об этом не знаем, как можно это обсуждать. Есть факт — углеродная жизнь. Если найдется другая форма, будем спекулировать.

АД. Альтштейн: С моей точки зрения, мир РНК никогда не существовал, это идея, ведущая в тупик. Самый главный момент в происхождении жизни — это не образование различных олигонуклеотидов и полинуклеотидов, самое главное, чтобы образовался ген — кодирующий, самовоспроизводящийся и способный эволюционировать. Такой ген — это один полинуклеотид с одной полимеразой, которая должна быть процессивной. Сейчас показано экспериментами по РНКзимам, что действительно возникают полимеразы, но все они дистрибутивные, это значит, что для того, чтобы они осуществили синтезы, их должно быть сразу много, а это утопия. Одна молекула процессивной полимеразы, если она возникла с кодирующей се матрицей, будет эту матрицу размножать, и такая система — один ген, одна полимераза — это и будет первое живое существо, способное к самовоспроизведению и эволюции. Так вот, по тем моделям, которые предлагает гипотеза мира РНК, возникновение такой системы невозможно. Короткие (до ста нуклеотидов) молекулы РНК не могут быть процессивными полимеразами. Нет ни одного примера процессивной полимеразы на основе чистой РНК. Рибосома, которая является фактически процессивной полимеразой (она полимеризует аминокислоты), состоит из РНК и белков. Не исключено, что большие молекулы РНК (сотни нуклеотидов) могут свернуться так, что будут двигаться по матрице, синтезируя комплементарную нить. Но это значит, что сразу должен образоваться длинный ген и длинная полимераза. А здесь вступает в действие другой запрет — хиральность. До ста нуклеотидов еще можно как-то проскочить, какие-то редкие молекулы могут образоваться, можно найти какой-нибудь механизм. Но при образовании молекул из сотен или тысяч нуклеотидов невозможно преодолеть правило хиральности (стереохимическую ингибицию синтеза полинуклеотида). Таким образом, этот первый организм, состоящий из гена и полимеразы, не мог возникнуть на основе модели мира РНК. Мы имеем здесь ситуацию, похожую на ту, которая была с теорией Опарина. Она была очень важной, на ее основе возник очень большой экспериментальный материал, она принесла много знаний, но она не могла в принципе объяснить происхождение жизни, так как не учитывала гены. Гипотеза мира РНК также дала очень много, особенно в изучении рибозимов, она учитывает необходимость объяснить возникновение генов, но не может объяснить происхождение первого гена, а значит — первого живого организма. Сообщество полинуклеотидов, необходимое для возникновения первого живого организма по гипотезе мира РНК — это совершенно неправдоподобная идея. Без процессивных полимераз оно возникнуть не могло. Следует также отметить, что гипотеза мира РНК не дает правдоподобного объяснения переходу от РНКовых организмов к ДНК-РНК-белковым клеткам. Не объясняется возникновение генетического кода и трансляции даже на уровне правдоподобной гипотезы. Поэтому гипотеза мира РНК не может приблизить нас к пониманию механизма происхождения жизни. Я думаю, что рибозимы возникли на ранних этапах эволюции, но уже после возникновения протоклеток. Первичными же ферментами были белки, а первые организмы имели нуклео-протеидную природу.

А.С. Спирин: Думаю, что Вы не совсем правы, так как до сих пор все, кто работает с рибозимами, пытались получить лишь каталитическую активность. Однако, когда мы имеем дело с рибосомой или с полимеразой, надо по-другому ставить эксперименты. Надо, чтобы полимераза была полимеразой, то есть обладала не только каталитической активностью, но и активностью конвейерной молекулярной машины, как, впрочем, и в случае с рибосомой. Действительно ли нужны длинные молекулы — не знаю, никто этого не проверял. Для рибозимов минимальные размеры находятся в пределах ста нуклеотидов. Сейчас исследователи приходят к тому, что рибосома — это машина конвейерного типа, и именно поэтому она должна быть по крайней мере двух- трехкомпонентной. При этом вся структура и все функции рибосомы основываются на ее молекулах высокополимерной РНК, а рибосомные белки играют лишь сугубо подсобную роль. Думаю, что если начать ставить направленные эксперименты по созданию или поиску молекулярных машин на основе РНК, то надо делать двух- или трехкомпонентные рибозимы, а какой там минимальный размер, я не знаю, но не думаю, что РНК-машина должна обязательно состоять из длинных полимеров. Стонуклеотидный полинуклеотид уже способен складываться в третичную структуру, образовывать аптамеры, проявлять каталитическую активность. Почему же машинной функции у него не может быть? Молекулярная машина — это довольно простая вещь, главное, чтобы она могла существовать в двух альтернативных конформационных состояниях. Одно конформационное состояние требует лиганда, скажем, это закрытое, сомкнутое состояние; когда лиганд разрушается или изменяется химически, возникает второе — открытое, разомкнутое состояние. Что такое потребление ГТФ или АТФ в молекулярных машинах? Это связывание лиганда, но так как он ГТФ или АТФ, он легко распадается с выделением большого количества свободной энергии, возникает новое состояние. И вот идет такая конформационная пульсация, обеспечивающая конвейерную работу макромолекулы. Кстати, существуют такие минимальные машины в виде трехдоменпых молекул белка (например, фактор элонгации Ти). То же самое может быть достигнуто в случае РНК. Я не думаю, что это должна быть длинная молекула. Надо попробовать сделать машину, а объединение молекулярной машины с каталитической активностью — это и сеть уже подобие процессивной полимеразы или рибосомы. Давайте делать. Пока не было попыток сделать — это не значит, что сделать невозможно. Можно нарисовать гипотетическую схему, как перейти от мира РНК к синтезу белков. Я делал доклад в Московском университете — «Происхождение рибосом»… Там я основывался на идее о самосборке относительно коротких РНК, с тем чтобы создать из молекул конвейерную (процессивную) молекулярную машину, одновременно обладающую и каталитической активностью. Разные блоки как субъединицы — тоже вероятный путь усложнения структуры на пути возникновения жизни, это еще один способ компартментализации и агрегации, которая дает новое, эволюционно выигрышное качество.

АД. Алыпштейп: Но как быть с хиральностью?

А.С. Спирин: Хиральность создается мономерами. Их синтез происходит на более ранней стадии.

А.Д. Алыпштейп: Но если у вас несколько сотен нуклеотидов, как они получились одной хиральности из рацемической смеси, это невозможно!

А.С. Спирин: Они уже в растворе были одной хиральности. Абиогенный синтез уже произошел. Есть данные, что на некоторых глинах 80 процентов нуклеотидов образуются одной хиральности, то ли левых, то ли правых. Это меня устраивает. Проблема хиральности решается до появления мира РНК. Я очень благодарен Альтштейну, потому что он обострил идею молекулярной машины, до сих пор все говорили только о каталитических активностях. Да, для того чтобы перейти в настоящее живое существо, в мир РНК, необходимо еще создать молекулярную машину. А о них почти не говорили.

Самой мощной на сегодняшний день приставкой является детище компании Sony, получившие название PlayStation 3. Она способна выдавать невероятную по детализации картинку, что, наряду с огромным количеством эксклюзивных игр, делает ее еще и самой популярной в мире.

Если Вы примкнуть к огромной армии хардкорных геймеров, отдающих свое предпочтение PS3, то советую Вам не тратить понапрасну свое время, забивая в поисковую строку Гугла запрос “sony playstation 3 купить”, который лишь приведет Вас на незаслуживающие доверия сайты, а сразу же перейти по адресу playstation3.oneplay.ru, где Вы сможете быстро и без переплат приобрести эту игровую приставку.

ВИРУС — ДО ИЛИ ПОСЛЕ КЛЕТКИ?

©2009 г. В. И. Игол

Институт полиомиелита и вирусных энцефалитов им. М.П. Чумакова РАМН

и Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Кратко рассмотрена природа вирусов и фундаментальное отличие механизмов их репродукции от клеточного деления. Способы хранения и выражения генетической информации у вирусов значительно богаче, чем у клеток. По современным представлениям, «мир РН К» возник раньше «мира ДН К». В свете этих представлений рассмотрены гипотезы о происхождении вирусов, — как та, по которой сначала появились клетки с РНК-геномом, а затем уже вирусы, так и та, которая постулирует первичное возникновение РНК-содержащих вирусов. И в том, и другом случае предполагается, что ДНК-геномы впервые появились у вирусов и что вирусы сыграли решающую роль в возникновении архей, эубактерий и эукариот.

ВВЕДЕНИЕ

Вирусы — это генетические элементы, существующие в двух формах. Во-первых, пассивная внеклеточная форма — это молекулы ДНК или РНК, обычно заключенные в бслок-содержащую оболочку. Можно сказать, что вирусы — просто некий класс весьма сложных химических соединений. Например, вирус полиомиелита может быть представлен такой формулой – C₃₃₂₆₅₂H₄₉₂₃₈₈N₉₈₂₄₅O₁₃₁₁₉₆P₇₅₀₁S₂₃₄₀ (Wimmer et al., 1993). Другая форма существования вирусов — активная, внутриклеточная и обычно способная к выражению генетической информации. В такой форме вирусы — живые объекты, обладающие наследственностью и способные к эволюции.

Вирусы — наиболее многочисленный класс биологических объектов. По некоторым оценкам, на пашей планете существует около 10³¹ вирусных частиц (Breitbart, Rohwer, 2005). Полагают, что в одних лишь вирусах, обитающих в океанах и морях, содержится ~2х10⁸ тонн углерода, что примерно эквивалентно содержанию этого элемента в 7Х10⁷ голубых китов. Соответственно, если эти вирусы выстроить в цепочку, то ее длина составит ~10⁷ световых лет (-100 диаметров нашей Галактики) (Suttle, 2005, 2007).

Вирусы не только многочисленны, но и чрезвычайно разнообразны. В килограмме морского осадка может находиться порядка миллиона различных вирусных генотипов (Breitbart, Rohwer, 2005). Вирусы могут иметь палочковидную или нитевидную форму, обладать кубической или спиральной симметрией, представлять собой плеоморфные образования и т. д. Некоторое представление о разнообразии форм и размеров вирусов дает рис. 1. Наиболее крупный из известных вирусов — мимивирус — вполне сопоставим по размерам с мельчайшими микроорганизмами, такими, например, как микоплазма.

Рис. 1. Разнообразие форм и размеров вирусов. Масштаб (если не указано иначе) — 100 им.

Вирусный геном может быть представлен как однонитевыми, так и двунитсвыми молекулами РНК или ДНК, причем эти молекулы могут быть линейными или кольцевыми (рис. 2). Как известно, клеточные организмы имеют только двунитевые ДНК-геномы. Количество нуклеотидов в геномах известных РНК-вирусов варьирует от немногим более полутора тысяч до ~32000, а количество генов — от 1 до полутора десятков. В ДНК-геномах вариации более значительны — если минимальное число нуклеотидов в них не сильно отличается от такового у РНК-вирусов, то известный сегодня максимум это ~1.2х10⁶ пар нуклеотидов, а число генов колеблется от 2 до 1200. Размер ДНК и число генов у самых крупных вирусов в несколько раз превышает эти параметры у мельчайших бактерий (например, Buchnera aphidicola), архей (Nanoarchaeon ecpiitans) и эукариот (Guillardia theta).

Рис. 2. Схематическое изображение структуры и формы вирусных геномов.

Рис. 3. Различия между механизмами деления клеток и размножения вирусов.

Если вирусы столь разнообразны, то что же их объединяет и отличает от всех других (клеточных) биологических организмов? Таких фундаментальных признаков два. Первый -это особенности метаболизма: вирусы неспособны синтезировать белок из-за отсутствия трансляционного аппарата, а также аккумулировать химическую энергию в виде АТР и подобных соединений из-за отсутствия дыхания, гликолиза или фотосинтеза (в отличие от вирусов даже мельчайшие паразитические микроорганизмы умеют синтезировать белки и производить АТР). Поэтому вирусы — облигатные паразиты, т. е. их размножение может происходить только в клетке-хозяине. Облигатный паразитизм входил во многие определения вирусов. Сейчас необходимо сделать некоторые уточнения. Так, показана принципиальная возможность репродукция вирусов в бесклеточных экстрактах (Molla et al., 1991). Тем не менее, абсолютная зависимость вирусов от клеточных компонентов и клеточных источников энергии остается непреложным фактом. Показана также возможность лабораторного химического синтеза жизнеспособного вирусного генома (Cello et al., 2002), но размножаться этот геном может опять-таки только либо в живых клетках, либо в бесклеточных экстрактах. Таким образом, фундаментальное различие метаболизма вирусов и клеточных организмов сохраняет силу.

Второй фундаментальный признак — сам способ размножения. Размножение вирусов основано на так называемом дизъюнктивном механизме, при котором вирус-специфические белки и нуклеиновые кислоты накапливаются в виде отдельных пулов, из которых в конечном счете они черпаются для сборки дочерних вирусных частиц или их главного компонента — нуклеопротеидной сердцевины (рис. 3). В противоположность этому, размножение клеток происходит путем деления (чаще всего, но не обязательно — бинарного). На каких-то этапах своей жизненной истории геном некоторых вирусов может включаться в состав клеточной хромосомы. В этом случае вирусный геном существует как интегральный компонент этой хромосомы и подвергается удвоению при клеточном делении. Однако, последующее образование вирусного потомства (т. е. собственно репродукция вируса) всегда происходит по каноническому дизъюнктивному механизму.

Надоело мериться с капризами вашего видавшего виды персонального компьютера? Значит, пришло время обзавестись современным мощным ноутбуком! Не удивлюсь, если вашим первым порывом в желании приобрести персональный компьютер станет вбитый в поисковую строку Яндекса запрос: “Интернет-магазин ноутбуки Харьков ”, ответом на который, к сожалению, будет внушительный список сайтов, ценовая политика которых вызовет шок у любого нормального человека. Я советую Вам не тратить попусту свое время и сразу же перейти на сайт teleman.com.ua, на котором представлен огромный выбор ноутбуков, качество и цена которых приятно Вас удивит.

СТРАТЕГИИ ХРАНЕНИЯ И ЭКСПРЕССИИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ВИРУСОВ >>