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

© 2009 г. Л.М. Мухин

Институт космических исследований РАН

 

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

 

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

 

---

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

---

 

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

 

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

 

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

 

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

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

 

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

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

 

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

 

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

	Initial concentration (wt%)		Mass loss (mE)	Gases (10-6 g)
Sample	С	S		H2	N2	CO	CO2	HC+	SO2	H2S	HCN	CH3CHO	CO/ CO2	CO+CO2/ HC
Deleciion limit				0.2	0.1	0.1	0.02	0.02	0.1	0.08	0.06	0.02
He атмосфера
Augite	NO	ND	10.8	<0.2	0.4	3.3	2.7	0.7	<0.1	<0.08	<0.06	0.02	1.2	8.6
Базальт	0.04*	<0.01*	20.1	<0.2	0.5	3.5	5.9	0.6	<0.1	<0.08	<0.06	-0.02	0.6	16
Перидотиты	0.03*	0.03*	10.2	2.6	0.1	25.4	21.4	1.3	ND	ND	ND	ND	1.2	36
Габбро	0,05*	3.04*	14.0	19.6	0.9	36.3	28.3	2.6	240	1.8	0.7	0.2	1.3	25
L5 («Царев»)	ND	1.9211	7.3	6.2	1.9	36.3	19.8	2.5	17.7	ND	0.2	~0.08	1.8	22
СЭО (Канзас)	0.6113	2.0612	10.5	18.6	1.9	236	94.3	12.2	<0.1	ND	ND	~0.04	2.5	27
Н20 атмосфера
Augite			9.1	ND	ND	25.6	9.0	8.2	<0.1	<0.08	<0.06	<0.02	2.8	4.2
L5 («Царев»)			7.1	ND	ND	16.9	10.8	7.0	<0.1	162	ND	-0.1	1.6	4.0
СЭО (Канзас)			9.7	ND	ND	266	46.4	25.6	<0.l	149	0.4	-0.2	5.8	12

ND — not determined

Certiified by IGEM Acad. Sci. USSR

+ — HC, the sum of hydrocarbons.

 

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

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

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

 

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

 

---

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

---

 

 

Таблица 3. Обилие химических элементов во Вселенной

 

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

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

 

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

 

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

 

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

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

 

---

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

---

 

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

 

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

 

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

 

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

 

 

Рис. 7. Схема автокаталической реакции синтеза Сахаров.

 

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

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

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

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

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

 

---

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

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