Происхождение жизни на Земле
Первичная Земля, сформировавшаяся за счёт аккреции исходного протопланетного вещества, должна была быть полностью безжизненной планетой. Связано это с тем, что само вещество протопланетного газопылевого облака образовалось благодаря взрывам сверхновых звёзд и было полностью стерилизовано жёстким космическим излучением ещё задолго до начала аккреции планет Солнечной системы. Кроме того, на Земле в те далёкие времена ещё не существовало ни плотной атмосферы, ни гидросферы, т. е. наиболее благоприятных сред для возникновения, обитания и защиты от разрушения жизни. Это объясняется тем, что земное вещество с самого начала было резко обеднено летучими соединениями, а та их ничтожная часть, которая все-таки освобождалась при ударах и тепловых взрывах планетезималей, тут же сорбировалась очень пористым грунтом и быстро выводилась с поверхности Земли, захораниваясь постепенно в её недрах при выпадении все новых и новых порций протопланетного вещества. К тому же в первое время после образования Земли её поверхность подвергалась исключительно интенсивному воздействию мощного потока корпускулярного излучения молодого Солнца, находившегося тогда, подобно звёздам Т-Тельца, в самом начале главной последовательности своего развития. Этот интенсивный поток корпускул, в основном протонов и ядер гелия, должен был буквально сдувать с поверхности Земли все остатки газовых составляющих.
После первой активной стадии развития молодого Солнца его светимость около 4,6 млрд лет назад примерно на 30-25 % была ниже современного уровня. Поэтому условия существования на молодой и лишённой плотной атмосферы Земле были исключительно суровыми. С одной стороны, её поверхность представляла собой холодную пустыню, а с другой — она подвергалась постоянному и интенсивному облучению потоками жёстких космических лучей.
Неблагоприятные условия для возникновения и развития жизни на Земле продолжались до тех пор, пока не начал действовать процесс дегазации земного вещества. Однако это могло произойти только после подъёма температуры в недрах молодой Земли до уровня появления у неё астеносферы и возникновения конвективных движений в мантии, т.е. после начала действия наиболее мощного процесса гравитационной дифференциации земного вещества. При этом образование астеносферы и процесс зонного плавления земного вещества привели к резкому усилению приливного взаимодействия Земли с Луной и к существенному перегреву верхней мантии в экваториальном поясе Земли. Произошли эти события примерно 4,0-3,9 млрд лет назад.
На ранних этапах дегазации Земли большая часть попадавшей на её поверхность воды и других элементоорганических соединений поглощалась реголитом первозданного грунта молодой Земли. Высокая пористость и сорбционная способность реголита, по-видимому, могли обеспечить наиболее благоприятные условия для формирования сложных органических соединений и зарождения жизни. Вероятнее всего жизнь зародилась именно в мелких порах первозданного реголита после того, как они оказались заполненными дегазированной и минерализованной водой (Сорохтин, Ушаков, 1991). Первичные углеводородные соединения могли возникать за счёт гидратации железосодержащих ультраосновных пород в присутствии CO2, например, по реакциям (40) и (41), а оксиды азота, нитраты, нитриты, аммиак, а также хлориды, карбонаты, сульфаты аммония и другие многочисленные соединения азота и углерода — благодаря грозовой активности углекислотно-азотной атмосферы раннего архея. Соединения фосфора, по-видимому, поступали в растворы непосредственно из вещества первозданного реголита. Необходимые же условия протекания реакций образования более сложных органических молекул при повышенных температурах атмосферы уже в начале архея обеспечивались капиллярным давлением водных растворов в порах реголита и каталитическим действием содержавшихся в нем свободных переходных металлов (Fe, Ni, Cr, Co и др.). Формированию сложных протоорганических молекул способствовало и то обстоятельство, что только в мелких порах реголита благодаря их большой сорбционной активности и высоким капиллярным давлениям концентрация элементоорганических соединений могла достигать уровня, необходимого для синтеза более сложных органических веществ (в морских бассейнах эти соединения оказались бы слишком разбавленными).
Напомним, что классические эксперименты С. Миллера (1959), А. Вильсона (1960), Дж. Оро (1965, 1966), С. Фокса (1965) и других исследователей показали возможность синтезирования достаточно сложных органических молекул из неорганических соединений при их нагревании в полях электрических разрядов. В России направление автохтонного происхождения жизни путём синтезирования органических молекул из неорганических соединений активно разрабатывал академик А. И. Опарин (1965).
Поэтому есть веские основания предполагать, что жизнь на Земле зародилась в пропитанном водой и элементоорганическими соединениями первозданном грунте и вулканических пеплах в начале раннего архея, около 4,0-3,9 млрд лет назад в то время, когда на Земле возникла восстановительная азотно-углекислотно-метановая атмосфера. Таким образом, зарождение жизни на Земле совпало с первым и наиболее сильным тектоническим и геохимическим рубежом в истории её развития — с начальным моментом выделения земного ядра (с началом химико-плотностной дифференциации земного вещества), приведшим к формированию гидросферы, плотной атмосферы и континентальной земной коры.
В работе известного российского геохимика Э. М. Галимова (2001), посвящённой проблемам происхождения и эволюции жизни на Земле, показывается, что происхождение жизни должно было быть связано с протеканием энергетических химических реакций, снижающих энтропию системы. Такие высокоэнергетические и низкоэнтропийные реакции могут протекать, например, с участием аденозинтрифосфата (АТФ), а синтез АТФ вполне мог происходить на ранних стадиях развития Земли. При этом для образования АТФ вначале необходимо синтезировать основание аденин — продукт полимеризации синильной кислоты HCN, и рибозу — продукт полимеризации формальдегида HCOH. Таким образом, согласно Э. М. Галимову синтез аденозинтрифосфата представляется необходимой предпосылкой зарождения и развития эволюционного процесса развития жизни на Земле.
Но в нашей модели образование исходных продуктов синтеза АТФ могло происходить самым естественным путём. Действительно, в самом начале архея, как мы показали в гл. 4, большая часть поверхности Земли ещё была сложена первозданным мелкопористым реголитом, содержавшем до 13 % свободного (металлического) железа. После начала дегазации Земли около 4-х млрд лет назад, прошли и первые дожди, пропитавшие этот реголит водой с растворенным в ней углекислым газом. В результате, как следует из реакции (52), произошла обильная генерация метана
Метан переходил в атмосферу, в результате молодая атмосфера стала резко восстановительной и азотно-углекислотно-метановой по составу.
Аналогичным путём возникал и формальдегид
При этом формальдегид оставался растворенным в воде, пропитывавшей реголит, и вымывался из него дождевыми водами в только что образовавшиеся и ещё мелкие морские бассейны, а метан поступал в атмосферу, предавая ей строго восстановительный характер. Но в богатой метаном восстановительной атмосфере раннего архея уже могло происходить образование цианистого водорода, например, благодаря грозовым разрядам
где Q — поглощаемая реакцией (93) часть энергии грозовых разрядов.
Таким образом, в самом начале архея на Земле действительно сложились условия, благоприятные для возникновения исходных химических составов, пригодных для дальнейшего синтеза более сложных органических веществ и предбиологических соединений. Этому способствовало и присутствие в реголите активных катализаторов -переходных металлов Fe, Cr, Co, Ni, Pt и др. Возникшие к этому времени в грунте наиболее простые ассоциации сложных органических молекул или примитивные, но уже содержащие рибонуклеиновые кислоты, образования могли затем перемещаться в воду молодых морских бассейнов раннего архея.
По мере дегазации Земли и развития атмосферы, её восстановительный потенциал постепенно снижался благодаря фотодиссоциации СН4
поэтому уже через некоторое время атмосфера стала почти чисто углекислотно-азотной лишь с небольшой примесью метана, постоянно генерировавшегося по реакциям, типа (91) или (52). Однако, эта примесь метана, по-видимому, могла играть существенную роль в питании примитивных архейских микроорганизмов. Дальнейшее совершенствование жизни должно было происходить уже благодаря высокоэнергетическим, но низкоэнтропийным реакциям (Галимов, 2001) и по биологическим законам развития живой материи, под влиянием направленного давления и «фильтрующих» свойств внешней среды, а потом — и конкурентной борьбы.
В результате ещё в раннем архее, вероятно, появились наиболее примитивные вирусы и одноклеточные организмы — прокариоты, уже ограниченные от внешней среды защитными полупроницаемыми мембранами, но ещё не обладавшие обособленным ядром. По-видимому, тогда же появились и фотосинтезирующие одноклеточные микроорганизмы (типа цианобактерий), способные окислять железо. Об этом, в частности, говорит распространённость в отложениях раннего архея возрастом около 3,75 млрд лет железорудных формаций, сложенных окислами трёхвалентного железа (например, формации Исуа в Западной Гренландии).
После первой активной стадии развития молодого Солнца его светимость около 4,6 млрд лет назад примерно на 30-25 % была ниже современного уровня. Поэтому условия существования на молодой и лишённой плотной атмосферы Земле были исключительно суровыми. С одной стороны, её поверхность представляла собой холодную пустыню, а с другой — она подвергалась постоянному и интенсивному облучению потоками жёстких космических лучей.
Неблагоприятные условия для возникновения и развития жизни на Земле продолжались до тех пор, пока не начал действовать процесс дегазации земного вещества. Однако это могло произойти только после подъёма температуры в недрах молодой Земли до уровня появления у неё астеносферы и возникновения конвективных движений в мантии, т.е. после начала действия наиболее мощного процесса гравитационной дифференциации земного вещества. При этом образование астеносферы и процесс зонного плавления земного вещества привели к резкому усилению приливного взаимодействия Земли с Луной и к существенному перегреву верхней мантии в экваториальном поясе Земли. Произошли эти события примерно 4,0-3,9 млрд лет назад.
На ранних этапах дегазации Земли большая часть попадавшей на её поверхность воды и других элементоорганических соединений поглощалась реголитом первозданного грунта молодой Земли. Высокая пористость и сорбционная способность реголита, по-видимому, могли обеспечить наиболее благоприятные условия для формирования сложных органических соединений и зарождения жизни. Вероятнее всего жизнь зародилась именно в мелких порах первозданного реголита после того, как они оказались заполненными дегазированной и минерализованной водой (Сорохтин, Ушаков, 1991). Первичные углеводородные соединения могли возникать за счёт гидратации железосодержащих ультраосновных пород в присутствии CO2, например, по реакциям (40) и (41), а оксиды азота, нитраты, нитриты, аммиак, а также хлориды, карбонаты, сульфаты аммония и другие многочисленные соединения азота и углерода — благодаря грозовой активности углекислотно-азотной атмосферы раннего архея. Соединения фосфора, по-видимому, поступали в растворы непосредственно из вещества первозданного реголита. Необходимые же условия протекания реакций образования более сложных органических молекул при повышенных температурах атмосферы уже в начале архея обеспечивались капиллярным давлением водных растворов в порах реголита и каталитическим действием содержавшихся в нем свободных переходных металлов (Fe, Ni, Cr, Co и др.). Формированию сложных протоорганических молекул способствовало и то обстоятельство, что только в мелких порах реголита благодаря их большой сорбционной активности и высоким капиллярным давлениям концентрация элементоорганических соединений могла достигать уровня, необходимого для синтеза более сложных органических веществ (в морских бассейнах эти соединения оказались бы слишком разбавленными).
Напомним, что классические эксперименты С. Миллера (1959), А. Вильсона (1960), Дж. Оро (1965, 1966), С. Фокса (1965) и других исследователей показали возможность синтезирования достаточно сложных органических молекул из неорганических соединений при их нагревании в полях электрических разрядов. В России направление автохтонного происхождения жизни путём синтезирования органических молекул из неорганических соединений активно разрабатывал академик А. И. Опарин (1965).
Поэтому есть веские основания предполагать, что жизнь на Земле зародилась в пропитанном водой и элементоорганическими соединениями первозданном грунте и вулканических пеплах в начале раннего архея, около 4,0-3,9 млрд лет назад в то время, когда на Земле возникла восстановительная азотно-углекислотно-метановая атмосфера. Таким образом, зарождение жизни на Земле совпало с первым и наиболее сильным тектоническим и геохимическим рубежом в истории её развития — с начальным моментом выделения земного ядра (с началом химико-плотностной дифференциации земного вещества), приведшим к формированию гидросферы, плотной атмосферы и континентальной земной коры.
В работе известного российского геохимика Э. М. Галимова (2001), посвящённой проблемам происхождения и эволюции жизни на Земле, показывается, что происхождение жизни должно было быть связано с протеканием энергетических химических реакций, снижающих энтропию системы. Такие высокоэнергетические и низкоэнтропийные реакции могут протекать, например, с участием аденозинтрифосфата (АТФ), а синтез АТФ вполне мог происходить на ранних стадиях развития Земли. При этом для образования АТФ вначале необходимо синтезировать основание аденин — продукт полимеризации синильной кислоты HCN, и рибозу — продукт полимеризации формальдегида HCOH. Таким образом, согласно Э. М. Галимову синтез аденозинтрифосфата представляется необходимой предпосылкой зарождения и развития эволюционного процесса развития жизни на Земле.
Но в нашей модели образование исходных продуктов синтеза АТФ могло происходить самым естественным путём. Действительно, в самом начале архея, как мы показали в гл. 4, большая часть поверхности Земли ещё была сложена первозданным мелкопористым реголитом, содержавшем до 13 % свободного (металлического) железа. После начала дегазации Земли около 4-х млрд лет назад, прошли и первые дожди, пропитавшие этот реголит водой с растворенным в ней углекислым газом. В результате, как следует из реакции (52), произошла обильная генерация метана
Формула 91. Обильная генерация метана
Метан переходил в атмосферу, в результате молодая атмосфера стала резко восстановительной и азотно-углекислотно-метановой по составу.
Аналогичным путём возникал и формальдегид
Формула 92. Образование формальдегида
При этом формальдегид оставался растворенным в воде, пропитывавшей реголит, и вымывался из него дождевыми водами в только что образовавшиеся и ещё мелкие морские бассейны, а метан поступал в атмосферу, предавая ей строго восстановительный характер. Но в богатой метаном восстановительной атмосфере раннего архея уже могло происходить образование цианистого водорода, например, благодаря грозовым разрядам
Формула 93. Образование цианистого водорода
где Q — поглощаемая реакцией (93) часть энергии грозовых разрядов.
Таким образом, в самом начале архея на Земле действительно сложились условия, благоприятные для возникновения исходных химических составов, пригодных для дальнейшего синтеза более сложных органических веществ и предбиологических соединений. Этому способствовало и присутствие в реголите активных катализаторов -переходных металлов Fe, Cr, Co, Ni, Pt и др. Возникшие к этому времени в грунте наиболее простые ассоциации сложных органических молекул или примитивные, но уже содержащие рибонуклеиновые кислоты, образования могли затем перемещаться в воду молодых морских бассейнов раннего архея.
По мере дегазации Земли и развития атмосферы, её восстановительный потенциал постепенно снижался благодаря фотодиссоциации СН4
Формула 94. Диссоциация CH4
поэтому уже через некоторое время атмосфера стала почти чисто углекислотно-азотной лишь с небольшой примесью метана, постоянно генерировавшегося по реакциям, типа (91) или (52). Однако, эта примесь метана, по-видимому, могла играть существенную роль в питании примитивных архейских микроорганизмов. Дальнейшее совершенствование жизни должно было происходить уже благодаря высокоэнергетическим, но низкоэнтропийным реакциям (Галимов, 2001) и по биологическим законам развития живой материи, под влиянием направленного давления и «фильтрующих» свойств внешней среды, а потом — и конкурентной борьбы.
В результате ещё в раннем архее, вероятно, появились наиболее примитивные вирусы и одноклеточные организмы — прокариоты, уже ограниченные от внешней среды защитными полупроницаемыми мембранами, но ещё не обладавшие обособленным ядром. По-видимому, тогда же появились и фотосинтезирующие одноклеточные микроорганизмы (типа цианобактерий), способные окислять железо. Об этом, в частности, говорит распространённость в отложениях раннего архея возрастом около 3,75 млрд лет железорудных формаций, сложенных окислами трёхвалентного железа (например, формации Исуа в Западной Гренландии).