Книга: Планеты и жизнь

Глава IV НАЧАЛИСЬ СИНТЕЗЫ

Глава IV

НАЧАЛИСЬ СИНТЕЗЫ

Что же происходило с органическими молекулами в период образования планет и как светимость протосолнца влияла на процессы образования и органических соединений?

Начнем опять с первичной туманности, из которой родились Солнце и планеты. Она состояла из смеси газа и пыли: частичек силикатов, графита, льдов. Органические молекулы с самого начала, еще до разогрева туманности, присутствовали в ней и в газовой фазе, и на поверхности пылинок. Что это за молекулы и как они образовались?

Сейчас известно около 40 типов простых органических молекул, обнаруженных в газопылевых облаках. Для нас наибольший интерес представляют два соединения: сильнейший яд синильная кислота (цианистый водород) и формальдегид, простая молекула, состоящая из атома углерода, атома кислорода и двух атомов водорода.

Все дело в том, что это, как говорят химики, «ключевые» молекулы для синтеза более сложных соединений.

Например, в химии хорошо известен так называемый синтез Штрекера, когда в водно-аммиачном растворе синильной кислоты и формальдегида просто при легком подогреве смеси образуются аминокислоты. Аминокислоты — основные блоки для создания белковой молекулы. Если подогреть водно-аммиачный раствор синильной кислоты, получается аденин — молекула, без которой невозможно построить ДНК — знаменитую двойную спираль Уотсона — Крика. Американский химик испанского происхождения X. Оро, которому впервые удалось получить аденин из цианистого водорода, показал, что занятия предбиологической химией могут дать хороший промышленный выход. Сейчас метод Оро очень широко применяется для промышленного производства аденина, молекулы, состоящей из 5 молекул синильной кислоты.

Формальдегид очень важен для образования простых Сахаров, без которых, в свою очередь, невозможно получить нуклеиновые кислоты.

Реакции усложнения и превращения формальдегида и синильной кислоты идут не только в растворах. Они могли проходить и в нашей туманности, главным образом на поверхности кристаллов льда. Конечно, скорости этих реакций были в сотни тысяч раз меньше, чем при комнатных температурах. Да и концентрации исходных веществ (формальдегида и синильной кислоты) очень малы. Поэтому появления особенно сложных молекул в туманности вряд ли можно ожидать.

Ну а как же образовались «ключевые» соединения (их еще называют предшественниками)?

Дело в том, что туманность не изолирована от воздействия различных космических факторов. Предположим, что на расстоянии многих световых лет от туманности вспыхнула сверхновая звезда. И мощный поток ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-квантов устремился к туманности. Этот поток и стал тем стимулирующим фактором, который помог образоваться нашим предшественникам из смеси простых газов.

В самой туманности мы не вправе ожидать появления сложных молекул. Максимум, на что можно было бы рассчитывать, — на присутствие простейших аминокислот или же, например, аденина. Но, к сожалению, ни то, ни другое в газопылевых облаках не обнаружено.

Посмотрим теперь, что происходило на последующих этапах истории туманности. Мы помним, что при сжатии туманность прошла высокотемпературную стадию, причем в центральных частях диска температуры были очень высоки. На расстоянии от Земли до Солнца они достигали 2 тысяч градусов. Совершенно ясно, что никаким органическим молекулам не выдержать такой температуры. Но впоследствии, когда образовалось и стабилизировалось Солнце, туманность начала остывать. По времени это совпало с началом образования планет.

Основным газом в туманности был водород. Присутствовали также окись и двуокись углерода, азот и некоторое количество метана. Под воздействием ультрафиолетового излучения молодого Солнца снова начали образовываться предшественники — формальдегид и синильная кислота — и более сложные соединения: аминокислоты, основания нуклеиновых кислот.

«Отпечатки» этих процессов мы находим сегодня в древнейших метеоритах — углистых хондритах, возраст которых составляет 4,5?4,6 миллиарда лет, что как раз равно возрасту солнечной системы. Но нужно обязательно подчеркнуть, что и в углистых хондритах нет сложных, абсолютно необходимых для жизни соединений: белков, нуклеиновых кислот, жирных кислот. Есть только их составные части. Вдобавок эти составные части, например аминокислоты, намертво «запечатаны» в неорганическую матрицу метеорита.

Напомним, что на заключительных стадиях образования Земли на зародыш падали крупные тела с линейными размерами в несколько километров. Скорости соударения были порядка десяти километров в секунду.

Следы таких ударов сохранились не только на Луне и Марсе, но и на поверхности нашей Земли. Знаменитый Аризонский кратер в Америке, кольцевые структуры на Украине — это следы чудовищных ударов, по сравнению с которыми взрыв атомной бомбы — сущий пустяк.

При таких ударах почти все вещество метеорита превращалось в плазму. При остывании этой плазмы могли образовываться органические молекулы.

Выходит, синтез и распад органических молекул происходил на всех этапах развития прототуманности. И когда сформировались планеты, природе нужно было заново строить соединения углерода уже на поверхности молодой Земли. 4,5 миллиарда лет назад на нашей планете началась эра добиологической эволюции.

Посмотрим, что представляла собой молодая Земля.

Жизни на Земле в то время не существовало. Это основное наше предположение. А что же было? Была твердая поверхность Земли — кора, была атмосфера, гидросфера и, самое главное, было Солнце с его мощным ультрафиолетовым излучением. Солнце — генератор энергии, которая стимулировала большинство химических реакций в атмосфере Земли.

Очевидность этого обстоятельства дала толчок для проведения огромного количества экспериментов по синтезам органических молекул под воздействием ультрафиолетового излучения в газовых смесях, предположительно моделирующих по своему составу первичную атмосферу Земли. Многие ученые считают, что 4,5 миллиарда лет назад она (атмосфера) состояла из водорода, метана и аммиака. Кислород появился позже за счет процессов фотосинтеза, то есть когда на Земле возникла жизнь.

Вот это и стало находкой для химиков-органиков.

Советские биохимики А. Пасынский и Т. Павловская, американские ученые С. Фокс, X. Оро, С. Поннамперума, К. Саган, М. Кальвин и многие другие проделали классические эксперименты по синтезу аминокислот, оснований нуклеиновых кислот, Сахаров и многих других биологигически важных молекул. Все авторы использовали в качестве исходных соединений водород, метан, аммиак, пары воды.

Здесь стоит сказать о том, что результаты этих экспериментов на многие годы загипнотизировали геохимиков и планетологов. Именно в результатах, полученных специалистами по предбиологической химии, геохимики и планетологи видели доказательство тому, что на ранних этапах развития Земля обладала бескислородной атмосферой. Ведь кислород настолько активный окислитель, что в его присутствии синтезы органических соединений не происходят. Если, например, в реакционную смесь, содержащую водород и другие компоненты, необходимые для получения углеродсодержащих молекул (метан), добавить кислород и подвести необходимую энергию, то вместо того, чтобы занять свое «законное» место в органической молекуле, водород сразу же вступит с кислородом в реакцию образования воды.

Логика планетологов была такова. Раз жизнь на Земле возникла, атмосфера должна была содержать водород, метан и аммиак. Был океан, значит, были в атмосфере и пары воды.

Ну а дальше специалисты по предбиологической химии как будто бы все объяснили. Было ультрафиолетовое излучение Солнца, были грозы, а значит, и электрические разряды, было тепло от вулканов. Короче говоря в источниках энергии недостатка не ощущалось. И в системе «атмосфера — океан» варился знаменитый питательный бульон, из которого впоследствии произошли первые живые организмы. Еще в 1964 году американский астрофизик К. Саган произвел несложный расчет, в результате которого получил ошеломляющую цифру.

На каждом квадратном сантиметре поверхности Земли за миллиард лет могло накопиться за счет химических реакций до сотен килограммов амино- и органических кислот. Что и говорить, для возникновения жизни условия более чем благоприятные.

Но дело обстоит совсем не так просто, как это представлял себе Саган. За последние годы опубликованы новые работы об эволюции атмосфер планет земной группы, и эти исследования показывают, что ранняя атмосфера Земли, как минимум, не была восстановительной (водородсодержащей). Более того, атмосфера ранней Земли без всякого участия живых систем, за счет чисто фотохимических процессов очень быстро стала окислительной, то есть в ней появился свободный кислород. А в подобной атмосфере образование органических соединений невозможно.

Что же тогда получается? Заколдованный круг?

Но ведь жизнь-то на Земле возникла. А еще раньше появились молекулы, необходимые для построения живых систем. Кстати говоря, слабость оценок Сагана заключается не только в том, что он в качестве исходной посылки брал восстановительную атмосферу.

Вопросы, которые мы сейчас хотим обсудить, очень важны. Давайте по порядку.

Возьмем кусок древнего базальта или гранита. Истолчем его в ступке, нагреем и с помощью какого-нибудь чувствительного прибора будем анализировать выделяющиеся газы. Мы увидим —, что главный компонент газовой фазы — пары воды, углекислота и азот. Водород и метан находятся в следовых количествах. Аммиака нет вообще. Кстати говоря, он отсутствует и в метеоритах.

В какой-то мере состав газовой фазы, которую мы исследовали, отражает состав древней атмосферы.

Специалисты по предбиологической химии долгое время забывали об одной простой вещи, хорошо известной астрофизикам. Водород очень легкий газ, он просто улетает с Земли, не задерживаясь в ее атмосфере. Специалисты по планетным атмосферам имеют в своем распоряжении надежные оценки, свидетельствующие о том, что «время жизни» водорода в атмосфере Земли всего 10 лет. Сравните это время с геологическим, когда и миллион лет весьма непродолжительный промежуток.

Итак, водорода практически не было, метана — следы. Что же остается? Остается океан, углекислота и азот. Можно ли получить что-нибудь важное для предбиологической химии в подобной атмосфере? Вряд ли.

И вот почему. Светимость Солнца 4,5 миллиарда лет назад была ниже, чем сегодня. На сколько? Разные авторы дают различные оценки — от 20 до 60 процентов.

Но даже если взять минимальную цифру — 20 процентов, это приводит к поразительным результатам. Земля получала так мало солнечного тепла, что на ее поверхности должны были царить отрицательные температуры.

Правда, тепло шло от горячих пятен — вулканических районов. Но этот тепловой поток был слаб и не мог подогреть всю поверхность планеты.

Палеогеологические данные неопровержимо свидетельствуют, что жизнь на Земле 3,5 миллиарда лет назад уже была. Но жизнь во льду, а точнее, без жидкой воды зародиться не может.

По-видимому, первыми это серьезное противоречие заметили американцы К. Саган и Д. Муллен. Они же предложили объяснение: будто бы очень небольшие примеси аммиака в атмосфере могли дать так называемый парниковый эффект, который поддерживал температуру поверхности нашей планеты выше точки таяния льда.

Итак, мы снова встретились с этим термином, и теперь нам нужно разобраться, что же это такое.

Парник в обычном понимании этого слова знаком каждому. Так вот, аналог парника, но уже в планетарном масштабе, мы имеем и на Земле и на Венере, Что он собой представляет?

На поверхность планеты падает излучение Солнца, причем большая часть энергии приходится на ту область длин волн, которая соответствует температуре внешней части нашего Солнца — около 6 тысяч градусов Цельсия. Другими словами, львиную долю солнечной энергии Земля получает в ультрафиолетовой и видимой части спектра. Отдает же, переизлучает энергию в пространство наша планета в инфракрасной области спектра, так как температура Земли гораздо ниже температуры Солнца. Но если атмосфера задерживает очень незначительную часть падающего прямого солнечного излучения, то излучение, уходящее от планеты в космическое пространство, задерживается гораздо сильнее, особенно если в атмосфере есть пары воды, углекислота, аммиак. Поэтому температура атмосферы и соответственно поверхности повышается: получается парник.

Парник может стать необратимым. Представим себе, что мы немного повысим температуру планеты. Сразу же возрастет содержание водяного пара. Увеличение концентрации паров воды в атмосфере приведет к дальнейшему повышению температуры за счет парникового эффекта и так далее. По-видимому, такой случай мы имеем на Венере.

Сразу же возникает вопрос, почему это не происходит сейчас на Земле? Да потому, что когда возрастает содержание водяного пара в атмосфере и повышается температура, то увеличивается площадь облачного покрова и в Космос отражается больше солнечного излучения.

Но все-таки что же было на древней Земле?

Мы уже знаем, что аргументированных доводов о присутствии аммиака в древнейшей атмосфере Земли нет.

К тому же время жизни аммиака (даже в количествах, эквивалентных атмосферному азоту) очень мало, примерно 10 тысяч лет, из-за неизбежного разложения-аммиака под действием света (фотодиссоциация). Более того, согласно расчетам советского геофизика Э. Бютнер одновременно с образованием зеркала воды из-за фотодиссоциации водяного пара в атмосфере Земли могло накопиться изрядное количество кислорода: всего за 30 миллионов лет его содержание в атмосфере могло достичь 20 процентов сегодняшнего. А в присутствии свободного кислорода постоянная концентрация аммиака неминуемо будет исчезающе мала: он легко окисляется.

Значит, аммиак ни при чем. Надо искать новый путь для решения противоречия, указанного Саганом и Мулленом. То есть нужно объяснить, почему на поверхности Земли были плюсовые температуры, хотя Солнце грело заметно слабее, чем сейчас.

Принято думать, что атмосфера и гидросфера Земли обязаны своим рождением выделению летучих компонентов из мантии. Сторонники модели катастрофической дегазации полагают, что основная масса атмосферы выплеснулась из недр Земли за сравнительно небольшое время — около 500 миллионов лет. По модели равномерной дегазации, наоборот, отделение летучих компонентов мантии с незначительными колебаниями идет в течение всей истории Земли. Для наших дальнейших рассуждений нет принципиальной разницы между этими двумя моделями, и поэтому будем рассматривать модель равномерной дегазации.

Сначала обратим внимание на тот примечательный факт, что при дегазации из недр Земли на поверхность прежде всего выделяются вода и углекислый газ.

Об этом свидетельствует множество анализов состава вулканических газов и газов, содержащихся в магматических породах — базальтах. По оценкам разных авторов отношение массы воды к выделившемуся из мантии углекислому газу — от 4:1 до 10:1. То есть углекислоты поступает достаточно много. Именно углекислый газ, интенсивно поглощающий тепловые инфракрасные лучи, мог создать парниковый эффект, благодаря которому на планете появился океан, хотя Солнце грело плохо.

Чтобы не быть голословным в дальнейших рассуждениях, нужно рассчитать температуру поверхности Земли 4,5 миллиарда лет назад. Атмосфера тогда была разреженной, а ее давление в сто или тысячу раз меньше, чем нынче. Если это так, то среднюю температуру поверхности Земли нетрудно вычислить как функцию ее альбедо (отражательной способности).

Альбедо Земли, почти лишенной атмосферы, по аналогии с Луной или Меркурием можно принять за 0,1.

И тогда мы получаем, что, если светимость Солнца была на 40 процентов ниже сегодняшней, температура поверхности Земли составляла 33 градуса ниже нуля по Цельсию.

Постепенно атмосфера становилась массивнее. По мере выделения летучих компонентов из магмы наружу пары воды, замерзая, окутывали планету мощным слоем сверкающего льда и снега. Альбедо росло, и поэтому температура поверхности снижалась. Но нет худа без добра — основным компонентом земной атмосферы становился углекислый газ. И он своим парниковым эффектом начал подогрев. С ростом концентрации СО₂ в атмосфере поверхность Земли потихоньку разогрелась, и льды начали таять.

Можно подсчитать, сколько СО₂ должно было накопиться в атмосфере, чтобы подогреть поверхность до О градусов Цельсия. Расчет гипотетического парникового эффекта был сделан профессором В. Морозом. Такой расчет непрост, точной цифры не получишь. Потому в конце концов был найден верхний и нижний пределы критического давления углекислого газа, давления, при котором начинается таяние льдов.

Мороз предположил, что альбедо Земли из-за того, что ее окутало снежное одеяло, изменилось от начального 0,1 до 0,45. Конечно, и эта цифра условна, потому что из-за неровностей рельефа и меняющейся облачности истинную величину альбедо почти невозможно определить. Но нам важно понять общее направление процесса.

Итог таков. Наименьшее давление углекислоты, при котором наступит таяние льда и снега, равно 0,3 атмосферы.

Что же происходит дальше? Вот что. При выделении из мантии 10¹³ граммов углекислоты в год (полагают, что именно так и было) такое значение давления будет достигнуто через 440 миллионов лет. Затем начинается таяние и альбедо быстро уменьшается, потому что отражательная способность воды меньше, чем у льда и снега. Становится немного теплее. Но, увы, углекислый газ начинает покидать атмосферу: растворение в воде, выщелачивание базальтов, образование карбонатов…

Потеря газа не может длиться долго, потому что с уменьшением количества углекислоты в атмосфере поверхность Земли остывает до нуля. Планету снова окутывает снег и лед. Вот мы и пришли к великим циклическим оледенениям, не раз сковывавшим поверхность Земли.

Идет время, становится теплее, оледенения повторяются, уменьшая амплитуду и длительность, пока все ярче разгорающееся Солнце не подогреет Землю и не уменьшит количества углекислого газа в атмосфере до уровня, близкого к современному: углекислоту поглотит океан…

Правда, мы не учли весьма важное обстоятельство: жизнь, возникшая на Земле 3,5 миллиарда лет назад, могла внести свои поправки и в баланс углекислого газа в атмосфере, и в углеродные циклы оледенения.

Нижняя возможная граница атмосферного содержания СО₂ в цикле оценена нами в 1,5·10²¹ грамма. Самое неопределенное в уравнении этого баланса — время жизни молекулы СО₂ в океане (от момента попадания в воду до перехода в молекулу известняка). Но миллиона лет на это явно хватит. И свои расчеты мы строили на этом щедром допущении.

Отсюда и вывод: характерное время циклических оледенений на примитивной Земле было около миллиона лет.

Важным геохимическим следствием гипотезы должен быть резко отличный от нынешнего процесс образования карбонатов. При высоком содержании СО₂ в атмосфере и соответственно более низких значений рН воды главной формой карбонатных осадков должен быть доломит — карбонат магния, потому что он гораздо хуже кальцита растворяется в воде, насыщенной углекислым газом. Но все-таки растворимость карбонатов в таких условиях на порядок выше, чем при нынешнем рН и парциальном давлении двуокиси углерода. Возможно, именно этим объясняется скромное количество карбонатных осадков в докембрии.

И вот главное следствие. Плотная атмосфера из углекислого газа на примитивной Земле не могла создать условия для предбиологической эволюции, для накопления в океане заметных количеств органических молекул, ведь для синтезов органики необходим водород, метан, аммиак. К тому же увеличение содержания кислорода в атмосфере, начавшееся вместе с образованием зеркала воды, подавляло синтезы органических соединений, поскольку, как мы уже говорили, они (синтезы) не идут в окислительной среде. Очевидно, что в подобных условиях трудно, а скорее всего и невозможно ожидать накопления на поверхности Земли столь больших количеств органики, о которых писал Саган.

Но есть еще одно дополнительное обстоятельство, на которое ученые обратили внимание сравнительно недавно.

Даже если бы под воздействием различных источников энергии в атмосфере Земли и могли образовываться сложные биомолекулы, они с большой эффективностью разрушались бы ультрафиолетовым излучением Солнца.

Единственное спасительное убежище для синтезированных молекул — глубины океана. Но проведенные многими учеными, и в том числе автором этой книги, строгие расчеты показали, что ничтожная часть органических молекул достигнет поверхности океана. Как метко сказал крупнейший американский геохимик Ф. Абельсон, питательный бульон должен был быть очень «тощим».

А если бульон «тощий», то и дальнейшие реакции усложнения, образования больших молекул должны происходить медленно и с невысокой вероятностью.

Чисто интуитивно многие исследователи понимали, что трудно получить значительные концентрации предшественников биомолекул во всей массе Мирового океана. Знаменитый английский физик и философ Д. Бернал давно указывал на так называемые субвитальные территории, где во время приливов и отливов, во время высыхания озер и больших луж могло происходить накопчение предшественников органических соединений.

Но Бернал предполагал так же, как многие другие, что атмосфера была восстановительной, а мы с вами убедились, что это отнюдь не очевидный факт.

Таким образом, налицо противоречие между основными предпосылками предбиологической химии и реальными данными современной эволюционной планетологии.

Но главнее, что жизнь на Земле существует 3,5 миллиарда лет, а значит, вопреки всему вышесказанному обязательно шло образование и накопление органических молекул. Разрешить возникшие противоречия и попытался около 10 лет назад автор этой книги.