Поиски жизни в Солнечной системе - Н Хоровиц

согласно теории Опарина-Юри, необходимы для начала химической эволюции. Учитывая дефицит легких элементов и особенно благородных газов, разумно предположить, что изначально Земля сформировалась вообще без атмосферы. За исключением гелия, все благородные газы-неон, аргон, криптон и ксенон-обладают достаточной удельной массой, чтобы их могло удержать земное тяготение. Криптон и ксенон, например, тяжелее железа. Поскольку эти элементы образуют очень мало соединений, они. по всей видимости, существовали в примитивной атмосфере Земли в виде газов и не мо1ли улетучиться, когда планета достигла наконец своих нынешних размеров. Но поскольку на Земле их со держится в миллионы раз меньше, чем на Солнце, естест венно допустить, что наша планета никогда не имела ат мосферы, по составу близкой солнечной. Земля образовалась из твердых материалов, которые содержали лишь небольшое количество поглощенного или адсорбированного газа, так что никакой атмосферы сначала не было. Элементы, вхо дящие в состав современной атмосферы, по-видимому, поя вились на первобытной Земле в виде твердых химических соединений; впоследствии под действием тепла, возникаю щего при радиоактивном распаде или выделении грави тационной энергии, сопровождающем аккрецию Земли, эти соединения разлагались с образованием газов. В процессе вулканической деятельности эти газы вырывались из земных недр, образуя примитивную атмосферу.

Высокое содержание в современной атмосфере аргона (около 1%) не противоречит предположению, что благо родные газы первоначально отсутствовали в атмосфере. Изотоп аргона, распространенный в космическом простран стве, имеет атомную массу 36, тогда как атомная масса аргона, образовавшегося в земной коре при радиоактивном распаде калия, равна 40. Аномально высокое содержание на Земле кислорода (по сравнению с другими легкими эле ментами) объясняется тем, что этот элемент способен сое диняться с множеством других элементов, образуя такие очень стабильные твердые соединения, как силикаты и кар бонаты, которые входят в состав горных пород.

Предположения Юри о восстановительном характере первобытной атмосферы основывались на высоком содер жании на Земле железа (35% общей массы). Он считал, что железо, из которого ныне состоит ядро Земли, первона чально было распределено более или менее равномерно по всему ее объему. При разогреве Земли железо расплавилось

и собралось в ее центре. Однако, прежде чем это произошло, железо, содержащееся в том слое планеты, который сейчас называется верхней мантией Земли, взаимодействовало с водой (она присутствовала на примитивной Земле в виде гидратированных минералов, похожих на те, что обнару жены в некоторых метеоритах); в результате в первобытную атмосферу выделились огромные количества водорода.

Исследования, осуществляемые с начала 1950-х годов, поставили под вопрос ряд положений описанного сценария. Некоторые планетологи высказывают сомнения насчет того, что железо, сосредоточенное сейчас в земной коре, могло когда-либо равномерно распределяться по всему объему планеты. Они склоняются к мнению, что аккреция проис ходила неравномерно и железо конденсировалось из ту манности раньше других элементов, образующих ныне ман тию и кору Земли. При неравномерной аккреции содержание свободного водорода в примитивной атмосфере должно было оказаться ниже, чем в случае равномерного процесса. Другие ученые отдают предпочтение аккреции, но проте кающей таким путем, который не должен приводить к образованию восстановительной атмосферы. Короче говоря, в последние годы были проанализированы различные мо дели образования Земли, из которых одни в большей, другие в меньшей степени согласуются с представлениями о вос становительном характере ранней атмосферы.

Попытки восстановить события, происходившие на заре формирования Солнечной системы, неизбежно связаны со множеством неопределенностей. Промежуток времени меж ду возникновением Земли и образованием древнейших по род, поддающихся геологической датировке, в течение ко торого протекали химические реакции, приведшие к появ лению жизни, составляет 700 млн. лет. Лабораторные опыты показали, что для синтеза компонентов генетической сис темы необходима среда восстановительного характера; поэ тому можно сказать, что раз жизнь на Земле возникла, то это может означать следующее: либо примитивная агмосфера имела восстановительный характер, либо органические сое динения, необходимые для зарождения жизни, откуда-то принесены на Землю. Поскольку даже сегодня метеориты приносят на Землю разнообразные органические вещества, последняя возможность не выглядит абсолютно фантасти ческой. Однако метеориты, по-видимому, содержат далеко не все вещества, необходимые для построения генетической системы. Хотя вещества метеоритного происхождения, ве

роятно, внесли существенный вклад в общий фонд органи ческих соединений на примитивной Земле, в настоящее время кажется наиболее правдоподобным, что условия на самой Земле имели восстановительный характер в такой степени, что стало возможным образование органического вещества, приведшее к возникновению жизни.

Эксперименты

в области предбиологической химии: синтез мономеров

Опарин, по всей видимости, не пытался проверить свою теорию экспериментально. Возможно, он понимал, что су ществующие аналитические методы непригодны для того, чтобы охарактеризовать сложные смеси органических ве ществ, которые могли бы образовагься в результате раз нообразных реакций между углеводородами, аммиаком и водой. Или, быть может, он довольствовался логической разработкой общих принципов, не считая нужным вникать в многочисленные детали. Как бы то ни было, но теория Опарина никогда не подвергалась проверке до тех пор, пока к ней не обратился Юри. А в 1957 г. его аспирант Стэнли Миллер поставил свой знаменитый эксперимент, благодаря которому проблема происхождения жизни превратилась из чисто умозрительной в научную, в самостоятельный раздел экспериментальной химии.

Моделируя условия па первобытной Земле, Миллер на лил на дно колбы немного воды и заполнил ее смесью газов, которые, по мнению Юри, должны были составлять при митивную атмосферу: водорода, метана, аммиака. Затем через газовую смесь пропускался электрический разряд. К концу недели, проводя химический анализ растворенных в воде продуктов, ученый обнаружил среди них значительное количество биологически важных соединений, включая гли цин, аланин, аспарагиновую и глутаминовую кислоты - четы ре аминокислоты, входящие в состав белков. В дальнейшем эксперимент был повторен с использованием более совер шенных аналитических методов и газовой смеси, в большей степени соответствующей принятым ныне моделям прими тивной атмосферы. При этом аммиак (который, вероятно, был растворен в первичном океане) в основном заменили азотом, а водород вообще исключили, поскольку сейчас

предполагается, что в самом лучшем случае его содержание в примитивной атмосфере было незначительным. В этом экс перименте образовались 12 аминокислот, входящих в состав белков*, а также ряд других, небелковых соединений, что представляло не меньший интерес по причинам, о которых мы расскажем впоследствии.

Изучение этих необычных реакций синтеза показало, что электрический разряд вызывает образование определенных первичных продуктов, которые в свою очередь участвуют в последующих реакциях до тех пор, пока полностью не растворятся в воде, образуя конечные продукты. К числу наиболее важных первичных продуктов, возникающих в процессе синтеза, относятся цианистый водород (HCN), фор мальдегид (НСНО), другие альдегиды и цианоацетилен (HCCCN). Аминокислоты образуются из цианистого во дорода по крайней мере двумя путями: в результате взаи модействия в растворе цианида, альдегида и аммиака и путем превращения самого HCN в аминокислоты-через сложную последовательность реакций, протекающих в вод ном растворе.

По всей вероятности, основным источником энергии на примитивной Земле, как и в настоящее время, было излу чение Солнца, а не электрические разряды. Поэтому раз личные исследователи пробовали использовать в качестве источника энергии, необходимой для синтеза аминокислот, ультрафиолетовое (УФ) излучение. Эксперимент дал поло жительные результаты. Максимальный выход аминокислот был получен, когда в газовую смесь, предложенную Юри, включали сероводород (H^S), который поглощает более длинноволновое УФ-излучение, преобладающее на поверх ности Земли. Аминокислоты образовались и в том случае, когда источником энергии служили ударные волны, порож дающие короткие "всплески" высокой температуры и дав ления. Источники энергии такого типа, вероятно, возникали в первичном океане под действием волн, а в атмосфере создавались раскатами грома, электрическими разрядами и падающими метеоритами.