Возникновение и развитие жизни на Земле - Георгий Войткевич

Вообще в данной области были проведены многочисленные экспериментальные исследования. Результаты их обычно рассматривались в качестве подтверждения идеи о том, что ультрафиолетовое излучение Солнца и грозовые явления в первичной атмосфере Земли при определенных температурах и давлениях должны были приводить к массовому образованию сложных углеродных соединений, в том числе белков (рис. 10). Однако в свете современных данных подобные представления следует отбросить. Земля принадлежит к внутренним планетам Солнечной системы и образовалась в термодинамических условиях, отличающихся от тех, в которых сформировались гигантские внешние планеты Юпитер и Сатурн. В своих водород-гелиевых атмосферах они действительно содержат СН4, NH3 и другие углеводороды. Наиболее близкой, хотя и не тождественной первичной атмосфере Земли является атмосфера безжизненной Венеры, состоящая преимущественно из CO2. Глубинные газы первичной мантии Земли, выделившиеся при вулканических извержениях и давшие начало первичной атмосфере планеты, содержат главным образом Н2О, CO2, SO2, Н2S, N2. Газы аналогичного состава обнаружены в метеоритах. Таким образом, данные современной геохимии и космохимии не дают никаких указаний на присутствие водорода, аммиака и метана в ранних планетах земной группы.

Наиболее обильный газ первичной атмосферы Земли был представлен СО2. Однако он спонтанно не может превращаться в органические соединения термодинамически менее устойчивые. Скудность водорода или же его быстрая потеря в условиях ранней Земли также резко снижала возможность синтеза органических веществ в атмосфере. На основании изучения физико-химических равновесии в космических условиях Г. Юри пришел к заключению, что при формировании Земли из прото-планетной туманности значительная часть первичного метана газопылевого облака улетучилась, так как повысились температуры в районе образования планет земной группы.

Отмеченное свидетельствует в пользу вывода о том, что основная масса органических соединений возникла за пределами Земли в период, предшествующий ее рождению. В таком выводе нет ничего необычного или парадоксального — ведь в ходе эволюции вещества Солнечной системы сформировались главные породообразующие минералы нашей планета и органические вещества вплоть до самых высокомолекулярных, давших начало первичным жизненным формам.

Таким образом, проблема происхождения органических веществ, как и проблема происхождения самой жизни, имеет прямое отношение к космохимии самой Солнечной системы. В настоящее время благодаря существенному расширению информации о составе различных тел Солнечной системы мы можем значительно глубже заглянуть в химическую историю вещества. Эти данные позволяют прийти к некоторым эмпирическим обобщениям, необходимым для понимания процесса образования органических веществ в протопланетной материи.

1. Земля, планеты и метеориты возникли из вещества Солнца. В пользу этого свидетельствует близость изотопного состава химических элементов, их слагающих. Различие химического состава планет и метеоритов — результат позднейших процессов, связанных с дифференциацией и фракционированием первичной более или менее однородной материи солнечного состава.

2. Возраст Земли, Луны, метеоритов и, вероятно, других планет, по данным ядерной геохронологии, 4,6-4,5 млрд лет. Метеориты, как осколки астероидов, являются древнейшими каменными телами Солнечной системы.

3. Родоначальные тела хондритов — продукты окислительно-восстановительных процессов в протопланетной туманности. У них различная степень окисления. Энстатитовые хондриты наиболее восстановлены, поскольку все железо в них находится в металлическом состоянии, кальций представлен ольдгамитом (CaS), фосфор — шрейберзитом (Fe, Ni, Cr)3P, хром входит в состав добреелита (FeCr2S4), a небольшая часть кремния частично растворена в металлическом железе. Материал обычных хондритов более окислен, и перечисленные минералы встречаются в небольших количествах. Углистые хондриты наиболее окисленные из метеоритов. В них все железо химически связано с кислородом в силикатах и магнетите. Сера присутствует в составе сульфатов.

4. Планеты земной группы и астероиды отличаются химическим составом, что отражает условия дифференциации и физико-химических процессов в период их образования. В близких к Солнцу планетах содержится больше металлического железа, чем в более отдаленных. Меркурий на 3/4 состоит из металлической фазы, Венера и Земля — на 1/3, отдаленный Марс — на 1/4. В поясе астероидов находятся тела преимущественно типа углистых хондритов, т.е. максимально окисленные. В зависимости от гелиоцентрического расстояния планеты земной группы и астероиды представляются телами различной степени окисления. Во время образования Солнечной системы ближе к Солнцу процессы окисления железа (и других веществ) протекали слабо, а по мере удаления от него интенсивность их возрастала.

5. Образование тяжелых радиоактивных и других элементов завершилось непосредственно перед формированием Солнечной системы. В метеоритах и отдельных их минеральных фракциях обнаружены следы вымерших радиоактивных изотопов: 26Al, 129I, 146Sm, 236U, 244Pu, 247Cm. Происхождение Солнечной системы связано с происхождением химических элементов. Период времени между окончанием естественного ядерного синтеза и возникновением твердых тел в Солнечной системе оценивается примерно в 50-100 млн лет. Именно в этом промежутке при охлаждении солнечного газа образовались мелкие частицы и капельки как продукты конденсации, которые в дальнейшем послужили строительным материалом для планет земной группы и метеоритных тел.

6. Вся Солнечная система химически дифференцирована. Ее тела изменяют свой состав в зависимости от гелиоцентрического расстояния, что является отражением установившейся определенной химической зональности протопланетной туманности в период ее образования. Так, если мы учтем главные планетные компоненты в виде следующего ряда: Fe-(0, Si, Mg)-H20-CH4, то по мере возрастания расстояния от Солнца в соответствующих телах увеличивается содержание компонентов слева направо. Ближайший к Солнцу Меркурий содержит преимущественно два первых компонента, в углистых хондритах — астероидах все железо окислено и уже содержится заметное количество H2О. Большая часть спутников гигантских планет покрыта льдом (Н2О), а далекий Плутон состоит из верхней оболочки, сложенной метаном (СН4).

Указанные положения, основанные на современном космохимическом материале, позволяют прийти к общему заключению о том, что происхождение Солнечной системы в первую очередь было связано с физико-химическими процессами в широком смысле слова. Эти процессы зависели от гелиоцентрического расстояния и степени охлаждения вещества в определенной зоне туманности.

В результате усилий довольно широкого круга исследователей на смену космогоническим гипотезам приходит новая теория, опирающаяся главным образом на данные космохимии и учитывающая физико-химические процессы при охлаждении первичной солнечной туманности, которые привели к химической неоднородности различных тел Солнечной системы,

Формирование химического состава Земли и планет определялось последовательной конденсацией элементов и их соединений в порядке, обратном их летучести, — из газовой системы приближенно солнечного состава: сперва тугоплавких, затем труднолетучих и наконец наиболее летучих элементов и их соединений. Температуры конденсации элементов и их соединений из газа солнечного состава при охлаждении ниже 2000 К были вычислены по уравнениям химической термодинамики Э. Андерсом, Дж. Ларимером, Л. Гроссманом, Дж. Льюисом и другими авторами. В широких пределах возможных давлений первыми выделяются капли железа при температуре 1500 К и ниже, затем силикаты магния (Mg2SiO4, MgSiO3), сульфиды (FeS). В конце, ниже 200 К, конденсируются такие вещества, как вода (лед) и ртуть. Результаты этих расчетов следует принимать как первое приближение к решению химической эволюции протопланетной туманности. В действительности в ней происходили сложные процессы взаимодействия между всеми химическими элементами таблицы Менделеева, а также между ранее выделившимися конденсатами и окружающей средой газовой фазы.

В самом общем виде можно себе представить, что образование планет совершалось в два этапа. Первый этап знаменовался охлаждением и конденсацией вещества газовой туманности. В связи с разной скоростью остывания в зависимости от гелиоцентрического расстояния туманность в отдельных зонах приобрела различный химический состав. Эта неоднородность увеличивалась под влиянием солнечных лучей, которые отбрасывали легкие газы в периферическую часть Солнечной системы, в область формирования гигантских планет. Второй этап — это процесс аккумуляции конденсированных частиц в протопланеты. Можно допустить, что оба этапа не были разделены сколько-нибудь значительным промежутком времени. Аккумуляция в определенных участках протопланетной туманности началась тогда, когда конденсация еще не завершилась.