Loading Posts...

Химия жизни в космосе и на Земле

Понимание происхождения жизни, возможно, является одним из самых важных вопросов для человечества. Этот вопрос неизбежно выходит за рамки проблемы появления жизни на Земле, охватывая тему ее существования во Вселенной в целом. Является ли земная жизнь случайной флуктуацией, или же она естественна и универсальна, как законы физики?

Вопрос о том, как устроен мир чуть дальше, чем за порогом собственного дома и настоящего времени, всегда интересовал пытливые умы. Космологические картины создания мира и происхождения жизни рассматриваются и в мифологии всех народов мира, и во всех религиях, и в научных концепциях. Вопрос о возникновении жизни также занимает одно из центральных мест в современных естественнонаучных исследованиях. Большую часть своей истории человечество склонно было верить во множественность обитаемых миров. Эта идея доминирует в буддистском мировоззрении (вместе с идеей переселения душ в эти самые миры), в раннем христианстве, а в Талмуде вообще прямо указано количество этих миров – 1 8 тысяч.

Греческая и европейская философия в лице Анаксимандра, Фалеса, Анаксагора, Эпикура, Лукреция Кара, Сирано де Бержерака, Фонтенеля, Гюйгенса, Вальтера, Галилея, Ломоносова, Канта, Лапласа, Гершеля поддерживала идею множественности обитаемых миров. Можно сказать, что она получила повсеместное распространение, и во времена Дарвина почти не было ученых или мыслителей, которые выступали бы против нее. Лишь отдельные голоса осмеливались не соглашаться с тем, что жизнь — в том числе разумная — распространена поголовно на всех планетах.

Исключений было два: католическая церковь, яростно отстаивающая богоизбранность и единственность земного человечества, и естественнонаучная мысль XX века. Тогда доминирующей парадигмой происхождения жизни на Земле стала гипотеза Опарина-Холдейна, которая предполагает возникновение живых организмов на поверхности нашей планеты из первичного бульона в первые несколько сотен миллионов лет ее существования. В 1600 г. Джордано Бруно пошел на костер инквизиции именно за идею множественности обитаемых миров. Спустя 350 лет дровишек в его костер накидали бы уже не религиозные деятели, а прогрессивные ученые индустриального общества.

Но маятник никогда не качается только в одну сторону. В настоящее время наблюдается взаимообогащение и развитие обеих концепций. К философским рассуждениям добавились результаты научных исследований по космологии, гелиофизике и астробиологии, полученные на протяжении последних 15-20 лет. Для протекания любого процесса нужна энергия. У биосферы есть только два глобальных ее источника – Солнце и земные недра. Наша звезда — основной «поставщик» энергии для всех планет Солнечной системы, ее поведение модулирует все пространственно-временные закономерности межпланетной среды в гелиосфере. Динамика молодого Солнца и физические условия на ранней Земле, безусловно, определяли формирование биосферы нашей планеты, выбраковывая. к примеру, из возникающих молекул конфигурации, неустойчивые к ультрафиолетовому излучению. Солнечная активность до сих пор определяет практически все изменения, происходящие во всех оболочках Земли (ионосфере, атмосфере, биосфере и даже литосфере). Многолетняя динамика биосферы на всех уровнях — от ДНК бактерий до человеческого социума – воспроизводит периодическую и спорадическую динамику нашего светила. Было бы странно, если бы мы не попытались оценить степень возможного влияния его активности в древние эпохи, а также воздействия галактических процессов на
формирование и развитие жизни на Земле.

Как родилось Солнце и планеты?

Возраст Солнца оценивается в 4.6 млрд лет. Более полувека назад астрофизики пришли к согласию, что звезды рождаются в гигантских комплексах галактических молекулярных облаков. В массивных газово-пылевых дисках с глобальной гравитационной неустойчивостью возникают двойные звезды или системы «звезда — планеты-гиганты». Умеренно массивные протопланетные диски порождают системы типа Солнечной. Маломассивные диски, как правило, рассеиваются, не приводя к появлению планетных систем.

Был ли процесс формирования Солнечной системы равномерным и кратковременным? Скорее всего – нет. После падения метеорита Альенде и исследования его кальций-алюминиевых включений (CAI) считается, что аномальный легкий изотоп алюминия 26AL указывает на «вымерший» магний-26. Этот короткоживущий изотоп (время полураспада около 720 тыс. лет) возникает при взрывах сверхновых. Значит, можно предположить, что примерно за два миллиона лет до рождения нашей планетной системы где-то поблизости произошла вспышка Сверхновой, которая либо послужила триггером для начала формирования Солнца и его «семьи», либо «впрыснула» некую долю вещества в уже существовавший протопланетный диск. Примерно спустя миллион лет после начала его формирования рядом вспыхнула, как считают некоторые исследователи, еще одна сверхновая, обогатившая диск короткоживущим железом-60. Продукты распада этого изотопа, найденные в метеоритах и лунном грунте, свидетельствуют в пользу идеи о рождении Солнечной системы в плотной звездной ассоциации с присутствием соседних массивных звезд и возможностью неоднократных инжекций «свежего» вещества.

Земля немного моложе Солнца — ей чуть больше 4.5 млрд лет. На данный момент подтверждена оценка общей длительности завершающего этапа ее роста – около 100 млн лет от начала образования из протопланетного диска. Несколько раньше появились газовые гиганты, сосредоточив в себе основную массу газово-пылевого облака будущей Солнечной системы. Миграция Юпитера на его нынешнюю орбиту остановила рост Земли и позволила ей существовать в привычном для нас диапазоне современных физических характеристик (масса, расположение в ряду других планет, наличие магнитного поля и атмосферы). Возникновение устойчивой системы «Земля-Луна» также определило стабильность параметров нашей планеты.

Читать:  Революция коперника

Длительность земных суток, период обращения Земли вокруг Солнца, путь, который она проделывала в течение года по Солнечной системе, количество дней в древнем году, сценарий столкновения прото-Земли с планетой размером с Марс и образование прото-Луны, первоначальная температура и состояние поверхности, возникновение океанов, исходный состав земной атмосферы и напряженность магнитного поля – все эти вопросы пока неоднозначные и дискуссионные. Проблеме состояния «первичной» Земли и ее эволюции в первые 500 млн лет посвящены сотни публикаций. Отсутствие образцов пород, относящихся к указанной эпохе, делает проблематичным выбор рабочей модели из десятка гипотез, предложенных только в последнее десятилетие. Наиболее согласованная версия гласит, что Земля никогда не была ни «огненно-жидкой», ни «холодной». Нагреваемая ударами падающих тел (масса крупнейших из них на заключительных стадиях могла составлять до 1% земной), растущая планета временами имела гигантские очаги расплавов. Данные по древнейшим австралийским цирконам свидетельствуют о том, что, по крайней мере, в моменты порядка 4,4, 4,3, 4,2 и 4,1 млрд лет назад существовали водные бассейны. Они могли испариться, а потом снова возникнуть во время так называемой поздней метеоритной бомбардировки 4,1-3,8 млрд лет назад. Заманчиво связать эту бомбардировку с затянувшимся пребыванием Солнечной системы в звездном скоплении или прохождении ее через другое подобное скопление (отдельные гравитационно связанные рассеянные скопления могут жить несколько сотен миллионов лет).

Еще одна проблема состоит в том. что первичный состав земной атмосферы достоверно неизвестен. Есть только модели, основанные на том принципе, что в первый миллиард лет жизни Земли он определялся газообразованием вследствие вулканической деятельности. Относительные концентрации газов, полученные в результате моделирования, отличаются в разы, а то и на порядок. Одни исследователи считают, что исходно преобладал водород, другие предполагают доминирование азота, а третьи – углекислого газа. Последняя модель базируется на том. что первичная земная атмосфера, генерируемая вулканической деятельностью, была гонкой, но во много раз более плотной, чем сейчас. Она создавала «парниковую» прослойку, не дающую теплу уходить в космос. В статье японских ученых (Hamano К.. Abe Y.. Genda Н. Department of Earth and Planetary Science, The University of Tokyo) рассматривается процесс возникновения разных первичных атмосфер и океанов у планетных тел с массой прото-Земли на гелиоцентрическом расстоянии 0.7 и 1 а. е. (Венера и Земля). Предполагается, что именно эта не слишком большая разница в удаленности от Солнца позволила Земле сохранить воду в жидком океаническом виде и определила возможность появления на ней жизни современного типа.

Межзвездная органическая химия

Датировка древних земных организмов дает временной интервал около 4 млрд лет для развития биосферы нашей планеты. Вопрос о месте и времени зарождения жизни остается открытым. В настоящее время ареал, в котором ведутся поиски жизни (в ее бактериальной форме), значительно расширился. Ее колыбелью могут быть как молекулярные галактические облака и протопланетные диски, так и вулканы, но в первую очередь — океаны Земли. Марса, астероидов, спутников планет-гигантов, а также экзопланет. Изменилось понятие «зоны обитаемости». Теперь в нее уже не входит в качестве обязательного условия наличие жидкой воды на поверхности. Земная разновидность жизни не считается единственной биохимически возможной. В качестве растворителя альтернативные биологические структуры вместо воды могли бы использовать аммиак, серную кислоту, формамид или жидкий углекислый газ.

Результаты исследований химического состава молекулярных облаков в межзвездном пространстве позволяют сделать вывод о том, что в них протекают активные процессы добиологического синтеза сложных органических веществ уже на стадии формирования звездных скоплений. Внутренние области таких облаков защищены большим количеством пыли от ультрафиолетового и видимого излучения звезд Галактики, что создает в них благоприятные условия для синтеза сложных молекул. По современным представлениям, ключевую роль в межзвездной молекулярной химии играют реакции между ионизованными и нейтральным реагентами, а первичную ионизацию обеспечивают частицы космических лучей. В межзвездном веществе происходят как синтез («сборка»), так и диссоциация («распад») молекул.

В настоящее время количество известных межзвездных и околозвездных молекул приближается к двум сотням (без учета изомеров и изотопомеров). Среди них встречаются как простые, так и довольно сложные соединения: самые большие уверенно идентифицированные молекулы состоят из 12 атомов. В межзвездной среде, несомненно, присутствуют и более сложные структуры — фуллерены, какие-то формы ароматических соединений. Обновляемый список инструментально зарегистрированных молекул приведен на специализированном астрохимическом сайте. В последнее время это разнообразие все чаще становится поводом для предположения о том, что органика вполне могла попадать на Землю и на другие формирующиеся планеты «в готовом виде».

Успешный лабораторный добиологический синтез органических веществ из формамида в присутствии метеорных частиц в качестве катализаторов под действием ионизирующих излучений был проведен в 2015 г. в Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна) в ходе совместного российско-итальянского эксперимента. Выяснилось, что широко распространенные в космосе молекулы формамида в присутствии мелко раздробленных метеоритных фрагментов при облучении быстрыми протонами — аналогом солнечного ветра — приводят к абиогенному образованию разнообразных аминокислот и других важнейших биологических соединений. Аналогичные результаты получены при облучении ультрафиолетом пиримидина, вмороженного в «грязный лед» с содержанием элементов, соответствующим реальному в межзвездной среде. Это может означать, что -кирпичики жизни» возникают в протопланетных дисках еще на стадии слипания пылинок и появления планетезималей.

Читать:  Вблизи от быстро вращающейся звезды обнаружена необычно спокойная черная дыра

Планетная биохимия

При образовании планет в околозвездных дисках за десятки миллионов лет происходит сжатие вещества — от разреженной газово-пылевой среды межзвездных облаков до конденсированного состояния (твердого или жидкого). Такое сжатие может сопровождаться потерей водорода и гелия, как у планет земной группы Солнечной системы. В этом случае происходит обогащение среды кислородом, углеродом, азотом и другими элементами пропорционально их космической распространенности. Эти элементы вместе с водородом составляют основу органических соединений и известной нам жизни. В то же время сжатие — процесс неравновесный, оно протекает со значительным изменением параметров по давлению, температуре. плотности вещества, воздействию излучения и сопровождается разнообразным комплексом физико химических реакций. Различные размеры планетезималей и пылевых облаков вокруг них. неравновесные температуры, волны плотности, флуктуации магнитного поля в процессе формирования планет предоставляют широчайший спектр возможных условий для организации первичных биологических структур из протопланетной органики.

Наблюдаемая гомохиральность «молекул жизни» до сих пор не получила достойного научного обоснования с помощью исключительно земных факторов. Однако она вполне могла зародиться еще во время формирования планетной системы под влиянием поляризованного излучения сверхмассивной звезды предыдущего поколения, инициировавшей звездообразование (в том числе нашего Солнца) в своих окрестностях.

Поясним подробнее. Для земной жизни характерно существование выделенной конфигурации биологических молекул, когда часть из них никакими поворотами и перемещениями в пространстве не может быть совмещена со своим зеркальным отражением (как перчатки для левой и правой руки). Растворы таких соединений обладают свойством поворачивать плоскость поляризации проходящего сквозь них света. Например, ДНК и РНК построены на углеводах с выделенным D-направлением вращения (так называемые правовращающие углеводы), а в состав белков входят практически исключительно L-аминокислоты (левовращающие). Рецепторы, ферменты, антитела и другие элементы живых организмов также обладают хиральностью. Структурное несоответствие между этими элементами и хиральными молекулами препятствует их взаимодействию — из двух химически идентичных сахаров, имеющих разную «ориентацию», один будет усваиваться организмом, а второй для него бесполезен, и его употребление приведет в конечном итоге к смерти от истощения. Правила химии и биологии не запрещают существования где-то во Вселенной жизни с другой хиральностью, построенной, как и наша, на основе углерода, но, например, с L-углеводами в ДНК. Однако на Земле такая форма, даже если когда-то была занесена или пыталась развиться самостоятельно, просто не выжила в жестокой конкурентной борьбе первичной жизни.

Как уже упоминалось, изотопный состав Солнечной системы говорит о том, что на раннем этапе ее формирования неподалеку произошел взрыв массивной Сверхновой. А это означает, что за несколько миллионов лет до взрыва протопланетный диск должен был испытать сильное воздействие излучения той же, но еще только рождающейся звезды, которое могло быть поляризованным и вызвать появление небольшой преимущественной хиральности вещества этого диска, впоследствии усиленной в ходе химических реакций и под влиянием ультрафиолетового облучения.

Недавно в Туманности Ориона была обнаружена протозвезда с подобным поляризованным излучением (Orion BN/KL), что подтверждает возможность существования внеземного источника гомохиральности нашей биосферы.

В процессе эволюции протопланетного диска некоторые из -кирпичиков жизни» могут попадать туда, где имеются условия, подходящие для возникновения экосистем — например, в рождающиеся астероиды. которым предстоит пережить фазу жидкого водяного ядра и служить переносчиками жизни в течение миллионов лет. Поэтому следует допустить возможность многократного -заноса», а также многократного возникновения и разрушения различных биологических структур.

Сложности выживания

На Земле существуют бактерии и микроорганизмы, которые могут длительное время находиться в экстремальных условиях космического пространства. Они хорошо переносят высокие дозы радиации и способны в «законсервированном» виде в метеоритах сохранять жизнеспособность на протяжении миллионов лет. Гипотеза литопанспермии предполагает, что метеорные тела, астероиды и ядра комет могут переносить формы жизни с планеты на планету как в рамках одной планетной системы, так и за ее пределы. При этом организмы должны выжить при выбросе в космос с поверхности родной планеты в результате падения крупного астероида, перенести длительное путешествие (в том числе межзвездное) и уцелеть при падении на другую планету.

Ученые активно ищут внеземную жизнь или ее окаменелые остатки в метеоритах. В них уже обнаружены структуры, очень напоминающие ископаемые остатки бактерий. Самый сложный вопрос в том, действительно ли эти окаменелости имеют биологическое происхождение, и если это так, то не принадлежат ли они к земным организмам, попавшим в метеорит после его падения? Тут мнения расходятся, и только дальнейшие исследования могут дать окончательный ответ.

Если на нашу планету действительно были занесены представители внеземной жизни, рожденной в астероидах или на других планетах, то в контакте с новой враждебной средой молодой Земли выжила одна первичная форма — возможно, не самая удачная, но такая, как есть, с универсальным набором из четырех азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин, цитозин), составляющих весь «генный конструктор» современной земной биосферы.

Что определило именно такой набор генов, которым мы располагаем? Скорее всего — спектр и интенсивность излучения молодого Солнца (причем даже в большей степени, чем физические условия на ранней Земле), которые значительно отличались от нынешних.

Читать:  Уравнение Дрейка

В ранние эпохи солнечная активность была более высокой, чем сейчас, и менее упорядоченной. Затем установились циклы, однако их амплитуды менялись: последовательности высоких циклов сменялись эпохами низкой активности. Электромагнитное излучение нашей звезды в оптическом диапазоне на описываемых этапах эволюции менялось незначительно, однако отношение светимости молодого Солнца в мягком рентгеновском диапазоне (0,15-4 кэВ) к его полной (болометрической) светимости было в тысячи раз большим, чем в обычный максимум активности в современную эпоху. То же можно сказать и об интенсивности солнечных космических лучей.

При отсутствии у Земли атмосферы и меньших размерах магнитосферы эти виды излучения были существенными поражающими факторами, препятствовавшими как процессам зарождения жизни, так и переносу органических молекул с планеты на планету в пределах Солнечной системы. С другой стороны, мощное ультрафиолетовое излучение являлось стимулирующим и системообразующим фактором для развития первых экологических систем при возникновении единого генетического кода земной биосферы — например, путем отбраковки из формирующихся молекул конфигураций, неустойчивых к облучению ультрафиолетом.

От 4 до 3,5 млрд лет тому назад во вспышечной активности нашего светила доминировали не импульсные явления (как в настоящее время), а более длительные события. Однако в момент крупных вспышек мощность корпускулярного излучения древнего Солнца не менее чем в 10 тыс. раз превосходила современный уровень. 4 млрд лет назад и ранее, даже при наличии благоприятных температурных, атмосферных и литосферных условий, вновь сформировавшаяся или занесенная с метеоритами жизнь на Земле практически сразу погибла бы под действием очередного импульсного потока внешнего излучения, не успев начать процесс эволюции. Вполне вероятно, что возникновение и устойчивое развитие сложной современной биосферы является следствием не только появления магнитосферы и атмосферы современного типа, но и переходом к более упорядоченному и регулярному типу солнечной активности.

Так называемая модель «цинкового мира» Армена Мулкиджзняна рассматривает биохимические процессы возникновения первых клеток и экологических сообществ в геотермальных водоемах древней Земли при повышенной активности молодого Солнца. Ультрафиолетовое излучение играет роль источника энергии, катализатора и фактора отбора первых биологических структур. В процессе участвуют обогащенный вулканический пар (с соотношением калия и натрия, соответствующего цитоплазме современных клеток), геотермальная вода с хлоридами натрия и железа, пористые минеральные твердые осадки в качестве катализатора и основной матрицы; присутствуют также фосфор, азот, цинк, марганец, молибден и бор, а сульфид цинка выполняет функцию защитной пленки от избыточного УФ-излучения. В таких условиях может существовать сразу несколько различных механизмов синтеза органических веществ при участии атмосферного углекислого газа и азота. Все это способно привести к образованию не только отдельных биоэлементов, но и целых экологических колоний первой земной биосферы в древних вулканических геотермальных грязевых котлах.

Даже сейчас, при относительно спокойном Солнце, вклад его активности в климат и развитие биосферы очень велик. Несомненно, что за 4 миллиарда лет земная жизнь полностью подстроилась под динамику нашей звезды.

Краткие итоги

Современные гипотезы возникновения жизни основываются на предположениях, значительно отличающихся от тех. которые рассматривались 20 лет назад.

Добиологический синтез сложных органических веществ и процессы формирования «молекул жизни» могут начинаться уже на этапе формирования звездных скоплений из молекулярных облаков. Гипотеза панспермии и гипотеза зарождения первичной жизни на Земле не рассматриваются как непримиримые конкуренты – скорее всего, это разные стадии одного и того же процесса. Возникновение жизни представляет собой процесс самоорганизации в природных условиях с химического уровня на биологический, который не обязательно проходил только на Земле, а, возможно, имел внеземной этап. Гипотеза возникновения земных экосистем в однофазной среде («первичный бульон») представляется на данный момент неубедительной. Все современные модели рассматривают двух-, а чаще трехфазные среды с присутствием глин, водных растворов и атмосферных газов, а также учитывают роль интенсивного ультрафиолетового и рентгеновского излучения древнего Солнца. «Водно-углеродный шовинизм» (построение единственно возможного варианта жизни на базе углерода с растворителем в виде воды) в качестве основной концепции жизнеспособных организмов неоправданно суживает ареал обитаемости Вселенной. Биохимически земная форма жизни не является единственно возможной.

«Молекулы жизни», вероятнее всего, возникают в протопланетных дисках еще на стадии слипания пылинок и образования планетезималей. В процессе эволюции некоторые из этих молекул попадают туда, где могут создаться условия, подходящие для их сохранения и переноса. При попадании на планету начинается новый цикл развития и адаптации жизни применительно к конкретным физическим условиям. Как показывает пример нашей Земли, иногда этот процесс бывает успешным.

Литература

“Life and the Universe” (ed. Obridko V.. Ragulskaya M.) – SPB. BBM. 2017
http://www.izmiran.ru/pub/izmiran/Life-n-Universe.pdf.
Mulkidjan A. Y., Galperin M. Y. Biology direct. 2009. v.4. p. 27.

Ха-хаХа-ха
ЛайкЛайк
ВауВау
ДоволенДоволен
ПечальноПечально
ЗлюсьЗлюсь
Voted Thanks!
Подписывайтесь на наши каналы в Яндекс Дзен и Телеграмм
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments
Loading Posts...