Страница:
Уникальность нашей цивилизации не имеет однозначного объяснения. Предварительно можно предложить несколько версий.
Первая версия – удачное расположение Солнечной системы вдали от ядра Галактики, уникальные свойства Солнца, в частности, высокая стабильность и оптимальный спектр излучения, а также и самой Земли – ее химический состав, размеры, параметры орбиты, обеспечивающие условия, необходимые для развития жизни вплоть до ее высших форм. Придается значение также тому факту, что Солнце возникло как одиночная звезда. Многие звезды рождаются и затем продолжают существовать группами. В таких скоплениях планетные системы отдельных звезд нестабильны, т. к. орбиты планет подвергаются возмущениям со стороны других звезд, существенно увеличивающих вероятность искажения орбиты и столкновений. Возникновение жизни и, главное, длительная эволюция в таких условиях маловероятны. Однако, даже если значительная часть звезд находится в скоплениях, в доступном космосе присутствует еще много одиночных звезд. По последним данным почти все они обзавелись планетами. Планеты, похожие на Землю, обращающиеся вокруг самой звезды или являющиеся спутниками более крупных планет, также не должны быть редкостью (Lissauer, 1999). Поэтому первая версия не кажется убедительной.
Вторая версия – чрезвычайно низкая вероятность возникновения жизни (т. е. образования способной к воспроизведению клетки) даже при благоприятных для того условиях. Но коль скоро жизнь возникла, велика вероятность, что ее эволюция приведет к разумной жизни. По этой версии нам просто повезло, что очень редкое событие – зарождение жизни – произошло на Земле.
Третья версия – при достаточно высокой вероятности возникновения жизни и даже образования сложных форм, в том числе многоклеточных, включая растения и животных, крайне мала вероятность реализации варианта эволюции, который, в итоге, приводит к появлению разумных существ. По этой версии вероятность появления разумных существ в результате неизбежно длительной эволюции (на Земле почти 4 млрд лет непрерывного развития) зависит от множества случайных событий как внутриклеточных (мутации по Дарвину), так и внешних, включая мощные природные катаклизмы. Все эти события, происходя в должные моменты, направляют эволюцию в определенное русло. Любое отступление уведет эволюцию в сторону от перспективного до того момента направления либо вообще ликвидирует это направление. Согласно обсуждаемой версии, как и предыдущей, Земля вытащила счастливый билет. Однако между этими версиями существует принципиальное различие. Согласно одной – лимитирующим этапом предполагается появление жизнеспособной клетки. Дальнейшая эволюция может с достаточно высокой вероятностью привести к появлению мыслящих существ. Согласно же другой версии, вероятность появления жизни велика везде, где есть благоприятные условия, а особая судьба Земли в том, что из многих планет, обретших жизнь, только здесь эволюция привела к крайне маловероятному событию – появлению разумного существа, человека. Среди главных признаков, отличающих разумные существа от остальных, в том числе высокоразвитых существ, обычно отмечают способность к ассоциативному и абстрактному мышлению, склонность к обобщениям и творчеству. Имея в виду обсуждаемые нами проблемы, добавим, что разумному существу свойственно проявлять интерес к прошлому и задумываться о будущем.
В последующих главах мы обсудим предложенные выше версии. Для этого придется рассмотреть широкий спектр вопросов, начиная от процессов, протекавших в период возникновения Солнечной системы. Будут рассмотрены современные концепции химической, предклеточной и раннеклеточной эволюции. Мы обсудим, правда на чисто интуитивном уровне, могли ли все эти этапы становления жизни быть выполнены в сроки, отведенные для них на Земле. Будет прослежено воздействие на ход эволюции многократно имевших место на Земле глобальных катастроф и обращено внимание на опасность для человечества грядущих катастроф, как локальных (касающихся только Земли), так и космического масштаба. Имея в виду необходимость противостояния этим последним (пусть и в отдаленном будущем), будут обсуждены пути повышения интеллектуальных возможностей людей.
Книга вполне доступна читателю, имеющему современное среднее образование, т. е. знакомому с основами физики, астрономии, химии, а также клеточной и молекулярной биологии. Автор надеется также, что книга привлечет внимание интересующихся обсуждаемыми проблемами специалистов. В расчете на квалифицированного читателя приведен подробный список использованной литературы.
Глава II. Ранняя Земля
2.1. Образование Солнечной системы
2.2. История ранней Земли. Образование Луны
2.3. Атмосфера ранней Земли и ее роль в доклеточной эволюции
Первая версия – удачное расположение Солнечной системы вдали от ядра Галактики, уникальные свойства Солнца, в частности, высокая стабильность и оптимальный спектр излучения, а также и самой Земли – ее химический состав, размеры, параметры орбиты, обеспечивающие условия, необходимые для развития жизни вплоть до ее высших форм. Придается значение также тому факту, что Солнце возникло как одиночная звезда. Многие звезды рождаются и затем продолжают существовать группами. В таких скоплениях планетные системы отдельных звезд нестабильны, т. к. орбиты планет подвергаются возмущениям со стороны других звезд, существенно увеличивающих вероятность искажения орбиты и столкновений. Возникновение жизни и, главное, длительная эволюция в таких условиях маловероятны. Однако, даже если значительная часть звезд находится в скоплениях, в доступном космосе присутствует еще много одиночных звезд. По последним данным почти все они обзавелись планетами. Планеты, похожие на Землю, обращающиеся вокруг самой звезды или являющиеся спутниками более крупных планет, также не должны быть редкостью (Lissauer, 1999). Поэтому первая версия не кажется убедительной.
Вторая версия – чрезвычайно низкая вероятность возникновения жизни (т. е. образования способной к воспроизведению клетки) даже при благоприятных для того условиях. Но коль скоро жизнь возникла, велика вероятность, что ее эволюция приведет к разумной жизни. По этой версии нам просто повезло, что очень редкое событие – зарождение жизни – произошло на Земле.
Третья версия – при достаточно высокой вероятности возникновения жизни и даже образования сложных форм, в том числе многоклеточных, включая растения и животных, крайне мала вероятность реализации варианта эволюции, который, в итоге, приводит к появлению разумных существ. По этой версии вероятность появления разумных существ в результате неизбежно длительной эволюции (на Земле почти 4 млрд лет непрерывного развития) зависит от множества случайных событий как внутриклеточных (мутации по Дарвину), так и внешних, включая мощные природные катаклизмы. Все эти события, происходя в должные моменты, направляют эволюцию в определенное русло. Любое отступление уведет эволюцию в сторону от перспективного до того момента направления либо вообще ликвидирует это направление. Согласно обсуждаемой версии, как и предыдущей, Земля вытащила счастливый билет. Однако между этими версиями существует принципиальное различие. Согласно одной – лимитирующим этапом предполагается появление жизнеспособной клетки. Дальнейшая эволюция может с достаточно высокой вероятностью привести к появлению мыслящих существ. Согласно же другой версии, вероятность появления жизни велика везде, где есть благоприятные условия, а особая судьба Земли в том, что из многих планет, обретших жизнь, только здесь эволюция привела к крайне маловероятному событию – появлению разумного существа, человека. Среди главных признаков, отличающих разумные существа от остальных, в том числе высокоразвитых существ, обычно отмечают способность к ассоциативному и абстрактному мышлению, склонность к обобщениям и творчеству. Имея в виду обсуждаемые нами проблемы, добавим, что разумному существу свойственно проявлять интерес к прошлому и задумываться о будущем.
В последующих главах мы обсудим предложенные выше версии. Для этого придется рассмотреть широкий спектр вопросов, начиная от процессов, протекавших в период возникновения Солнечной системы. Будут рассмотрены современные концепции химической, предклеточной и раннеклеточной эволюции. Мы обсудим, правда на чисто интуитивном уровне, могли ли все эти этапы становления жизни быть выполнены в сроки, отведенные для них на Земле. Будет прослежено воздействие на ход эволюции многократно имевших место на Земле глобальных катастроф и обращено внимание на опасность для человечества грядущих катастроф, как локальных (касающихся только Земли), так и космического масштаба. Имея в виду необходимость противостояния этим последним (пусть и в отдаленном будущем), будут обсуждены пути повышения интеллектуальных возможностей людей.
Книга вполне доступна читателю, имеющему современное среднее образование, т. е. знакомому с основами физики, астрономии, химии, а также клеточной и молекулярной биологии. Автор надеется также, что книга привлечет внимание интересующихся обсуждаемыми проблемами специалистов. В расчете на квалифицированного читателя приведен подробный список использованной литературы.
Глава II. Ранняя Земля
2.1. Образование Солнечной системы
Около 4.6 млрд лет тому назад газопылевая туманность, из которой затем сформировалась наша Солнечная система, вступила в фазу сжатия. Участившиеся столкновения пылевых частиц вызывали разогрев материи особенно в более плотных центральных областях. Поначалу тепло свободно излучалась в пространство. Однако по достижении достаточно высокой плотности отток тепла оказался затрудненным, а затем почти прекратился. Вследствие этого плотное ядро туманности, в котором из газов преобладал водород, стало разогреваться. Когда температура достигла нескольких миллионов градусов, началась реакция слияния ядер водорода, протекающая с выделением большого количества энергии. Хотя с повышением давления газов в центральной области туманности сжатие прекратилось, запущенная термоядерная реакция поддерживала высокую температуру плотного ядра – молодого Солнца.
Параллельно изменялась структура периферии туманности. Вследствие сжатия скорость ее вращения возрастала (при сохранении общего момента количества движения), и она трансформировалась в быстро вращающийся диск. При этом резко участились столкновения пылевых частиц, сорбировавших на себе газы и вещества, синтезированные в разогретой туманности. Сталкивавшиеся частицы слипались (происходила аккреция). Процесс аккреции шел крайне неравномерно, вследствие чего стали образовываться тела разного размера. Немногие тела достигли крупных размеров. На завершающих этапах формирования этих тел – будущих планет – решающую роль сыграли силы гравитации: на протопланеты сплошным потоком падали более мелкие образования. При столкновениях выделялось тепло. Образовавшиеся в горниле термоядерного котла молодого Солнца и периодически выбрасываемые в окружающее пространство короткоживущие радиоактивные элементы сорбировались на пылинках и увеличивали разогрев укрупнявшихся тел.
На завершающих стадиях формирования планет их поверхность, в том числе поверхность прото-Земли, оказалась расплавленной. Когда материал для аккреции был в значительной степени исчерпан, начался процесс остывания планет. Анализ изотопного состава радиоактивных семейств в сохранившихся с тех пор минералах, занесенных на Землю как метеориты, позволил оценить минимальный возраст Солнечной системы в 4.5695 млрд лет (Baker et al., 2005). Реальность описанного выше процесса формирования Солнечной системы подтверждается современными астрономическими наблюдениями. Обнаружено много космических объектов, которые представляют собою звездные системы на разных стадиях формирования: от только приступивших к сжатию туманностей до быстро вращающихся дисков с молодой звездой в центре (Habing et al., 1999).
Медленное вращение многих зрелых звезд, в том числе нашего Солнца, связывают с присутствием планет, которые берут на себя часть момента количества движения системы. Именно эти наблюдения позволили с достаточной степенью уверенности описать поэтапно процесс формирования из газовой туманности нашего Солнца и обращающихся вокруг него тел. С другой стороны, исследование Солнечной системы изнутри позволяет представить структуру других планетных систем, т. к. основные принципы их формирования должны быть общими. А это означает, что внутренние (ближайшие к звезде) планеты – небольшие и плотные (как Земля), а внешние – большие и рыхлые (как Юпитер и Сатурн). Крупные планеты уже обнаружены около многих звезд. При этом использованы такие методы как фотометрия (определялось периодическое снижение яркости звезды при прохождении планеты перед диском звезды), допплеровская техника, позволяющая определять изменения скорости приближения или удаления звезды при ее движении по орбите, вызванные взаимодействием звезды с крупной планетой (или планетами). В разных звездных системах уже обнаружено около двадцати планет, подобных Юпитеру, и даже более крупных. До настоящего времени не удалось выявить планеты, по размерам близкие Земле, обращающиеся вокруг других звезд или вокруг крупных планет, хотя существует полная уверенность, что они присутствуют во многих звездных системах (Lissauer, 1999). Для обнаружения этих планет необходимо существенно повысить чувствительность аппаратуры, в том числе оптических и радиотелескопов. Усовершенствование спектральных методов позволит не только обнаружить подобные Земле планеты, но и непосредственно их исследовать, в частности провести анализ поверхности планет и их атмосферы. По мнению многих специалистов, новых открытий следует ожидать уже в течение ближайших десяти-двадцати лет. Однако в настоящее время могут быть исследованы только объекты Солнечной системы и, в первую очередь, сама Земля.
Параллельно изменялась структура периферии туманности. Вследствие сжатия скорость ее вращения возрастала (при сохранении общего момента количества движения), и она трансформировалась в быстро вращающийся диск. При этом резко участились столкновения пылевых частиц, сорбировавших на себе газы и вещества, синтезированные в разогретой туманности. Сталкивавшиеся частицы слипались (происходила аккреция). Процесс аккреции шел крайне неравномерно, вследствие чего стали образовываться тела разного размера. Немногие тела достигли крупных размеров. На завершающих этапах формирования этих тел – будущих планет – решающую роль сыграли силы гравитации: на протопланеты сплошным потоком падали более мелкие образования. При столкновениях выделялось тепло. Образовавшиеся в горниле термоядерного котла молодого Солнца и периодически выбрасываемые в окружающее пространство короткоживущие радиоактивные элементы сорбировались на пылинках и увеличивали разогрев укрупнявшихся тел.
На завершающих стадиях формирования планет их поверхность, в том числе поверхность прото-Земли, оказалась расплавленной. Когда материал для аккреции был в значительной степени исчерпан, начался процесс остывания планет. Анализ изотопного состава радиоактивных семейств в сохранившихся с тех пор минералах, занесенных на Землю как метеориты, позволил оценить минимальный возраст Солнечной системы в 4.5695 млрд лет (Baker et al., 2005). Реальность описанного выше процесса формирования Солнечной системы подтверждается современными астрономическими наблюдениями. Обнаружено много космических объектов, которые представляют собою звездные системы на разных стадиях формирования: от только приступивших к сжатию туманностей до быстро вращающихся дисков с молодой звездой в центре (Habing et al., 1999).
Медленное вращение многих зрелых звезд, в том числе нашего Солнца, связывают с присутствием планет, которые берут на себя часть момента количества движения системы. Именно эти наблюдения позволили с достаточной степенью уверенности описать поэтапно процесс формирования из газовой туманности нашего Солнца и обращающихся вокруг него тел. С другой стороны, исследование Солнечной системы изнутри позволяет представить структуру других планетных систем, т. к. основные принципы их формирования должны быть общими. А это означает, что внутренние (ближайшие к звезде) планеты – небольшие и плотные (как Земля), а внешние – большие и рыхлые (как Юпитер и Сатурн). Крупные планеты уже обнаружены около многих звезд. При этом использованы такие методы как фотометрия (определялось периодическое снижение яркости звезды при прохождении планеты перед диском звезды), допплеровская техника, позволяющая определять изменения скорости приближения или удаления звезды при ее движении по орбите, вызванные взаимодействием звезды с крупной планетой (или планетами). В разных звездных системах уже обнаружено около двадцати планет, подобных Юпитеру, и даже более крупных. До настоящего времени не удалось выявить планеты, по размерам близкие Земле, обращающиеся вокруг других звезд или вокруг крупных планет, хотя существует полная уверенность, что они присутствуют во многих звездных системах (Lissauer, 1999). Для обнаружения этих планет необходимо существенно повысить чувствительность аппаратуры, в том числе оптических и радиотелескопов. Усовершенствование спектральных методов позволит не только обнаружить подобные Земле планеты, но и непосредственно их исследовать, в частности провести анализ поверхности планет и их атмосферы. По мнению многих специалистов, новых открытий следует ожидать уже в течение ближайших десяти-двадцати лет. Однако в настоящее время могут быть исследованы только объекты Солнечной системы и, в первую очередь, сама Земля.
2.2. История ранней Земли. Образование Луны
Когда со времени образования Солнечной системы прошло около 100 млн лет, на поверхности первоначально расплавленной Земли стала образовываться твердая корка. Однако начавшийся было процесс формирования земной коры был прерван столкновением Земли с другой планетой, по массе близкой Марсу. В результате удара и вызванного мгновенным разогревом взрыва в космос было выброшено громадное количество вещества. Оно принадлежало, главным образом, планете-пришельцу, однако значительное количество вещества Земли также оказалось в космосе. Из этого материала сформировался наш единственный спутник – Луна, а на Земле осталась глубокая воронка, в которой впоследствии разместился самый большой и глубокий Тихий океан. Выделившееся при столкновении тепло было столь значительным, что поверхность Земли вновь оказалась расплавленной. Это произошло 4.45 млрд лет тому назад. (Newsom and Taylor, 1989). Предложена и несколько иная трактовка этого события (Asphaug et al., 2006). Согласно этой трактовке, тогда столкнулись две протопланеты (планетезимали). Именно при их столкновении и фактическом слиянии образовалась Земля, обращающаяся вокруг Солнца по почти круговой орбите. Тогда же из выброшенного в космос материала обеих протопланет сформировалась Луна.
Независимо от конкретных обстоятельств, приведших к образованию Луны, на этом событии в истории Земли следует остановиться более подробно. Луна оказала существенное влияние на поведение Земли и, как следствие, на ее климат. Столкновение с крупным телом и образование Луны вызвали наклон земной оси по отношению к орбите движения Земли вокруг Солнца. Именно этот наклон (около 23.5°) обусловливает смену времен года на нашей планете. От наклона земной оси зависит и климат в любом регионе планеты. Но воздействие среды – один из главных факторов, задающих направление эволюции живых существ. Первоначально Луна сформировалась очень близко от Земли – на расстоянии 20–30 тыс. км. В тот период Луна оказывала сильное возмущающее воздействие на атмосферу Земли и вызывала приливы сначала в расплавленной коре, а затем – в океанах и морях. В тот период Земля вращалась вокруг своей оси значительно быстрее, чем ныне: длина суток составляла около 6 часов. Приливные явления, создавая трение, замедляли вращение Земли, увеличивая длину суток. Вследствие этого (для сохранения момента импульса системы) Луна стала удаляться от Земли. Сейчас она находится на расстоянии около 380 тыс. км и продолжает удаляться со скоростью 3.5 см в год. 4 млрд лет тому назад Луна успела удалиться на 140 тыс. км, и ее воздействие на Землю перестало быть экстремальным.
Согласно преобладающим ныне представлениям, глобальное плавление коры в истории Земли происходило, как минимум, еще один раз. В отличие от всех событий, происходивших на Земле ранее, это происшествие “документировано” благодаря появлению Луны, которая быстро растеряла свою первоначальную атмосферу. Вода также испарилась, по крайней мере, из поверхностных слоев. Благодаря этому на Луне почти с самого ее возникновения не было ветровой и водной эрозии, и самые древние детали рельефа, близкие по возрасту самой Луне, сохранились до наших дней. Наблюдение систем перекрывающихся лунных кратеров и лавовых потоков, а также анализ доставленных на Землю проб лунного грунта позволили установить, что сильнейшие метеоритные ливни обрушились на Луну 4.1–3.8 млрд лет тому назад (Maurer et. al., 1978; Strom et al., 2005; Gomes et al., 2005). Судя по кратерам, размеры некоторых метеоритов превышали 10 км. Однако центр тяжести системы Земля-Луна находится в Земле. Поэтому основные потоки метеоритов принимала на себя Земля. Согласно подтвержденной расчетами гипотезе, в тот период происходили выплескивания материала астероидного пояса, вызванные нарушениями орбитального движения планет-гигантов (Strom et al., 2005; Gomes et al., 2005; Tsiganis, 2005). По мнению некоторых авторов, в этот период кора Земли вновь расплавилась, а уже существовавший до того океан испарился (Chyba, 1993; Wilde, 2001). Эти сведения из ранней истории Земли имеют прямое отношение к вопросу о возникновении жизни на Земле, т. к. вызванное сильнейшим разогревом (до тысячи градусов и более) плавление коры каждый раз приводило бы к ее стерилизации. Если на Земле ранее уже были осуществлены какие-то шаги на пути становления жизни, т. е. были синтезированы сложные органические соединения или даже присутствовали живые организмы, то после очередного стерилизующего события все должно было начинаться сначала. Принято считать, что линия жизни на Земле, продолженная до наших дней, могла иметь начало не ранее 3.9–3.8 млрд лет тому назад, ибо именно с тех пор тотального плавления земной коры не было ни разу. Этот срок обозначен геологами на основании исследования древнейших скальных пород как вулканического, так и осадочного происхождения, выходы которых обнаружены на разных континентах: в Гренландии, Австралии, Южной Африке, Восточной Сибири. Метод определения возраста минералов основан на количественном определении газообразных продуктов радиоактивного распада, накапливающихся в толще минерала. Из расплава эти продукты улетучиваются, и отсчет возраста минерала начинается после его затвердевания. Подходящим для такого исследования является семейство 40K (К-захват) → 40Ar. Период полураспада 40K составляет 1.3×109лет. Определение содержания в минерале инертного газа 40Ar относительно 40K позволяет определить время, прошедшее после последнего плавления минерала. Именно так, по возрасту самых древних минералов, был определен промежуток времени после последнего глобального плавления Земли – почти 4 млрд лет.
К тому времени в центральной области Земли сформировалось расплавленное железо-никелевое ядро, в котором, по последним данным, присутствуют и силикаты (Elliott, 2007). Его окаймляет расплавленная мантия, образованная, главным образом, силикатами, окислами металлов, базальтами и насыщенная разнообразными газами. Затвердевшая кора 4 млрд лет тому назад была тоньше нынешней. Присутствующая в верхних слоях мантии магма во многих местах прорывала кору и разливалась на поверхности. Вместе с лавой наружу прорывались газы, которые формировали раннюю атмосферу Земли. Представлять как можно точнее состав ранней атмосферы принципиально важно для правильного направления рассуждений о химических реакциях, протекавших тогда в атмосфере, и, в первую очередь, о синтезах органических соединений, которые являлись необходимыми стадиями формирования среды, в которой могла появиться жизнь.
Независимо от конкретных обстоятельств, приведших к образованию Луны, на этом событии в истории Земли следует остановиться более подробно. Луна оказала существенное влияние на поведение Земли и, как следствие, на ее климат. Столкновение с крупным телом и образование Луны вызвали наклон земной оси по отношению к орбите движения Земли вокруг Солнца. Именно этот наклон (около 23.5°) обусловливает смену времен года на нашей планете. От наклона земной оси зависит и климат в любом регионе планеты. Но воздействие среды – один из главных факторов, задающих направление эволюции живых существ. Первоначально Луна сформировалась очень близко от Земли – на расстоянии 20–30 тыс. км. В тот период Луна оказывала сильное возмущающее воздействие на атмосферу Земли и вызывала приливы сначала в расплавленной коре, а затем – в океанах и морях. В тот период Земля вращалась вокруг своей оси значительно быстрее, чем ныне: длина суток составляла около 6 часов. Приливные явления, создавая трение, замедляли вращение Земли, увеличивая длину суток. Вследствие этого (для сохранения момента импульса системы) Луна стала удаляться от Земли. Сейчас она находится на расстоянии около 380 тыс. км и продолжает удаляться со скоростью 3.5 см в год. 4 млрд лет тому назад Луна успела удалиться на 140 тыс. км, и ее воздействие на Землю перестало быть экстремальным.
Согласно преобладающим ныне представлениям, глобальное плавление коры в истории Земли происходило, как минимум, еще один раз. В отличие от всех событий, происходивших на Земле ранее, это происшествие “документировано” благодаря появлению Луны, которая быстро растеряла свою первоначальную атмосферу. Вода также испарилась, по крайней мере, из поверхностных слоев. Благодаря этому на Луне почти с самого ее возникновения не было ветровой и водной эрозии, и самые древние детали рельефа, близкие по возрасту самой Луне, сохранились до наших дней. Наблюдение систем перекрывающихся лунных кратеров и лавовых потоков, а также анализ доставленных на Землю проб лунного грунта позволили установить, что сильнейшие метеоритные ливни обрушились на Луну 4.1–3.8 млрд лет тому назад (Maurer et. al., 1978; Strom et al., 2005; Gomes et al., 2005). Судя по кратерам, размеры некоторых метеоритов превышали 10 км. Однако центр тяжести системы Земля-Луна находится в Земле. Поэтому основные потоки метеоритов принимала на себя Земля. Согласно подтвержденной расчетами гипотезе, в тот период происходили выплескивания материала астероидного пояса, вызванные нарушениями орбитального движения планет-гигантов (Strom et al., 2005; Gomes et al., 2005; Tsiganis, 2005). По мнению некоторых авторов, в этот период кора Земли вновь расплавилась, а уже существовавший до того океан испарился (Chyba, 1993; Wilde, 2001). Эти сведения из ранней истории Земли имеют прямое отношение к вопросу о возникновении жизни на Земле, т. к. вызванное сильнейшим разогревом (до тысячи градусов и более) плавление коры каждый раз приводило бы к ее стерилизации. Если на Земле ранее уже были осуществлены какие-то шаги на пути становления жизни, т. е. были синтезированы сложные органические соединения или даже присутствовали живые организмы, то после очередного стерилизующего события все должно было начинаться сначала. Принято считать, что линия жизни на Земле, продолженная до наших дней, могла иметь начало не ранее 3.9–3.8 млрд лет тому назад, ибо именно с тех пор тотального плавления земной коры не было ни разу. Этот срок обозначен геологами на основании исследования древнейших скальных пород как вулканического, так и осадочного происхождения, выходы которых обнаружены на разных континентах: в Гренландии, Австралии, Южной Африке, Восточной Сибири. Метод определения возраста минералов основан на количественном определении газообразных продуктов радиоактивного распада, накапливающихся в толще минерала. Из расплава эти продукты улетучиваются, и отсчет возраста минерала начинается после его затвердевания. Подходящим для такого исследования является семейство 40K (К-захват) → 40Ar. Период полураспада 40K составляет 1.3×109лет. Определение содержания в минерале инертного газа 40Ar относительно 40K позволяет определить время, прошедшее после последнего плавления минерала. Именно так, по возрасту самых древних минералов, был определен промежуток времени после последнего глобального плавления Земли – почти 4 млрд лет.
К тому времени в центральной области Земли сформировалось расплавленное железо-никелевое ядро, в котором, по последним данным, присутствуют и силикаты (Elliott, 2007). Его окаймляет расплавленная мантия, образованная, главным образом, силикатами, окислами металлов, базальтами и насыщенная разнообразными газами. Затвердевшая кора 4 млрд лет тому назад была тоньше нынешней. Присутствующая в верхних слоях мантии магма во многих местах прорывала кору и разливалась на поверхности. Вместе с лавой наружу прорывались газы, которые формировали раннюю атмосферу Земли. Представлять как можно точнее состав ранней атмосферы принципиально важно для правильного направления рассуждений о химических реакциях, протекавших тогда в атмосфере, и, в первую очередь, о синтезах органических соединений, которые являлись необходимыми стадиями формирования среды, в которой могла появиться жизнь.
2.3. Атмосфера ранней Земли и ее роль в доклеточной эволюции
Самым распространенным элементом во Вселенной является водород. В газово-пылевой туманности, из которой сформировалась Солнечная система, также преобладал водород. Поэтому естественной была гипотеза Опарина и Юри о преобладании в ранней атмосфере Земли водорода. Это означало бы, что другие атомы и молекулы находились в максимально восстановленном состоянии. Так, металлы должны были существовать, в основном, в чистом виде, а не в форме окислов. В атмосфере преобладали бы соединения, богатые водородом: метан (CH4), аммиак (NH3), сероводород (SH2). В присутствии паров воды восстановительная атмосфера благоприятна для синтеза сложных органических соединений. В источниках энергии, необходимой для осуществления реакций, также не было недостатка. Благодаря отсутствию в атмосфере свободного кислорода (и, соответственно, озона) она не являлась препятствием для интенсивного ультрафиолетового излучения Солнца, которое практически без потерь достигало поверхности Земли. Другими источниками энергии были мощные разряды атмосферного электричества, потоки ионизирующих частиц с Солнца и из дальнего космоса и, наконец, тепло, доставлявшееся раскаленной лавой, горячими источниками, все еще многочисленными метеоритами, энергия торможения которых освобождалась в форме тепла. По идее Опарина и Юри образовавшиеся в атмосфере органические вещества накапливались в водоемах (“первичный бульон”). Юри и Миллер первыми поставили эксперименты, моделирующие процессы, которые могли идти на ранней Земле в описанных выше условиях (Miller and Urey, 1956; Miller, 1986). Они пропускали электрические разряды через обладающую восстановительными свойствами смесь газов в герметически закрытой колбе, снабженной электродами. В смеси обычно присутствовали водород, метан, аммиак, пары воды и др. Продуктами реакций оказались формальдегид, аминокислоты, жирные кислоты и даже более сложные соединения. Расчеты показали, что благодаря высокой эффективности синтеза органических соединений в атмосфере подобного состава в течение нескольких миллионов лет на Земле могло накопиться достаточно разнообразной органики для образования концентрированного “первичного бульона”, что позволило бы осуществиться взаимодействиям, ведущим к образованию еще более сложных молекул, в том числе полимеров. Первоначально образование коротких белковых молекул (пептидов) в смеси аминокислот удалось надежно зафиксировать лишь при использовании повышенной температуры (110–120 °C) в безводной среде (Fox and Middlebrook, 1954). Осуществление процесса в безводной среде обусловлено тем, что при образовании пептидной связи освобождается молекула воды. Поэтому в соответствии с законом действующих масс в водной среде равновесие реакции смещено в сторону разрыва связи, сопровождающегося связыванием молекулы воды (гидролиз). Однако позже было показано, что при ориентированной сорбции реагентов на твердой поверхности реакции, в том числе образование пептидной связи, осуществляются в значительно более мягких условиях. Большое значение могло иметь присутствие веществ, способных связывать воду, как карбодиимид, цианоген и др. Недавно был продемонстрирован способ образования пептидов из аминокислот в присутствии карбонил сульфида (COS). Примечательно, что этот процесс эффективен в водной среде при комнатной температуре (Leman et al., 2004). Авторы подчеркивают, что COS является распространенным вулканическим газом, и, следовательно, этот процесс мог осуществляться в предбиологический период вблизи выходов лавы и горячих источников, а также на океаническом дне. В целом модельные эксперименты подтвердили практическую осуществимость химической эволюции, т. е. добиологического образования сложных органических молекул, из которых и могли быть сформированы первые живые организмы. Только позже, уже в ходе клеточной эволюции по мере освоения клетками все более сложных органических синтезов необходимость в поступлении соответствующих продуктов из среды отпала.
Однако со временем представление о составе, а следовательно, и свойствах ранней атмосферы Земли существенно изменилось (Kerr, 1980; Pace, 1991; Kasting and Ackerman, 1986). Поводом для такого пересмотра явились результаты геохимического анализа древнейших осадочных пород, возраст которых 3.9–3.8 млрд лет. Эти породы в значительной степени сложены из известняков, что указывает на высокое содержание углекислоты (CO2) в атмосфере, достигавшее 70 %. Это значение многократно выше содержания CO2 в нынешней атмосфере. Таким образом, ранняя атмосфера Земли не обладала сильными восстановительными свойствами. На это указывает и присутствие в древнейших минералах окислов металлов (Summers and Chang, 1993). В образовании этих минералов мог участвовать кислород, освобождающийся при радиолизе воды, а также окись азота, образующаяся в атмосфере при электрических разрядах. Именно благодаря связыванию кислорода в окислах металлов он не накапливался в значительном количестве в атмосфере Земли. Модельные эксперименты показали, что под действием электрического разряда, ультрафиолетового излучения или других видов энергии в газовой смеси, модифицированной присутствием СО2 и кислорода, возникали разнообразные органические соединения, причем выходы их были сопоставимы с выходами в газовой смеси с сильно восстановительными свойствами (Schlesinger and Miller, 1983; Miyakawa et al., 2002). Однако остается много вопросов. Для эффективного протекания синтетических процессов концентрация реагентов должна быть достаточно высока (не менее 10-5 М, т. е. порядка 1018-1019 молекул в литре). Была ли достижима эта пороговая концентрация на ранней Земле при осуществлении синтезов в близких к нейтральным условиях? Следует также иметь в виду, что наряду с синтетическими процессами под действием тех же источников энергии должны были идти обратные процессы деструкции. Их интенсивность зависела от разных обстоятельств, которые полностью учесть невозможно. По современным оценкам на ранней Земле синтезировалось более 2 млн тонн формальдегида в год, что обеспечивало его концентрацию в “первичном бульоне” около 0.02 М. В значительном количестве поступал также цианистый водород и другие реакционно-способные соединения, что обеспечивало осуществление все более и более сложных синтезов в ходе химической эволюции (Taillades, et al., 1998).
Описанные выше результаты модельных экспериментов подтверждают принципиальную возможность сложных органических синтезов в предполагаемых на ранней Земле условиях, но не могут служить доказательством, что эти процессы действительно имели место. В древнейших осадочных породах аминокислоты, азотистые основания и другие сложные органические соединения не обнаружены. Однако это не доказывает отсутствие этих соединений в тот период, ибо из-за тепловых и других воздействий они могли не сохраниться. Тем не менее, весьма убедительные свидетельства присутствия этих веществ на ранней Земле получены. Упали они, в буквальном смысле этого слова, с неба. В 1969 году вблизи города Марчинсон в Австралии “приземлился” метеорит, имевший в поперечнике около 50 см. Марчинсонский метеорит принадлежит к углистым хондритам. Такое наименование обязано высокому содержанию в углистых хондритах углерода (30 %) и присутствию хондрул – зернистых структур, образованных, главным образом, силикатами, но содержащих также окислы и соли металлов. Углистые хондриты богаты водой (до 20 %). Они являются древнейшими минералами Солнечной системы: радио-изотопные методы показывают, что их возраст около 4.6 млрд лет. Следовательно, они образовались в период формирования планет (McSween 1989). В Марчинсонском метеорите, в других метеоритах этого типа был обнаружен широкий набор аминокислот, а также азотистые основания, сахара, жирные кислоты, другие сложные органические соединения, в том числе порфирины (Pizzarello, 2004; Meierhenrich et al., 2004). Принятые меры предосторожности полностью исключили возможность заноса продуктов жизнедеятельности земных организмов. К тому же в земных организмах отсутствуют некоторые аминокислоты и другие органические вещества, обнаруженные в метеоритах. Многие из них получены в модельных экспериментах, о которых говорилось выше, хотя набор “космических” аминокислот богаче, и в нем присутствуют аминокислоты с более сложными боковыми группами. Воспроизведен также “космический” синтез как аминокислот (Nuevo et al., 2008), так и сложных гетероциклических соединений – предшественников порфиринов и других биологических кофакторов (Mierhenrich et al., 2005). Из самого факта обнаружения сложной органики в углистых хондритах, как и в материале комет, также образовавшихся в период формирования Солнечной системы, следует однозначный вывод: в газово-пылевой атмосфере молодого Солнца уже были осуществлены как ранние (т. е. использующие непосредственно газы атмосферы), так и дальнейшие стадии химической эволюции. Этот вывод подтверждается прямыми наблюдениями. Спектральный анализ показал, что в межзвездных газовых скоплениях присутствуют разнообразные органические вещества. Возможно, что часть органики, обнаруженной в метеоритах и кометах, была образована еще до формирования Солнечной Системы (Irvine, 1998; Busemann et al., 2006).
Однако со временем представление о составе, а следовательно, и свойствах ранней атмосферы Земли существенно изменилось (Kerr, 1980; Pace, 1991; Kasting and Ackerman, 1986). Поводом для такого пересмотра явились результаты геохимического анализа древнейших осадочных пород, возраст которых 3.9–3.8 млрд лет. Эти породы в значительной степени сложены из известняков, что указывает на высокое содержание углекислоты (CO2) в атмосфере, достигавшее 70 %. Это значение многократно выше содержания CO2 в нынешней атмосфере. Таким образом, ранняя атмосфера Земли не обладала сильными восстановительными свойствами. На это указывает и присутствие в древнейших минералах окислов металлов (Summers and Chang, 1993). В образовании этих минералов мог участвовать кислород, освобождающийся при радиолизе воды, а также окись азота, образующаяся в атмосфере при электрических разрядах. Именно благодаря связыванию кислорода в окислах металлов он не накапливался в значительном количестве в атмосфере Земли. Модельные эксперименты показали, что под действием электрического разряда, ультрафиолетового излучения или других видов энергии в газовой смеси, модифицированной присутствием СО2 и кислорода, возникали разнообразные органические соединения, причем выходы их были сопоставимы с выходами в газовой смеси с сильно восстановительными свойствами (Schlesinger and Miller, 1983; Miyakawa et al., 2002). Однако остается много вопросов. Для эффективного протекания синтетических процессов концентрация реагентов должна быть достаточно высока (не менее 10-5 М, т. е. порядка 1018-1019 молекул в литре). Была ли достижима эта пороговая концентрация на ранней Земле при осуществлении синтезов в близких к нейтральным условиях? Следует также иметь в виду, что наряду с синтетическими процессами под действием тех же источников энергии должны были идти обратные процессы деструкции. Их интенсивность зависела от разных обстоятельств, которые полностью учесть невозможно. По современным оценкам на ранней Земле синтезировалось более 2 млн тонн формальдегида в год, что обеспечивало его концентрацию в “первичном бульоне” около 0.02 М. В значительном количестве поступал также цианистый водород и другие реакционно-способные соединения, что обеспечивало осуществление все более и более сложных синтезов в ходе химической эволюции (Taillades, et al., 1998).
Описанные выше результаты модельных экспериментов подтверждают принципиальную возможность сложных органических синтезов в предполагаемых на ранней Земле условиях, но не могут служить доказательством, что эти процессы действительно имели место. В древнейших осадочных породах аминокислоты, азотистые основания и другие сложные органические соединения не обнаружены. Однако это не доказывает отсутствие этих соединений в тот период, ибо из-за тепловых и других воздействий они могли не сохраниться. Тем не менее, весьма убедительные свидетельства присутствия этих веществ на ранней Земле получены. Упали они, в буквальном смысле этого слова, с неба. В 1969 году вблизи города Марчинсон в Австралии “приземлился” метеорит, имевший в поперечнике около 50 см. Марчинсонский метеорит принадлежит к углистым хондритам. Такое наименование обязано высокому содержанию в углистых хондритах углерода (30 %) и присутствию хондрул – зернистых структур, образованных, главным образом, силикатами, но содержащих также окислы и соли металлов. Углистые хондриты богаты водой (до 20 %). Они являются древнейшими минералами Солнечной системы: радио-изотопные методы показывают, что их возраст около 4.6 млрд лет. Следовательно, они образовались в период формирования планет (McSween 1989). В Марчинсонском метеорите, в других метеоритах этого типа был обнаружен широкий набор аминокислот, а также азотистые основания, сахара, жирные кислоты, другие сложные органические соединения, в том числе порфирины (Pizzarello, 2004; Meierhenrich et al., 2004). Принятые меры предосторожности полностью исключили возможность заноса продуктов жизнедеятельности земных организмов. К тому же в земных организмах отсутствуют некоторые аминокислоты и другие органические вещества, обнаруженные в метеоритах. Многие из них получены в модельных экспериментах, о которых говорилось выше, хотя набор “космических” аминокислот богаче, и в нем присутствуют аминокислоты с более сложными боковыми группами. Воспроизведен также “космический” синтез как аминокислот (Nuevo et al., 2008), так и сложных гетероциклических соединений – предшественников порфиринов и других биологических кофакторов (Mierhenrich et al., 2005). Из самого факта обнаружения сложной органики в углистых хондритах, как и в материале комет, также образовавшихся в период формирования Солнечной системы, следует однозначный вывод: в газово-пылевой атмосфере молодого Солнца уже были осуществлены как ранние (т. е. использующие непосредственно газы атмосферы), так и дальнейшие стадии химической эволюции. Этот вывод подтверждается прямыми наблюдениями. Спектральный анализ показал, что в межзвездных газовых скоплениях присутствуют разнообразные органические вещества. Возможно, что часть органики, обнаруженной в метеоритах и кометах, была образована еще до формирования Солнечной Системы (Irvine, 1998; Busemann et al., 2006).