<<
>>

Первичная атмосфера Земли и возникновение жизни

Жизнь на нашей планете была бы невозможной, если бы в атмосфере Земли с самого начала эволюции содержался свободный кислород.

Современная атмосфера Земли имеет азотно-кислородный состав: 78,1% азота, 20,9% кислорода, 1-3% паров воды, около 1 % аргона и 0,03 % углекислого газа.

Этот состав характеризует атмосферу до высоты примерно в 100 км, а дальше состав атмосферы несколько меняется. Под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца молекулы водяного пара диссоциируют на водород и гидроксил. Два гидроксильных радикала соединяются вновь, образуя перекись водорода, которая довольно быстро разлагается на свободный кислород и воду, и цикл повторяется. Тяжелые молекулы кислорода опускаются в нижние слои атмосферы, а легкий водород диссипирует в космическое пространство из-за малой массы его атомов и молекул, приобретающих в нагретых Солнцем верхних слоях скорости, превышающие вторую космическую.

Нынешняя атмосфера Земли образовалась в процессе эволюции живого вещества примерно 1400 млн лет назад и представляет собой третье поколение газовой оболочки планеты. Ее современный состав резко отличается от того, что было во время конденсации первичного пылевого облака.

На рис. 7.1 приведено высотное распределение температуры и плотности в современной атмосфере Земли. Эти данные были получены с помощью метеорологических ракет за последние 20-30 лет. До этого метеорологи могли только догадываться о свойствах атмосферы выше 30-40 км, куда не долетали шары-зонды, наполненные водородом или гелием. Из рис. 7.1 видно, что температура верхних слоев атмосферы достигает нескольких тысяч градусов.

При такой температуре средняя максвелловская скорость атома водорода равна 8,64 км/с. Вторая космическая скорость 11,2 км/с составляет всего 1,3 от средней. При таком соотношении скоростей весь водород улетает в космическое пространство всего за 20 мин.

Рис. 7.1. Атмосфера Земли. Вертикальное распределение температуры и плотности

Если придерживаться той точки зрения, что все планеты Солнечной системы образовались из одного и того же протопланетного вещества, то первичная атмосфера Земли была близкой к атмосферам планет-гигантов — Юпитера, Сатурна и Урана, которые, благодаря своему мощному гравитационному полю, смогли удержать существенную часть летучих компонент этого вещества. Поэтому в атмосферах этих планет сохранились водород, метан и аммиак.

Но такая атмосфера оказалась на Земле неустойчивой.

В современной атмосфере Земли самый распространенный элемент в нашей галактике — водород практически полностью отсутствует, за исключением самых верх-

них слоев, где он непрерывно образуется в результате фотодиссоциации паров воды ультрафиолетовым излучением Солнца и безвозвратно улетает в космическое пространство, образуя вокруг Земли водородную корону, простирающуюся до высот в несколько тысяч километров.

Кроме того, первичная атмосфера подверглась изменению в результате внутренней активности планеты и выброса в атмосферу глубинных вулканических газов, содержащих углекислоту, сероводород, аммиак, цианистый водород и ряд других вулканических газов и дымов.

Образующийся в процессах фотодиссоциации паров воды свободный кислород окислял вулканические газы, а образующиеся окислы опускались в нижние слои атмосферы. Самым важным свойством вторичной атмосферы был ее восстановительный характер и ничтожно малое количество свободного кислорода.

Еще одно подтверждение нестабильности первичной атмосферы состоит в том, что на Земле очень мало благородных газов по сравнению с их распространенностью в космосе. Эти химические элементы очень инертны и не вступают в соединения, образующие тяжелые молекулы, которые уже не могут приобрести вторую космическую скорость и покинуть Землю. За сотни миллионов лет, прошедших после конденсации планеты, эти летучие компоненты, так же, как и свободный водород, улетели из атмосферы в космос.

Точный количественный состав вторичной бескислородной атмосферы неизвестен, но, как показали эксперименты, это не так уж и важно.

В конце 50-х гг. С. Л. Миллер провел ряд экспериментов по синтезу органических веществ, в частности аминокислот, из неорганических молекул СО, СО2, СН4, HCN, Н2О и т. д.

Суть экспериментов состояла в облучении ультрафиолетовым излучением от электрического разряда различных смесей газов, имитирующих различные составы вторичной атмосферы Земли. Эксперименты показали (см. рис. 7.2.), что по прошествии нескольких десятков часов в реакторе образовывался широкий спектр аминокислот, а при добавлении в реактор соединений серы удавалось получать и большие полимерные молекулы, состоящие из длинных углеводородных цепочек.

Сера, видимо, играла роль катализатора, а наличие ее в примитивной атмосфере в результате вулканической деятельности, не вызывает сомнений.

Рис. 7.2. Результаты опытов Миллера по синтезу аминокислот из смеси газов прототипа примитивной атмосферы Земли (изменение концентраций: 1 — аминокислот, 2— аммиака, 3— цианистого водорода, 4 — альдегидов) *)

Для образования сложных органических молекул в отсутствие кислорода необходимы внешние источники энергии в виде ультрафиолетового излучения с энергией квантов в несколько электронвольт.

г) Miller S.L. Formation of Organic Compounds on the Primitive Earth. The Origin of Life on Earth. — L.: Pergammon, 1959.

В 1966 г. американский биохимик С. Поннамперума получил подобные результаты при использовании в качестве источника ультрафиолетового излучения не электрическую искру, а кварцевые лампы. Эти эксперименты были важными с той точки зрения, что в условиях примитивной атмосферы гораздо больше энергии поступало не от грозовых разрядов, а от ультрафиолетового излучения Солнца, которое не поглощалось в бескислородной атмосфере.

Эти эксперименты показали, что если в среде присутствуют соединения простейших углеводородов, фосфора и серы вместе с набором некоторых микроэлементов вроде марганца железа и некоторых других, то материал для неорганического синтеза органических веществ обеспечен и практически не зависит от их относительного содержания.

Однако наличие свободного кислорода в атмосфере экранирует поверхность Земли от проникновения через атмосферу жесткого ультрафиолетового излучения Солнца и делает неорганический синтез невозможным. Такие реакции протекают под действием света с длиной волны меньше 210 нм.

На рис. 7.3. по оси ординат указана глубина проникновения ультрафиолетового излучения Солнца в спектральном интервале 5 нм, при которой его интенсивность не превышает 1 эрг/см2. Здесь учитывается общее поглощение водой, кислородом и озоном. Цифры у кривых соответствуют разному содержанию кислорода и равновесной с ним концентрации озона по отношению к его концентрации в атмосфере на сегодняшний день: 2 — 0,001, 3 — 0,005, 4 - 0,01, 5-0,1, 6- 1, 7- 10.

Следующим важным этапом в возникновении живых организмов из неживых органических веществ было образование структур типа мембран, которые позволили запустить механизм обмена веществ, сначала в виде процессов брожения, а затем и дыхания с использованием фотосинтеза.

Благодаря мембранам живое вещество может отличаться по составу и энергетическому уровню от окружающей среды.

Биохимики считают, что образование примитивных мембран могло начаться с выстраивания полярных молекул на поверхностях раздела воздух-вода или на поверхностно активных веществах.

Рис. 7.3. Зависимости величины проникновения через атмосферу коротковолнового излучения Солнца *)

В 1965 г. С. Граник опубликовал результаты своих экспериментов [1] [2]) по моделированию процессов фотосинтеза, где показал, как основные реакции фотосинтеза и дыхания (восстановление и окисление) могли осуществляться

на поверхностно активных веществах, существовавших на поверхности Земли.

Эти работы имели принципиальное значение и показали возможность возникновения процессов метаболизма (обмена веществ) путем эволюции простейших структур, построенных и из слоев полярных молекул.

Однако воспроизведение процессов фотосинтеза в живой материи остается все еще недоступным в лабораторных условиях. Решение этой проблемы является одной из важнейших задач биохимии, имеющих огромное практическое значение.

Следующая стадия эволюции жизни: приобретение сложными органическими молекулами способности к воспроизведению самих себя.

Эта стадия эволюции является самой сложной и началась на Земле спустя более миллиарда лет после конденсации планеты и происходила, скорее всего, параллельно с эволюцией преджизни в течении очень длительного периода времени, измеряемого сотнями миллионов лет с момента, когда произошел ее настоящий взрыв (примерно 1,8 млрд лет назад), связанный с возникновением фотосинтеза, приведшего к выделению свободного кислорода и изменению состава атмосферы Земли.

Занавес опустился. Ультрафиолетовое излучение Солнца стало поглощаться в верхних слоях атмосферы молекулами кислорода и озона, и неорганический синтез органического вещества стал невозможен.

Здесь следует отметить очень интересную особенность современной жизни.

Основным материалом всех живых организмов являются белки, которые, в свою очередь, состоят из простейших «кирпичиков» — аминокислот. Белков — великое множество, а вот число аминокислот, из которых они состоят, — всего два десятка. Различные молекулы аминокислот образуют полимерные цепочки, называемые полипептидами, которые, в свою очередь, объединяясь, образуют белковые молекулы. У всех живых организмов, от амебы до кита, набор аминокислот не превышает 20, хотя в процессе их первичного синтеза, да и в лабораторных условиях, их может быть получено великое множество. Природа по каким-то причинам отобрала для своего использования всего 20 и все они, за редким исключением, имеют левую ось симметрии. Почему только левую, мы пока не вполне понимаем.

В 1953 г. Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон поняли, как устроена суть живой материи — двойная спираль ДНК. По-видимому, именно ДНК — полимер, состоящий всего из 4-х видов основных структурных блоков — нуклеотидов и отличает живую материю от неживой.

За прошедшие 50 лет после открытия Крика и Уотсона человек достаточно подробно изучил основные процессы воспроизводства живой материи и механизмы наследственности, но до сих пор так и не сумел создать живую материю из неживой. О том, каким образом в процессе эволюции образовалась эта очень устойчивая молекулярная структура, мы пока можем только строить различные догадки. Если кому-то удастся разгадать эту самую великую тайну природы, он создаст новую науку, значение которой для существования жизни на Земле будет определяющим.

В заключение я приведу цитату из книги очень известного ученого — геолога, профессора государственного университета в Утрехте М. Руттена х).

«Жизнь есть макромолекулярная система, для которой характерна определенная иерархическая организация, а также способность к воспроизведению, обмен веществ и тщательно регулируемый поток энергии. Морфологически можно различать громадное число отдельных форм жизни — видов, родов и т. д. Напротив, биохимически вся современная жизнь во всех ее проявлениях очень однообразна: она основана всего на двух десятках аминокислот, входящих в нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и жиры, а также на менее распространенных соединениях, например фосфорных эфирах. Эти соединения могут быть очень разнообразны в деталях, но все они

г) Руттен М. Происхождение жизни (естественным путем) / под ред. акад. А. И. Опарина. — М.: Мир, 1973. С. 70.

взаимосвязаны и являются продуктами небольшого числа основных биохимических реакций. Все формы жизни, от кита, слона и растений до амебы и вируса, — все они основаны на поразительно небольшом наборе главных органических соединений. В любом организме всегда найдется что-нибудь съедобное для других. Это означает, что все живое имеет общее происхождение.

Нельзя сказать, что химия жизни однообразна и проста, но она явно не так многообразна, как могла бы быть, если бы перебирала все возможные комбинации из материала окружающей среды. Она не использует в своем метаболизме все, что «может попасться под руку». Жизнь использует только те вещества, которые могут дать максимум пользы.

Возникает вполне естественный вопрос, который волновал умы еще самых древних философов и в конечном итоге привел человека к понятию божественного творения. Жизнь и материя — это две разные субстанции, созданные одновременно? Или это две стороны материи, которые могут взаимно влиять друг на друга, переходя одна в другую?

Принятие первой точки зрения приводит к ниспровержению всех причинно-следственных связей в науке. Однако этого радикального шага данные наблюдений пока не требуют».

Более ста лет назад Ф. Энгельс определял, что такое жизнь, очень просто: «Жизнь — это форма существования белковых тел».

Он многого не знал. Биохимия сделала за истекшие сто лет огромный скачок в понимании строения живой материи, так что можно простить ему это определение, которое, с современной точки зрения, выглядит просто банальным.

Отличием живой материи от неживой является конечное время существования каждой отдельной особи, и неважно, амеба это или кит.

Время существования отдельной особи для данного вида организмов меняется очень незначительно (если не происходит какой-нибудь катастрофы). Однако время существования особей различных видов может различаться в десятки тысяч раз.

Так, микроорганизмы живут всего несколько десятков минут, некоторые виды насекомых — несколько часов (поденка), мелкие млекопитающие (крысы, мыши) — два-три года, собаки — 10-15 лет, лошадь — 30-35 лет, слон — около 100 лет, черепахи — 150-200 лет. Долго живут деревья: сосна — около 300 лет, дуб — 1500 лет, американская секвойя (является рекордсменом) — 4000 лет. Человеку отпущено около ста.

Однако что такое биологические часы, биологи и биохимики мне так толком и не объяснили. Сказать, что биологические часы — это скорость обмена веществ или накопление количества ошибок в генетическом коде, присущем данному виду организмов при переполнении памяти, это ровным счетом не сказать ничего, так как и то и другое является следствием чего-то другого, а не причиной.

Пока я убедился только в том, что биологи этого не понимают.

Эту задачу, задачу доктора Фауста, по-видимому, придется решать вашему поколению. Ее решение в корне изменит жизнь на этой планете, и я не уверен, что в лучшую сторону.

<< | >>
Источник: Богданкевич О. В. Лекции по экологии. 2002

Еще по теме Первичная атмосфера Земли и возникновение жизни:

  1. Я и МЫ (проблема общества)
  2. ПЛУТАРХ 920 О ЛИКЕ, ВИДИМОМ НА ДИСКЕ ЛУНЫ
  3. ДВЕ КОНЦЕПЦИИ СИМВОЛА: БЕРГСОН-КАССИРЕР
  4. Терминология
  5. Первый этап химической эволюции на Земле
  6. Третий этап химической эволюции на Земле
  7. В. Г. Сергеева ВОПРОСЫ ЗАСЕЛЕНИЯ АМЕРИКИ И ТРАНСОКЕАНСКИХ КОНТАКТОВ В ТРУДАХ ХУАНА КОМАСА
  8. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ УГЛЕРОДА Л.А. Гришина Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
  9. Палеогеография архея
  10. Связь геодезии и гравиметрии с другими науками
  11. Галактика
  12. Первичная атмосфера Земли и возникновение жизни
  13. § 5. Урбанизация и климат
  14. Глобальный процесс нарушения равновесного состояния географической оболочки Земли. 
  15. Геологическое строение Земли
  16. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ РАЗВИТИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО МИРА