Жизнь как она есть: её зарождение и сущность
Шрифт:
Оказывается, что все атомы, найденные в органической химии, очень реактивны. Даже в атмосфере они существуют в соединениях. Простые химические доказательства говорят о том, что водород соединится сам с собой для образования молекулы Н2, кислород — О2, а азот — N2. Мы также можем рассчитывать на простые соединения, такие как H2O (вода), NH3 (аммиак), СO2 (углекислый газ), CH4 (метан), и ряд других. Сегодня наша атмосфера состоит, в основном, из очень инертного газа азота (N2), наряду с примерно двадцатью процентами кислорода (O2), а также небольшого количества водяного пара (H2O) и даже еще меньшего количества углекислого газа (CO2).
Привычным стало представление о том, что первозданная атмосфера на Земле была совершенно иной. Поскольку водород — безусловно, самый распространенный элемент во Вселенной, то естественно было считать, что в первозданной атмосфере преобладал водород. В настоящее время почти весь кислород в воздухе образуется в процессе
В последнее время эти представления подверглись сомнению. Водород такой легкий, что силы земного тяготения недостаточно для его удержания, и он довольно легко улетучивается в космическое пространство. Точная его скорость зависит от ряда факторов, особенно от температуры в верхних слоях атмосферы, так как чем выше температура, тем быстрее перемещаются атомы или молекулы, и тем легче они улетучиваются в космическое пространство. Теперь считается вполне возможным, что значительное количество первоначально образовавшегося водорода улетучилось так быстро, что он никогда не преобладал в атмосфере.
А что же кислород? Если его нельзя было вырабатывать с помощью фотосинтеза, то есть ли какой-нибудь другой возможный механизм? Почти не вызывает сомнений, что на первозданной Земле было много воды, в частности, в ее атмосфере. В благоприятных условиях ультрафиолетовый свет может расщеплять воду на составляющие ее элементы. Если образованный таким образом водород затем улетучился в космическое пространство, то оставшийся кислород, вероятно, накапливался, и если процесс проходил в довольно большом масштабе, то атмосфера могла бы обогатиться кислородом. Сегодня, из-за химического состава современной атмосферы, этот процесс уже не вырабатывает кислород со значительной скоростью, но, по крайней мере, возможно, что в отдаленном прошлом условия настолько отличались, что кислород создавался более свободно.
Конечно, кислород и водород не были единственными элементами, которые содержались в воздухе. В нем, вероятно, было много азота, некоторое количество углерода и, возможно, немного серы, хотя последние два, скорее всего, входили в состав соединений. Может быть, в ней присутствовали газы N2 и СО2, а также в меньших количествах СН4, CO и, возможно, NH3 и H2S (сероводород). Что совершенно неясно, так это их точное количественное соотношение, в частности, количество H2 и O2.
Так как атмосфера взаимодействует с химическими веществами на поверхности Земли, то химический состав древнейших осадочных пород должен дать нам некоторые сведения о составе древней атмосферы. Некоторые из этих пород наводят на мысль, что они образовались в восстановительных условиях. Это восприняли как подтверждение гипотезы, что атмосфера тогда была восстановительной. С некоторых пор это также подвергают сомнению. Даже сегодня некоторые осадочные породы носят восстановительный характер, например, серные грязи, несмотря на весь кислород, содержащийся в воздухе вокруг нас. Такие условия обычно создает анаэробное гниение органических веществ в грязи. Сейчас утверждается, что если принять во внимание все имеющиеся в нашем распоряжении породы данного периода, то при усреднении, на основании этих данных, можно предположить, что атмосфера в прошлом была довольно похожа на современную. К сожалению, эти данные относятся лишь к периоду 3,2 миллиарда лет назад. Данные, относящие к более раннему периоду, слишком скудны, потому что в нашем распоряжении имеется слишком мало соответствующих пород. Вывод о том, что атмосфера 3,2 миллиарда лет назад была не восстановительной, не слишком удивляет, потому что мы считаем, что организмы, осуществляющие фотосинтез, уже существовали, по крайней мере, 3,6 миллиарда лет назад. К сожалению, сейчас мы не можем установить, сколько их было, поэтому трудно оценить, в больших или малых количествах они вырабатывали кислород.
Итак, нам хотелось бы знать приблизительный состав атмосферы Земли в период времени, предшествующий зарождению жизни, и, в частности, какой именно она была, восстановительной или окислительной. Сейчас, по-видимому, трудно прийти к какому-либо определенному выводу по этому вопросу.
Температура первозданной Земли также точно неизвестна, так как это в значительной степени зависит от того, насколько быстро она формировалась. Если температура падала одновременно с образованием Земли в течение короткого промежутка времени, то у тепла, порождаемого столкновениями, не было времени улетучиться, и, таким образом, на первой стадии Земля, вероятно, была очень горячей. Если процесс шел медленнее, то на первозданной Земле могла быть более умеренная температура, хотя, вероятно, были и неустойчивые локальные горячие точки, возникшие вследствие толчков во время последних этапов агрегации. Каким бы ни был характер процесса, по-видимому, в какой-то момент времени Земля успокоилась, создав достаточный запас жидкой воды для образования первозданных океанов, морей, рек, озер и заводей.
Каким бы ни был состав атмосферы, несомненно, что она получала большие потоки солнечной энергии. Точно неизвестно, какой именно была в то время температура Солнца, хотя возможно, что его излучение не отличалось значительно от того, что мы получаем сегодня. Одним возможным отличием воздействия излучения, достигавшего поверхности Земли, могло быть отсутствие современного озонового слоя (O3), так как если в атмосфере было немного кислорода (за исключением того, что входил в состав воды, CO и CO2), то, вероятно, озоновый слой отсутствовал. Сегодня этот слой во многом защищает от ультрафиолетового света, излучаемого Солнцем. Вероятно, тогда, как и сегодня, часто случались электрические бури (похожие на наши грозы) и велась довольно бурная вулканическая деятельность, как на суше, так и на дне океанов. Кроме того, происходили ионно-молекулярные реакции в ионосфере и верхних слоях атмосферы, поэтому существовало несколько источников энергии того вида, который необходим для активизации химического обмена. Все это предполагает, что первозданные океаны состояли не только из воды и немногих простых солей, но и накопили достаточное разнообразие мелких органических молекул, образованных из молекул в атмосфере и растворенных в океанах с помощью электрических разрядов, ультрафиолетового света или других источников энергии.
Мысль о том, что древняя атмосфера была не похожа на современную, а содержала намного меньше кислорода, по-видимому, получила впечатляющее подтверждение в 1953 году от Стенли Миллера, студента Гарольда Урея (Harold Urey), который пропускал электрический заряд через смесь CH4, NH3, H2 и H2O, помещенную в закрытую систему. Система состояла из фляги воды, которую кипятили для того, чтобы ускорить циркуляцию газов, и которая служила для поглощения любых летучих, растворимых в воде продуктов реакции и их защиты от разделения электрической искрой. Через неделю (или около этого) разряд прекращался. Оказывалось, что вода содержит ряд мелких органических соединений, включая значительное количество двух простых аминокислот, глицина и аланина, найденных во всех белках. С тех пор проводилось много подобных экспериментов с использованием различных смесей сазов и множества источников энергии и условий эксперимента, включая пропуск газов через нагретые неорганические поверхности. Их результаты слишком сложны, чтобы кратко их здесь описать, за исключением одного поразительного факта. Если смесь газов включает значительное количество кислорода, то мелких молекул, похожих на молекулы, имеющиеся в живых системах, не обнаруживали. Если газообразный кислород отсутствует, то такие мелкие молекулы образуются при условии, что смесь газов содержит, в том или ином виде, азот и углерод. Некоторые смеси газов создают большее разнообразие аминокислот по сравнению с другими, особенно если в них не содержится H2. На первозданной Земле H2 обычно терялся в космическом пространстве, тогда как в Первоначальном эксперименте Миллера, который проводился в закрытом сосуде, у любого образованного H2 не было такой возможности, и поэтому он накапливался в установке, пока шел эксперимент.
Таким образом, если атмосфера была восстановительной, то вода на первозданной Земле, вероятно, содержала довольно разбавленную смесь мелких органических молекул, многие из которых могли послужить исходным материалом для древнейших живых систем. Какие именно образовались молекулы, в каком количестве и где — в верхних ли слоях атмосферы, в океанах, около подводных вулканов или в приливных заводях, в небольших озерах, в горячих источниках, вблизи вулканических трещин или же во всех этих местах, — этот вопрос остается открытым. Многие из этих молекул неустойчивы в воде в течение очень длительных периодов времени, поэтому, в конечном итоге, окажется, что установленные их количества появились благодаря равновесию между их непрерывным образованием в течение тысяч или миллионов лет и их разрушением вследствие теплового движения. Большинство аминокислот имеют как отрицательный, так и положительный заряд, поэтому, несмотря на то, что они небольшие и в сумме электрически нейтральные, они скорее останутся в воде, чем попадут в воздух. По этой причине они обычно не терялись при испарении. Этот первозданный бульон, как его часто называют, «получился плохим» в обычном смысле, потому что тогда не было микроорганизмов, которые жили бы в нем и питались бы его молекулами.