книги из ГПНТБ / Титаев А.А. Эволюция органических соединений на Земле. От углерода до биополимеров

УДК 576.11

Эволюция органических соединении па Земле. От углерода до биополимеров. Т и т а е в А. А. М., «Наука», 1974, стр. 1—143.

В книге представлено современное состояние проблемы химичес­ кой, эволюции на Земле. На основе обширных собственных исследо­ ваний автор предлагает оригинальную универсальную систему для синтеза основных ингредиентов живого существа в абиогенных условиях с использованием гетерогенного катализа п строит гипо­ тезу о наиболее вероятном происхождении биополимеров в теплых прибрежных зонах первобытной Земли. Дан критический апаллз гипотез о происхождении Земли и возникновении жизни.

Книга рассчитана па широкий круг читателей — биологов, фило­ софов, учителей, медиков и всех, интересующихся наукой.

Табл. 18. Илл. 17. Библ. 253 назв.

Ответственный редактор профессор Ф. Ф. СОПРУНОВ

Введение

Среди множества загадочных явлений Вселенной особенно пора­ жает и увлекает мысль человека происхождение и сущность жиз­ ни. Жизнь, вершина мироздания, ни с чем не сравнима во Вселен­ ной по красоте и разнообразию своих форм. Она настолько отлична от всех других явлений мира, что, кажется, существует неодо­

циановокислого калия — мочевину, свойственную только живому организму [1], возникла мысль о возможности синтеза всех струк­ турных элементов живого вещества из неорганического материала, о возможности абиогенеза [2].

Опубликованные в 1859—1861 гг. труды Дарвина о происхож­ дении видов послужили обоснованием идеи о происхождении жизни как эволюционном процессе. Сам Дарвин [цит. по 31 не склонен был обсуждать этот вопрос ввиду отсутствия фактического материала.

В современной биологии дело обстоит иначе. Вопрос о проис­ хождении и сущности жизни горячо и многосторонне обсуждается, поскольку было возможно моделировать предполагаемые процес­ сы образования органического вещества из неорганического, жи­ вого из неживого, воссоздать модель химической эволюции на Земле. В прошлом веке было совершено одно из величайших научных открытий — открытие фотосинтеза — образование угле­ водов из углекислого газа и воды при участии света и хлорофилла

же созвездию открытий принадлежат работы С. Н. Виноградского об усвоении атмосферного азота в клубеньках бобовых растений.

Все эти процессы синтеза органического вещества из неоргани­ ческого могли лежать в основе химической эволюции на Земле. Первые модельные эксперименты в этом направлении были осу­ ществлены А. М. Бутлеровым [5].

Ввиду сходства строения углеводов со строением формаль­ дегида НСНО возникло предположение, что С 0 2 в растениях сначала превращается в'формальдегпд под влиянием света, а затем уже последний полимеризуется в сахар. Бутлерову действительно

S

1

Первые шаги химической эволюции на Земле

П р о и с х о ж д е н и е з е м н о г о у г л е р о д а . Свободные элементарные частицы — протон, нейтрон, электрон — в форме колоссальных скоплений первичной материи составляют основную массу горящих звезд и ядер туманностей, где совершаются ядер­ ные реакции с образованием водорода, гелия н других элементов. Водород в весьма разреженном состоянии (3-10- 2 * г на 1 см3) заполняет и межзвездное пространство.

Наше Солнце представляет собой водородную звезду, в которой происходят ядерные реакции. Основной из них (и главным источ­ ником энергии Солнца) считается «водородный цикл»— реакция превращения четырех атомов (протонов) водорода в один атом

образования атомов углерода С1 2 и С1 3 , из которых путем присое­

идут реакции образования более тяжелых элементов. По своему спектру Солнце относится к звездам класса G, для которого харак­ терно присутствие в спектре линий водорода, кальция, железа. Есть звезды, в спектре которых особенно интенсивны линии угле­ рода и циана (CN), причем в них один атом С1 3 приходится всего

путем конденсации весьма разреженного вещества первичной вращавшейся туманности. По мере охлаждения и уплотнения

7

Эта гипотеза была отвергнута, так как еще в 1859 г. математи­ чески была доказана невозможность сгущения колец в планеты [19]. С позиций этой гипотезы нельзя объяснить «обратного» вра­ щения Урана и Венеры по отношению к другим планетам. Однако основная ее идея о копдепсацпп вещества сохранилась в гипоте­ зах X X в. [18-22].

В начале X X в. возникла идея «приливного» образования пла­ нет. Согласно этой идее под влиянием проходившей мимо звезды по законам прилива из Солнца было выброшено раскаленное вещество в форме быстро застывших сгустков, названных планетезпмалямп, которые затем благодаря силам притяжения посте­ пенно сконденсировались холодным путем в планеты.

Эта гипотеза была видоизменена Джинсом и Джеффрисом. Они считают, что выброшенная Солнцем струя вещества имела форму сигары, в массивной середине которой образовались боль­ шие планеты, а на концах ее — меньшие. С позиции современно­ го представления о «расширяющейся Вселенной» и «разбегающих­ ся галактиках», возникших в общем центре, возможность столкно­ вения Солнца с другой звездой вероятна. Серьезным возражением против этой гипотезы было указание, что она не в состоянии объяс­ нить распределение углового момента вращения в солнечной системе. Более современная теория об образовании планет из вихрей в туманностях высказана Вайзеккером [18]. Но согласно Койперу [23] благодаря краткости жизни вихри не могут образо­ вывать планеты. По его мнению, окружавшее Солнце первичное облако распалось на массивные газовые сгустки — протопланеты, из которых образовались планеты холодным способом.

Современные гипотезы происхождения нашей солнечной сис­ темы, отвергая первую часть приливной теории, базируются, как уже сказано, на ее второй части — на представлепип о холодной конденсации вещества. Согласно этим гипотезам, материнским телом, родившим нашу солнечную систему, была газопылевая туманность с максимальной плотностью не более 10 тыс. атомов водорода в 1 см3 , находившаяся в состоянии турбулентного дви­ жения. Благодаря гравитационному сжатию в этой туманности произошла конденсация вещества с образованием центрального ядра Солнца с последующим разогревом его до весьма высокой температуры. Солнце при этом сохранило лишь 2% углового момента туманности. В оставшейся вокруг Солнца вращающейся туманности с радиусом 30 астрономических единиц \ массой 2-103 2 г и объемом 104 2 см3 , а именно в ее ветвях, возникли^сгустки газопылевой материи (планетезимали), из которых за счет грави­ тационной аккреции окружающих тел и частиц выросли планеты, забравшие лишь 1/700 часть массы всей системы и 98% углового момента. Распределение последнего в солнечной системе находит здесь полное объяснение.

1 Астрономическая единица •— расстояние от Земли до Солица.

8

Разогрев Солнца вследствие сжатия закончился термоядерным взрывом, положившим начало ядерным реакциям синтеза хими­ ческих элементов из водорода.

Некоторые ученые предполагают, что на планетах, в. частности на Земле, произошел постепенный разогрев ее недр с потерей водорода [241. Ипые же думают, что разогрева п расплавления Земли ие было и что она оставалась холодной [11]. Многие авторы отождествляют плаиетезималп с метеоритами. В этой гипотезе содержится ряд неясных моментов. Сторонники метеоритной гипотезы образования Земли убеждены, что существовал заро­ дыш Земли, представлявший собой каменную глыбу, в которой по необъяснимой причине внезапно возникло поле тяготения колоссальной мощности. Тогда весь каменный материал окружаю­ щего пространства устремился с невообразимой скоростью к цент­ ру будущей Земли. Считают, что каждую минуту на Землю падало около 0,25-10е т небесных камней в течение 100 млн. лет. К сожа­ лению, многое неясно: генез камней, их плотность в пространстве, возникновение силы гравитации, радиус сферы притяжения, гра­ ницы сфер притяжения Венеры п Марса (они образовались в то же время по тем же законам). Вероятно, здесь полезен был бы более строгий математический расчет. Следовало бы также указать время, в течение которого холодная Земля разогрелась до огнен­ но-жидкого состояния. Именно в этот момент от Земли отпочкова­ лась Лупа [25]. Образование Земли путем аккреции трудно сог­ ласовать также с тем, что возраст Земли равен возрасту метеори­ тов (4,5-10° лет). Возможно, что образование Земли и образование

солнечной системы число иланетезималей должно быть нереально высоким — 101 4 . Существуют дрзтие трудности и в объяснении процесса конденсации [18]. Наконец, шатким кажется объяснение структуры больших планет как присоединение «газового вещества» после завершеиия их роста из плапетезималей. Эти планеты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — отличаются небольшой плот­ ностью — 1,34; 0,7; 1,41; 1,58 соответственно — и очень низкой температурой (—140 170°""илит ииже). Они имеют водородиогелиевую структуру. Наружный слой газа (атмосфера) про­ тяженностью 10—25 тыс. кдг. лежит на поверхности толстого слоя «льда», где давление достигает 700 тыс. атмосфер. Благодаря столь высокому давлению водород получает свойства металла, и в таком виде он составляет ядро планеты, имеющее у Юпитера и Сатурна радиус 30—35 тыс. км. По-видимому, в этих планетах отсутствуют твердые породы и минералы, свойственные хондритам. Давно уже известно, что состав Юпитера и Сатурна (60—80% вЪдорода и 18—36% гелия) близок к составу Солнца, содержащего 86% во­ дорода, 12,9% гелия и 0,1% остальных элементов [26].

9

Указанием на родственные отношения Солнца и планет может служить идентичность количественного соотношения 48 металлов на Земле и на Солнце. Химический, а также изотопный составы Земли, Луны и метеоритов также носят черты большого сход­ ства (табл. 1) [16, 25, 27].

Т а б л II д а I

Химический состав земной коры, лунной коры н метеоритов (н %)

По Ресселу, химический состав Земли в общем аналогичен составу внешних слоев Солнца, что подтверждает, по мнению Спенсера-Джонса, приливную гипотезу образования планет [19].

В отличие от больших планет на Солнце совершаются термо­ ядерные реакции и содержатся элементы и соединения, которых нет на Юпитере и Сатурне (С, С2 , СИ, NH, OH, SiOH и др.). Ат­ мосфера этих планет содержит метан и аммиак [18, 26].

Большие планеты названы «замерзшими свидетелями прошло­ го», «ископаемыми» планетами солнечной системы. Отсюда воз­ никает возможность предполагать, что и малые планеты па заре своей жизни имели водородио-гелиевую структуру, как Солнце и внешние планеты. Вряд ли можно считать, что большие и малые планеты образовались по различным закономерностям. Современ­ ные различия их объясняются разным ходом их эволюции.

В астрономии существовало и существует много ошибочных представлений не только о закономерностях структуры и развития солнечной системы, но и о менее значительных вопросах, напри­ мер о пылевом покрове Луны, его поведении [28а]. Кстати сказать, придается чрезмерно большое значение неземной пыли. Считают, что она падает на Землю ежегодно в количестве 1000 т и более, и ищут ее на дне океанов. В то же время горные вершины Джомо­ лунгма и Эльбрус, где пыль должна быть в чистом виде, остаются покрытыми девственно-белым снегом.

Недавно возникла новая космогоническая гипотеза — гипотеза «распада дозвездного вещества». В ней развивается идея о воз-

10