1.2. Состав ранней атмосферы

Атмосфера Земли достигла состояния, близкого к современному, уже на ранних стадиях существования нашей планеты. Однако состав атмосферы того времени все же довольно существенно отличался от современного. И действительно, ведь одну четвертую часть атмосферы сегодня занимает кислород, образующийся в процессе жизнедеятельности организмов. Как уже отмечалось, состав современной атмосферы нашей планеты отличается от состава вулканических газов, за счет которых она возникла в далеком геологическом прошлом. Основная причина этого различия заключается в том, что эволюция атмосферы в течение геологического времени проходила под влиянием развития жизни. Действительно, любой организм, в первую очередь, состоит из углерода, кислорода, водорода и азота, т. е. из тех основных химических элементов, из которых сложены водная и воздушная оболочки нашей планеты. Поэтому естественно, что в процессе своего роста, питания и дыхания все живые организмы Земли пропускают огромные количества газовых компонентов и воздействуют на установление новых химических равновесий, на появление новых состояний вещества в атмосфере. Химическую эволюцию атмосферы совершенно невозможно понять и изучить без учета химической деятельности организмов с тех пор, как они появились на поверхности Земли [2].

Различные предположения о составе атмосферы ранних стадий земной истории (до возникновения жизни) уже довольно давно выдвигалась биохимиками, изучающими вопросы происхождения жизни. Одно из наиболее выдающихся исследований по этому вопросу принадлежит американскому ученому Х. Юри [4]. Он и его ученик С. Миллер, исследуя факторы, способствовавшие возникновению жизни на Земле, пытались получить органические молекулы из неорганических. Они установили, что сложные органические молекулы можно синтезировать, если пропускать электрический разряд через смесь газов, состоящую из метана, аммиака и паров воды. Это был известный опыт Юри – Миллера.

Миллер и Юри тогда предполагали, что ранняя атмосфера имела именно такой состав, как и исследуемая смесь. В то время считалось, что первоначально, при возникновении Земли, ее атмосфера имела химический состав, схожий с составом протосолнечной туманности. В этой ранней атмосфере содержались водород, кислород (O₂), а также азот (N₂) и углерод, которые, вступая в реакции между собой, образовывали устойчивые химические соединения. Какие конкретно химические соединения возникали при этом, зависело от температуры начальной атмосферы.

Миллер и Юри, разделяя общее, в то время, мнение о том, что аккумуляция вещества Земли происходила при сравнительно низкой температуре, в качестве температуры ранней атмосферы приняли комнатную (25 ^˚С). Если исходить из этой температуры, то с помощью термодинамических расчетов можно получить состав начальной атмосферы, состоящей из метана, аммиака, паров воды.

Во время гроз, происходящих в такой атмосфере, благодаря электрическим разрядам, могли образовываться сложные органические вещества. В результате постепенной эволюции, согласно предположению Юри – Миллера, из них образовались первые простейшие организмы [3].

Под влиянием жизни происходило развитие поверхности нашей планеты в течение миллиардов лет. Древнейшие следы жизни документально установлены в толщах осадочных пород, ныне метаморфизованных, возраст которых приближается к 4 млрд. лет. Отсюда зарождение жизни современной наукой рассматривается как событие глубокой древности, за пределами сохранившейся документальной каменной летописи нашей планеты. Мало того, тщательный анализ геохимических, палеонтологических и биохимических данных позволяет прийти к выводу, что жизнь на Земле существует столько, сколько и сама Земля, а процессы синтеза высокомолекулярных соединений, давшие начало жизни, совершались в ходе химической эволюции протопланетной туманности, как это было изложено раннее.

Абиотический синтез в добиологический период существования Земли привел, очевидно, к образованию больших количеств органического вещества. Саган в 1966 году [4], опираясь на данные о величинах квантового выхода фотохимического синтеза амино- и оксикислот из простых газов, подсчитал, что за 10⁹ лет могло образоваться так много органического материала, что если его растворить в современном океане, то получился бы однопроцентный раствор. Конечно, такая концентрация органических соединений не могла быть достигнута вследствие того, что под действием ультрафиолетовой радиации происходил не только синтез, но и деструкция. Кроме того, значительная часть продуктов синтеза должна была выводиться из круговорота, например, после сорбции на твердых частицах, оседающих на дно водоемов.

Оставляя в стороне вопрос об истинной концентрации органических соединений в атмосфере и в водах древнего океана, констатируем тот факт, что она была достаточной для возникновения и поддержания на первых стадиях эволюции примитивных форм жизни. По мнению Фолмса [4], сформулированному в 1982 году, это произошло, очевидно, 3,8 млрд. или более лет назад, так как такой возраст имеют породы, сохранившие органические микроструктуры, которые могли быть остатками примитивных микроорганизмов.