ПАЛЕОНТОЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, № 5, с. 3-10
УДК 523.4-52:573.552
АБИОГЕННЫЙ СИНТЕЗ ПРЕБИОТИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ДЛЯ БИОСФЕРЫ ЗЕМЛИ КАК СТАДИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ НА АСТРОФИЗИЧЕСКОЙ И ПАЛЕОНТОЛОГИЧЕСКОЙ
ШКАЛЕ ВРЕМЕНИ
© 2007 г. В. Н. Снытников
Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Новосибирск e-mail: snyt@catalysis.nsk.su Поступила в редакцию 28.09.2006 г. Принята к печати 05.02.2007 г.
Имеющиеся естественнонаучные данные указывают на допланетный околозвездный диск как наиболее вероятное время и место первичного абиогенного синтеза пребиотического органического вещества из простых молекул вместе с "миром РНК" и самим возникновением жизни. В статье установлена последовательность этапов самоорганизации, которая привела к земной биосфере, и связь между астрофизическими и палеонтологическими временами эволюции.
В проблеме происхождения жизни одна из основных задач, если не главная - "палеонтологическая": - установить и изучить последовательность ключевых этапов самоорганизации материи. Эта последовательность составляет эволюционное развитие окружающего мира от Большого взрыва к органической жизни и далее к человеку.
САМООРГАНИЗАЦИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ
Эволюция, связанная с самоорганизацией, вела к появлению нового качества на всех без исключения этапах развития: на космологическом и физическом, химическом и геологическом, биологическом и других этапах. Появление нового качества в системе, сохранившей предыдущие свойства, определяется как усложнение системы. Усложнение происходит в коллективном взаимодействии структурных компонентов системы. Оно чаще всего связано с уменьшением пространственно-временного масштаба, на котором возникает новое качество.
Самоорганизация происходит в открытой системе при изменении квазиравновесных внутренних или внешних парамеров с потерей устойчивости. В неустойчивом состоянии флуктуации в системе усиливаются, давая начало новым состояниям. Среди этих состояний отбираются те, которые удовлетворяют изменившимся внешним и внутренним условиям и которые формируют новое макроскопическое состояние системы. В новом состоянии флуктуации приходят к своему термодинамическому значению для новых макроскопических параметров, определяемых внутренними процессами, а также обменом веществом и энер-
гией с внешними системами. Самоорганизация может произойти с усложнением структуры исходной системы или с ее разрушением - биология и другие науки представляют тому множество различных примеров. Последовательность этапов самоорганизации составляет процесс эволюции открытых систем или развития в природе. Одна из первых теорий эволюции открытых систем была создана Ч. Дарвином как теория "естественного отбора".
АБИОГЕННЫЙ СИНТЕЗ И ЭВОЛЮЦИЯ
Можно предполагать, что законы эволюции и самоорганизации обладают общностью для всех этапов развития, как для живой, так и для неживой природы. С указанной точки зрения проблема происхождения жизни состоит в необходимости выделить общие для физики, химии, биологии и других естественных наук методы изучения эволюционных процессов. Затем с помощью этих методов нужно исследовать этап абиогенного синтеза органических предбиологических соединений, в том числе РНК, из простых химических веществ для предполагаемых природных условий происхождения жизни. Следом для найденных природных условий на базе процессов синтеза и разрушения органических веществ необходимо лабораторно изучить формирование мира простейших одноклеточных, предшественников прокариот. Это поможет восполнить отсутствие прямых палеонтологических данных за первые 600 млн. лет существования Земли, на поверхности которой имеются свидетельства дальнейшей эволюции биосферы.
"Эволюционный" подход к исследованиям проблемы происхождения жизни отличен от упрощенно химического изучения синтезов отдельных органических мономеров и последующих реакций их полимеризации. Нет сомнений в возможности получить "в пробирке" композиции высокомолекулярных соединений, обладающих свойством самовоспроизведения (автокатализа) или обособленностью от окружающей среды как у мицелл или везикул. Принципиальная особенность "эволюционного" подхода состоит в необходимости для каждого из этапов эволюции и самоорганизации рассматривать всю эволюционирующую систему в целом и ее связи, поскольку нужно объяснять происхождение всей "фабрики", всей "коор-динированно работающей системы или машины" (Заварзин, 2000, с. 405) вместе с ее структурными компонентами. Для доорганизменных шагов самоорганизации материи необходимо найти и изучить скоординированно работающую систему, химический теплофизический реактор с массооб-менными процессами. Данные по такой системе должны быть связаны, по возможности, с результатами из астрофизики и астрохимии, с одной стороны и из геологии, геохимии, биогеохимии и палеонтологии с другой.
В проблеме происхождения жизни наиболее важны этапы появления химических элементов, химических пребиотических соединений типа РНК и прокариотной клетки.
В астрофизике успешно решается проблема происхождения и относительной распространенности во Вселенной химических элементов (Клапдор-Клайнгротхаус, Цюбер, 2000). Для этого на своих масштабах изучается межзвездная среда, формирование и эволюция звезд, их строение как "фабрик" синтеза химических элементов и детальные ядерные процессы.
В химии и катализе выработаны методы исследований молекулярных превращений веществ, возможно, с внутренним механизмом естественного отбора (Эбелинг и др., 2001; Пармон, 2002). Эти исследования предполагают изучение физико-химическими методами элементарных химических реакций на атомном уровне, массо- и теплообмена в отдельном реакторе и далее во всей технологической цепи, включая взаимодействие химического производства с окружающей средой (Боресков, 1986; Франк-Каменецкий, 1987; Слинь-ко, 2004).
Пользуясь теорией самоорганизации (Приго-жин, 1985; Климонтович, 1996; Эбелинг и др., 2001) и разработанными в катализе и астрофизике подходами, найдем на астрофизической и палеонтологической шкале времени место, которое занимает абиогенный синтез пребиотического вещества. К этой, одной из самых загадочных стадий происхождения жизни примыкает и "мир РНК" (Спирин, 2001).
ЭВОЛЮЦИЯ ОКРУЖАЮЩЕГО МИРА И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ
К настоящему времени в естествознании получен широкий круг сведений об эволюции окружающего мира. Вселенная родилась в Большом взрыве 13.7 млрд. лет назад вместе со своим временем, пространством и веществом (Новиков, 2001). Она последовательно проходила этапы инфляции, отрыва вещества от излучения, темной эпохи, рождения галактик и звезд первого поколения, звездного нуклеосинтеза химических элементов, взрывов звезд и формирования в молекулярных облаках звезд следующих поколений, но уже вместе с планетными системами (рис. 1). Около одной из таких звезд, которая появилась примерно 4.56 млрд. лет назад в галактике Млечный путь, природные процессы привели к биологической органической жизни.
Найденные этапы в эволюции материи позволяют, в общем, ответить на вопросы: когда, где и как произошла жизнь во Вселенной и на Земле.
Когда? Не ранее появления первых звезд во Вселенной, так как кроме водорода и гелия не было химических элементов жизни - углерода, кислорода, азота.
Где? Для земной жизни - в Солнечной системе в первые, но самые загадочные 600 млн. лет от начала ее формирования. В противном случае существовал бы механизм переноса огромных масс биологических соединений, для сухого биологического вещества на Земле не менее 2.5 х 1018 г по углероду, от одной планеты к другой или от звезды к звезде, что весьма проблематично с точки зрения эволюции звезд и процессов в межзвездной среде.
Как? В непрерывном процессе самоорганизации материи от одного этапа к следующему, при ее эволюции.
Но эти ответы требуют конкретизации. Для земной жизни необходимо сузить указанные пространственно-временные рамки ее возникновения, проследить и детализировать стадии самоорганизации вещества, прежде всего для химического уровня эволюции.
В исследованиях абиогенного синтеза первичного органического вещества на Земле, прежде всего, следует ответить на вопрос, является ли эта проблема планетарной (гипотеза Опарина-Хол-дейна) или космической (гипотеза Аррениуса или "панспермии"). Показано, что число стадий самоорганизации на химическом этапе эволюции от простых химических соединений типа СН20 или NH3 к "миру РНК" и далее к биосфере не может превышать нескольких единиц (Снытников, 2006). Как и результаты биогеохимических исследований (Заварзин, 2000), это ставит под сомнение гипотезу Опарина и ведет к предположению, что "происхождение жизни окончательно вытес-
Кипящий вакуум Сверхвселенной Флуктуация ~10 44 сек Рис. 1. Астрофизические стадии эволюции Вселенной.
нено в космос" (Заварзин, 2000, с. 405). Однако идея "панспермии" - вечного существования жизни и ее переноса от звезды к звезде, от планеты к планете (Уормфлэш, Вейсс, 2006), также противоречит приведенным выше естественнонаучным результатам. Одним из возможных решений проблемы является предположение, что абиогенный синтез первичного органического вещества для земной биосферы имел место на допланетных стадиях эволюции Солнечной системы, на стадии "астрокатализа" (Снытников, 2006).
АСТРОФИЗИКА И ПАЛЕОНТОЛОГИЯ
Основные стадии происхожения Солнечной системы и жизни на Земле приведены на рис. 2. Рассмотрим протозвездно-протопланетную стадию формирования Солнечной системы 4.56 млрд. лет назад, что датируется по хронологической метке, связанной с содержанием продуктов распада изотопов плутония и алюминия. Исходные изотопы этих элементов появляются в природе при взрывах Сверхновых, стимулирующих процесс звездообразования в молекулярных облаках.
По современным представлениям формирование протозвезды начинается в холодном молекулярном облаке состава космической распространенности элементов. Элементы тяжелее гелия входят в состав пыли. Это формирование происходит
при развитии гравитационной джинсовской неустойчивости с гравитационным коллапсом вещества в ядра будущих протозвезд. На поздней стадии развития гравитационной неустой
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.