научная статья по теме АБИОГЕННЫЙ ДОПЛАНЕТНЫЙ СИНТЕЗ ПРЕБИОТИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «АБИОГЕННЫЙ ДОПЛАНЕТНЫЙ СИНТЕЗ ПРЕБИОТИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА»

Ранее предполагалось, что абиогенный синтез пребиотического вещества происходил в условиях атмосферы Земли и на её поверхности. Однако имеющиеся данные показывают, что этап химической эволюции вещества с синтезом органических соединений из простых молекул, вероятнее всего, шёл в допланетном околозвёздном диске.

АБИОГЕННЫЙ ДОПЛАНЕТНЫЙ СИНТЕЗ ПРЕБИОТИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА

В. Н. Снытников

В решении проблемы происхождения жизни на Земле важно установить и изучить последовательность ключевых этапов самоорганизации материи. Для каждого из них необходимо рассматривать эволюционирующую систему в целом, поскольку следует объяснять происхождение всей "координированно работающей системы или машины" [1] и её структурных компонентов. К этим

СНЫТНИКОВ Валерий Николаевич - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института катализа им. Г.К. Бо-рескова СО РАН.

компонентам относятся химические элементы, сложные химические соединения, среди которых нуклеиновые кислоты, прокариотная клетка, биологический вид. В качестве примера изучения одного из этапов укажем на решение в астрофизике проблемы происхождения и относительной распространённости во Вселенной химических элементов [2]. Эти исследования включают изучение межзвёздной среды, формирования и эволюции звёзд, их строения как реакторов синтеза химических элементов, детальных ядерных процессов и свойств элементарных частиц. Другим важным примером, связанным с изучением вещества уже при химических превращениях, возможно, с внутренним механизмом естественного отбора [3, 4], служат современные работы в области катализа, направленные на создание химико-технологических систем и производств [5-7]. 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 с окружающей средой. Воспользуемся теорией самоорганизации в открытых системах [3, 8, 9] и разработанными в катализе и астрофизике подходами для изучения одной из наиболее загадочных стадий происхождения жизни - абиогенного синтеза пре-биотического вещества, который привёл к "миру РНК" [10].

ЭВОЛЮЦИЯ ОКРУЖАЮЩЕГО МИРА И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

К настоящему времени в естествознании получено большое количество сведений об эволюции окружающего мира. Вселенная родилась в Большом взрыве 13.7 млрд. лет назад вместе со своим временем, пространством и веществом [11]. Она последовательно проходила этапы инфляции, отрыва вещества от излучения, тёмной эпохи, рождения галактик и звёзд первого поколения, звёздного нуклеосинтеза химических элементов, взрывов звёзд и формирования в молекулярных облаках звёзд следующих поколений вместе с планетными системами. Около одной из таких звёзд, появившейся примерно 4.56 млрд. лет назад в галактике Млечный Путь, природные процессы привели к появлению биологической органической жизни.

Найденные этапы в эволюции материи позволяют ответить на вопросы: когда, где и как произошла жизнь во Вселенной и на Земле? Когда? Не ранее появления первых звёзд 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 её 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 звёзд и процессов в межзвёздной среде. Как? В непрерывном процессе самоорганизации материи от одного этапа к следующему, при её эволюции.

Эти общие ответы требуют конкретизации. Для земной жизни необходимо сузить указанные пространственно-временные рамки её возникновения, проследить и детализировать стадии самоорганизации вещества, прежде всего для химического уровня эволюции. Причём сегодня в исследованиях абиогенного синтеза предбиологических соединений главным является не вопрос о происхождении отдельных биологических строительных блоков, даже таких, как нуклеотиды и РНК, хотя и он далёк от решения. Основная проблема в том, чтобы найти и изучить скоординированно

работающую систему, химический теплофизиче-ский реактор с массообменными процессами для доорганизменных шагов самоорганизации материи. Данные системы должны быть связаны с результатами астрофизики и астрохимии, с одной стороны, и геологии, геохимии, биогеохимии и палеонтологии - с другой [12].

АБИОГЕННЫЙ СИНТЕЗ

И САМООРГАНИЗАЦИЯ

Исследуя абиогенный синтез первичного органического вещества на Земле, прежде всего следует ответить на вопрос, является ли эта проблема планетарной (гипотеза Опарина-Холдейна) или космической (гипотеза Аррениуса или "панспермии"). Для ответа могут быть использованы данные об общих свойствах самоорганизации из различных, внешне не связанных научных областей.

В физической терминологии самоорганизация происходит в открытой системе при изменении квазиравновесных внутренних или внешних параметров с потерей устойчивости. В неустойчивом состоянии флуктуации усиливаются, появляется широкий спектр новых состояний. Среди них отбираются те, которые удовлетворяют изменившимся внешним и внутренним условиям и 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 энергией с внешними системами. Самоорганизация может идти с усложнением структуры исходной системы или с её разрушением. Последовательность этапов самоорганизации составляет процесс эволюции открытых систем или развития в природе.

Эффективность отдельного этапа самоорганизации, определяемая как отношение массы новой системы к массе исходного вещества, составляет несколько процентов. Так, для Большого взрыва она оценивается в 4% [13], для термоядерного синтеза отношение элементов массивнее гелия к наблюдаемому веществу составляет приблизительно 2% и так далее. При увеличении массы порождённой системы, изымающей энергию или массу из исходной системы выше значений в единицы процентов, идёт разрушение последней. К примеру, в иерархических пищевых цепях действует закон 10%-ного предельного значения биологической продуктивности Л. Линдемана [14, 15].

В химических несамоорганизующихся процессах, в частности для целенаправленного синтеза аммиака, отношение целевого продукта к потреблённому сырью и использованному веществу при высокоразвитом производстве достигает 30% [16]. Химические технологии тонкого органиче-

ского синтеза по аналогичному показателю не достигают и 1%, а часто имеют гораздо меньшие показатели.

Отсюда возникает вопрос: сколько современный химик-технолог должен взять простейшего сырья и материалов, чтобы получить в заводских условиях находящиеся на поверхности Земли 2.5 х 1018 г биополимеров состава биологического вещества (СН2О)106^Н3)16Н3РО4 [1]? Сколько стадий синтеза подобных биополимеров можно запланировать? Подчеркнём, что синтез понимается как появление нового качества, как этап самоорганизации. Если предположить в качестве оценки 10 стадий с высокими 10%-ными выходами продукта на каждой, то необходимое количество исходных веществ для синтеза органического вещества составит 1028 г, то есть больше массы Земли на 6 х 1027 г.

Из приведённой оценки следуют, как минимум, три вывода. Во-первых, число стадий самоорганизации на химическом этапе эволюции от простых химических соединений к "миру РНК" не может превышать нескольких единиц. Тем самым цепь от простых молекул типа СН20 или NH3 к прокариотам должна быть короткой. Во-вторых, в абиогенном синтезе первичных органических соединений для земной биосферы должны принимать участие на порядки большие массы простых соединений С, N Н, О, чем содержится этих элементов на поверхности Земли и в её коре. В-третьих, чтобы химические реакции синтеза имели заметные выходы, эволюция на первых химических этапах должна быть каталитической с включением твёрдой фазы с хорошо развитой поверхностью. Но на Земле, по-видимому, эти условия не выполнялись. И поэтому вопрос об абиогенном синтезе первичного пребиотического вещества, скорее всего, найдёт своё решение в астрофизике или астрохимии. Данный вывод совпадает с результатами биогеохимических исследований, ставящих под сомнение гипотезу Опарина и свидетельствующих в пользу предположения, что "происхождение жизни окончательно

Таблица 1. Относительная космическая распространённость по числу атомов некоторых элементов [18]

Элемент Содержание Элемент Содержание

!Н 2.66 х 1010 Fe 9.0 х 105

4Не 1.80 х 109 S 5.0 х 105

О 1.84 х 107 А1 8.5 х 104

С 1.11 х 107 Са 6.25 х 104

N 2.31 х 106 № 4.78 х 104

Mg 1.06 х 106 Р 5.7 х 103

Si 1.00 х 106 К 3.7 х 103

Примечание. Число атомов [ЗД = 106.

вытеснено в космос" [1]. Однако идея "панспермии" - вечного существования жизни и её переноса от звезды к звезде, от планеты к планете [17] -также противоречит приведённым выше естественно-научным результатам.

АСТРОФИЗИКА, АСТРОХИМИЯ И АСТРОКАТАЛИЗ

Протопланетный аккреционный диск. Оперировала ли природа столь большими, как 1028 г, массами "сырья" для органических синтезов? На этот вопрос следует ответить утвердительно. В едином процессе формирования Солнца вместе с его планетной системой участвовало исходных веществ в количестве свыше 1033 г, что оценивается по массе Солнца 2 х 1033 г. Около 2% вещества приходится на элементы тяжелее гелия, из которых наибольшая часть падает на С, N О (табл. 1). Но на Земле недостаёт элементов С, N О относительно их космической распространённости порядка 10 масс Земли, а водорода и гелия не хватает ещё больше - около 100 масс Земли [18]. Когда и как Земля потеряла основное количество элементов "жизни" Н, С, N О? Ясно, что этот вопрос тесно связан с вопросом о происхождении и ранней эволюции планет. Чтобы получить ответ, необходимо рассмотреть протозвёзд-но-протопланетную стади

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.

Показать целиком