широкую дискуссию о возможности существования в нашей Галактике внеземных
цивилизаций. На теоретические исследования этого вопроса, как и на реальные
поиски радиосигналов от иных цивилизаций, направлены все возрастающие усилия
многих исследователей. Но хотя в этой проблеме остается еще много неясного,
в последние годы наблюдается заметный отход от упрощенного представления,
бытовавшего на заре космической эры, согласно которому Галактика просто
“кишит” технологически развитыми обществами, которые существуют на планетах
земного типа в иных звездных мирах. Как теоретические доводы, так и
результаты последних исследований Солнечной системы показали, что пригодные
для жизни планеты, видимо, достаточно редки. Другие соображения приводят к
выводу, что любая цивилизация, обретя способность к межзвездным полетам,
должна быстро (в масштабе геологического времени) распространяться по всей
Галактике.
IV. Теория химической эволюции
Теория химической эволюции - современная теория происхождения жизни-также
опирается на идею самозарождения. В основе ее лежит не внезапное
возникновение живых существ на Земле, а образование химических соединений и
систем, которые составляют живую материю. Она рассматривает химию древнейшей
Земли, прежде всего химические реакции, протекавшие в примитивной атмосфере
и в поверхностном слое воды, где, по всей вероятности, концентрировались
легкие элементы, составляющие основу живой материи, и поглощалось огромное
количество солнечной энергии. Эта теория пытается ответить на вопрос: каким
образом в ту далекую эпоху могли самопроизвольно возникнуть и сформироваться
в живую систему органические соединения?
1. Теория Опарина-Юри
Общий подход к химической эволюции первым сформулировал советский биохимик
А. И. Опарин (1894-1980). В 1924 г. в СССР была опубликована его небольшая
книга, посвященная этому вопросу; в 1936 г. вышло в свет ее новое,
дополненное издание (в 1938 г. она была переведена на английский язык).
Опарин обратил внимание на то, что современные условия на поверхности Земли
препятствуют синтезу большого количества органических соединений, поскольку
свободный кислород, имеющийся в избытке в атмосфере, окисляет углеродные
соединения до диоксида углерода (углекислого газа, СОд). Кроме того, он
отмечал, что в наше время любое органическое вещество, “брошенное на
произвол” на земле, используется живыми организмами (подобную мысль
высказывал еще Чарлз Дарвин). Однако, утверждал Опарин, на первичной Земле
господствовали иные условия. Можно полагать, что в земной атмосфере того
времени отсутствовал кислород, но в изобилии имелись водород и газы,
содержащие водород, такие, как метан (СН4) и аммиак (МНз). (Подобную
атмосферу, богатую водородом и бедную кислородом, называют восстановительной
в отличие от современной, окислительной, атмосферы, богатой кислородом и
бедной водородом.) По мнению Опарина, такие условия создавали прекрасные
возможности для самопроизвольного синтеза органических соединений.
Обосновывая свою идею о восстановительном характере примитивной атмосферы
Земли, Опарин выдвигал следующие аргументы.
1. Водород в изобилии присутствует в звездах (рис. 6 и фото 1).
2. Углерод обнаруживается в спектрах комет и холодных звезд в составе
радикалов СН и CN, а окисленный углерод проявляется редко.
3. Углеводороды, т.е. соединения углерода и водорода, встречаются в метеоритах.
4. Атмосферы Юпитера и Сатурна чрезвычайно богаты метаном и аммиаком.
Как указывал Опарин, эти четыре пункта свидетельствуют о том, что Вселенная
в целом находится в восстановительном состоянии. Следовательно, на
первобытной Земле углерод и азот должны были находиться в таком же
состоянии.
5. В вулканических газах содержится аммиак. Это, считал Опарин, говорит о
том, что азот присутствовал в первичной атмосфере в виде аммиака.
6. Кислород, содержащийся в современной атмосфере, вырабатывается зелеными
растениями в процессе фотосинтеза, и, следовательно, по своему происхождению
это биологический продукт.
На основании этих рассуждений Опарин пришел к заключению, что углерод на
примитивной Земле впервые появился в виде углеводородов, а азот-в виде
аммиака. Далее он высказал предположение, что в ходе известных ныне
химических реакций на поверхности безжизненной Земли возникали сложные
органические соединения, которые по прошествии довольно продолжительного
периода времени, по-видимому, и дали начало первым живым существам. Первые
организмы, вероятно, представляли собой очень простые системы, способные лишь
к репликации (делению) за счет органической среды, из которой они
образовались. Выражаясь современным языком, они были “гетеротрофами”, т. е.
зависели от окружающей среды, которая снабжала их органическим питанием. На
противоположном конце этой шкалы находятся “автотрофы”-например, такие
организмы, как зеленые растения, которые сами синтезируют все необходимые
органические вещества из диоксида углерода, неорганического азота и воды.
Согласно теории Опарина, автотрофы появились только после того, как
гетеротрофы истощили запас органических соединений в примитивном океане.
Дж. Б. С. Холдейн (1892-1964) выдвинул идею, в некотором отношении сходную
со взглядами Опарина, которая была изложена в популярном очерке,
опубликованном в 1929 г. Он предположил, что органическое вещество,
синтезированное в ходе естественных химических процессов, протекавших на
предбиологической Земле, накапливалось в океане, который в конце концов
достиг консистенции “горячего разбавленного бульона”. По мнению Холдейна,
примитивная атмосфера Земли была анаэробной (свободной от кислорода), однако
он не утверждал, что для осуществления синтеза органических соединений
требовались восстановительные условия. Таким образом, он допускал, что
углерод мог присутствовать в атмосфере в полностью окисленной форме, т. е. в
виде диоксида, а не в составе метана или других углеводородов. При этом
Холдейн ссылался на результаты экспериментов (не собственных), в которых
доказывалась возможность образования сложных органических соединений из
смеси диоксида углерода, аммиака и воды под действием ультрафиолетового
излучения. Однако в дальнейшем все попытки повторить эти эксперименты
оказались безуспешными.
В 1952 г. Гарольд Юри (1893-1981), занимаясь не собственно проблемами
происхождения жизни, а эволюцией Солнечной системы, самостоятельно пришел к
выводу, что атмосфера молодой Земли имела восстановленный характер. Подход
Опарина был качественным. Проблема, которую исследовал Юри, была по своему
характеру физико-химической: используя в качестве отправной точки данные о
составе первичного облака космической пыли и граничные условия, определяемые
известными физическими и химическими свойствами Луны и планет, он ставил
целью разработать термодинамически приемлемую историю всей Солнечной системы
в целом. Юри, в частности, показал, что к завершению процесса формирования
Земля имела сильно восстановленную атмосферу, так как ее основными
составляющими были водород и полностью восстановленные формы углерода,
азота и кислорода: метан, аммиак и пары воды. Гравитационное поле Земли не
могло удержать легкий водород-и он постепенно улетучился в космическое
пространство. Вторичным следствием потери свободного водорода было
постепенное окисление метана до диоксида углерода, а аммиака-до газообразного
азота, которые через определенное время превратили атмосферу из
восстановительной в окислительную. Юри предполагал, что именно в период
улетучивания водорода, когда атмосфера находилась в промежуточном
окислительно-восстановительном состоянии, на Земле могло образоваться в
больших количествах сложное органическое вещество. По его оценкам, океан, по-
видимому, представлял тогда собой однопроцентный раствор органических
соединений. В результате возникла жизнь в ее самой примитивной форме.
Считается, что Солнечная система образовалась из про-тосолнечной туманности-
огромного облака газа и пыли. Возраст Земли, как установлено на основе ряда
независимых оценок, близок к 4,5 млрд. лет. Чтобы выяснить состав первичной
туманности, разумнее всего исследовать относительное содержание различных
химических элементов в современной Солнечной системе. В табл. 3 представлены
данные о девяти наиболее распространенных элементах (на долю которых
приходится 99,9% всей массы Солнечной системы), полученные с помощью
спектроскопических исследований Солнца; относительное содержание некоторых
других элементов определено путем химического анализа метеоритного
вещества. Как видно из таблицы, основные элементы-водород и гелий-вместе
составляют свыше 98% массы Солнца (99,9% его атомного состава) и фактически
Солнечной системы в целом. Поскольку Солнце-обычная звезда и к этому типу
относится множество звезд в других галактиках, его состав в общем
характеризует распространенность элементов в космическом пространстве.
Современные представления об эволюции звезд позволяют предположить, что
водород и гелий преобладали и в “молодом” Солнце, каковым оно было 4,5 млрд.
лет назад.
В табл. 3 приведены также данные об элементном составе Земли. Хотя четыре
основных элемента Земли относятся к числу девяти наиболее распространенных на
Солнце, по своему составу наша планета существенно отличается от космического
пространства в целом. (То же самое можно сказать о Меркурии, Венере и Марсе;
однако Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун в этот список не попадают.) Земля
состоит главным образом из железа, кислорода, кремния и магния. Очевиден
дефицит всех биологически важных легких элементов (за исключением кислорода)
и поразительна согласно теории Опарина-Юри, необходимы для начала химической
эволюции. Учитывая дефицит легких элементов и особенно благородных газов,
разумно предположить, что изначально Земля сформировалась вообще без
атмосферы. За исключением гелия, все благородные газы-неон, аргон, криптон и
ксенон - обладают достаточной удельной массой, чтобы их могло удержать земное
тяготение. Криптон и ксенон, например, тяжелее железа. Поскольку эти элементы
образуют очень мало соединений, они, по всей видимости, существовали в
примитивной атмосфере Земли в виде газов и не могли улетучиться, когда
планета достигла наконец своих нынешних размеров. Но поскольку на Земле их
содержится в миллионы раз меньше, чем на Солнце, естественно допустить, что
наша планета никогда не имела атмосферы, по составу близкой солнечной. Земля
образовалась из твердых материалов, которые содержали лишь небольшое
количество поглощенного или адсорбированного газа, так что никакой атмосферы
сначала не было. Элементы, входящие в состав современной атмосферы, по-
видимому, появились на первобытной Земле в виде твердых химических
соединений; впоследствии под действием тепла, возникающего при радиоактивном
распаде или выделении гравитационной энергии, сопровождающем аккрецию Земли,
эти соединения разлагались с образованием газов. В процессе вулканической
деятельности эти газы вырывались из земных недр, образуя примитивную
атмосферу.
Высокое содержание в современной атмосфере аргона (около 1%) не противоречит
предположению, что благородные газы первоначально отсутствовали в атмосфере.
Изотоп аргона, распространенный в космическом пространстве, имеет атомную
массу 36, тогда как атомная масса аргона, образовавшегося в земной коре при
радиоактивном распаде калия, равна 40. Аномально высокое содержание на Земле
кислорода (по сравнению с другими легкими элементами) объясняется тем, что
этот элемент способен соединяться с множеством других элементов, образуя
такие очень стабильные твердые соединения, как силикаты и карбонаты, которые
входят в состав горных пород.
Предположения Юри о восстановительном характере первобытной атмосферы
основывались на высоком содержании на Земле железа (35% общей массы). Он
считал, что железо, из которого ныне состоит ядро Земли, первоначально было
распределено более или менее равномерно по всему ее объему. При разогреве
Земли железо расплавилось
и собралось в ее центре. Однако, прежде чем это произошло, железо,
содержащееся в том слое планеты, который сейчас называется верхней мантией
Земли, взаимодействовало с водой (она присутствовала на примитивной Земле в
виде гидратированных минералов, похожих на те, что обнаружены в некоторых
метеоритах); в результате в первобытную атмосферу выделились огромные
количества водорода.
Исследования, осуществляемые с начала 1950-х годов, поставили под вопрос ряд
положений описанного сценария. Некоторые планетологи высказывают сомнения
насчет того, что железо, сосредоточенное сейчас в земной коре, могло когда-
либо равномерно распределяться по всему объему планеты. Они склоняются к
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|