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