Биологический каталог




Жизнь, ее природа, происхождение и развитие

Автор А.И.Опарин

глеводороды свойственны не только земному миру, а являются соединениями, чрезвычайно широко распространенными на всех доступных нашему исследованию небесных объектах. Мы их обнаруживаем на поверхности звезд, в межзвездной газо-во-пылевой материи, в атмосфере больших планет, в составе комет и метеоритов. Это позволяет нам исследовать пути абиогенного (независимого от жизни) образования углеводородов и начальные стадии их превращения на фоне изучения эволюции разнообразных космических объектов, в частности, и на фоне формирования и эволюции нашей планеты.

Еще в конце XVIII в. В. Гершелем была высказана гениальная, всемерно поддержанная затем П. Лапласом, идея о том, что звезды и звездные скопления не есть что-то неизменное, но что они возникали в разное время (и возникают даже сейчас), а затем проходят процесс длительного развития, отдельные стадии которого мы можем наблюдать на звездном небе.

Эта идея длительное время не получала своего отображения в астрономических исследованиях, и только в начале нашего века она возродилась вновь в связи с построением звездной диаграммы Герцшпрунга — Рассела (рис. 1). На этой диаграмме устанавливалась связь между спектральным типом звезд (т. е. температурой их поверхности) и их абсолютной яркостью или светимостью, выражающей общее количество энергии, излучаемой звездой за определенный промежуток времени. По горизонтали диаграммы были нанесены значения температур, убывающие слева направо от 20 000° С до 5000° С; по вертикали — абсолютные яркости. При этих условиях точки, характеризующие по указанным признакам все исследованные звезды, сгруппировывались на диаграмме в довольно узкие полосы или линии. Главная из них располагалась по диагонали диаграммы, от ее левого верхнего угла к нижнему правому.

Подавляющее большинство (около 95%) наблюдаемых звезд, в том числе и наше Солнце, может быть представлено точками, находящимися именно на этой диагонали, обычно обозначаемой как «главная звездная последовательность». Такое расположение звездных характеристик, конечно, не могло быть случайным. Уже один из авторов диаграммы, Г. Рассел, придавал ей прямой эволюционный смысл, предполагая, что каждая звезда в своем индивидуальном развитии последовательно проходит тем или иным путем вдоль линий диаграммы. До настоящего времени в космо-

гонии еще нет единого мнения о конкретных формах этой звездной эволюции; по-видимому, разные звезды развиваются различными путями, но сама идея постоянного новообразования и последовательного развития звезд находит сейчас свое весьма солидное обоснование в ряде установленных за последнее время астрономических фактов.

Сейчас принимается, что наша Галактика состоит из пяти различных типов звездного населения, отличающегося между собой химическим составом, распределением вещества, внутренним движением и абсолютным возрастом.

К первому наиболее древнему типу относятся звезды, возраст которых близок к возрасту самой Галактики в целом. Этот последний на основании ряда данных определяется в пределах от 12 до 20 миллиардов лет. Наиболее древние звезды нашей Галактики принадлежат главным образом к ее центральной области и входят в состав шаровых звездных скоплений. Наибольшее число молодых звезд принадлежат к дискоидальной системе Галактики.

2 А. И. Опарин

33

К ним, в частности, относится и паше Солнце, принадлежащее к звездам третьего поколения.

А. Браунли и А. Кокс, детально рассчитавшие эволюционное развитие нашего светила, определяют его возраст в пределах около 5 миллиардов лет (т. е. в пределах того времени, когда наша Галактика уже давно сформировалась). Следовательно, возраст Солнца немногим превышает возраст Земли или возраст метеоритов, непосредственно найденный по радиоактивному методу. В нашей Галактике имеются еще более молодые звездные населения. К ним относятся, в частности, звезды, расположенные вблизи спиральных ветвей Галактики.

Есть основания считать, что процесс образования звезд осуществляется и в настоящее время. Наряду с этим, очевидно, происходило и сейчас происходит образование планетных систем, аналогичных нашей солнечной системе. Большинство современных астрономов и космогонистов считают, что наша планетная система не есть результат какого-то очень редкого «счастливого случая», но что она возникла, подобие многочисленным аналогичным системам, как вполне закономерное явление путем последовательного развития материи. При этом все более и более делается очевидным, что нельзя рассматривать проблему происхождения планетной системы в отрыве от общей проблемы происхождения звезд, что то и другое явление представляет собою лишь две стадии единого процесса эволюции космических тел.

Наиболее вероятным считается сейчас предположение, согласно которому процесс возникновения звезд и планет каким-то образом связан с эволюцией межзвездной газово-пылевой материи. Как в настоящее время хорошо известно, далеко не все вещество нашей Галактики (и других аналогичных систем) (рис. 2) сосредоточено в виде мощных скоплений в звездах и планетах. Значительная его масса рассеяна в космическом пространстве в форме очень разреженного газа и пыли. Облака космической пыли сосредоточены главным образом в средней плоскости Галактики. Некоторые из них заметны даже для невооруженного глаза, резко выделяясь в виде неправильной формы темных пятен на светлом фоне Млечного Пути вследствие того, что скопления пыли заслоняют от нас свет расположенных за ними звезд (рис. 3).

Такого рода скопления межзвездного вещества являются прообразом того материала, из которого когда-то (примерно пять миллиардов лет тому назад) сформировалась наша планетная система. Межзвездный газ в основном состоит из водорода, в меньшей степени из гелия и других инертных газов. Однако здесь удалось обнаружить и простейшие соединения углерода и водорода, в частности метан (СН4), который при царящей в межзвездном скоплении температуре еще может частично находиться в газообразном состоянии. Другие элементы и их соединения в основном входят в состав частиц межзвездной пыли. Здесь мы мо-

Рис. 2. Туманность Андромеды, представляющая собой скопление звезд,

подобное нашей Галактике

жем различать группу «льда», куда входят аммиак, метан и вода (в форме льда или гидратов) и так называемую «земельную» группу (соединения кремния, магния, железа и других тяжелых элементов).

Исходным материалом для формирования нашей планетной системы послужило облако газово-пылевой материи, являвшееся частью гигантского скопления разреженной межзвездной материи. Оно обладало размерами, соизмеримыми с современной солнечной системой, низкой температурой порядка —220° С и содержало примерно 1000 водородных атомов на 1 кубический сантиметр, а также значительное количество пыли. Было оно гравитационно неустойчивым, что в конечном итоге привело к его генеральному разрушению.

Толчком для этого, согласно В. Фесенкову, послужила вспышка в этом районе Галактики сверхновой звезды, которая сопровождалась распространяющимися ударными волнами и вызвала в окружающей газово-пылевой среде местное уплотнение, нарушившее ее гравитационно неустойчивое состояние.

2* 35

'ис. 3. Темная туманность вблизи Ориона («Конская голова»)

Рис. 4. Система волокнистых туманностей в области созвездия Лебедя

Подобного рода вспышки сверхновых звезд должны были многократно происходить в нашей Галактике как до возникновения солнечной системы, так и после этого. В качестве примера последствий относительно недавно происшедшего подобного события Фесенков указывает на область созвездия Лебедя, занятую целой системой волокнистых туманностей (рис. 4). Среди них было обнаружено и некоторое количество звездных цепочек — неустойчивых, недавно возникших образований, состоящих каждая из звезд, сходных между собой по величине и цвету и находящихся в одной и той же стадии звездной эволюции.

Аналогичным образом, примерно 5 миллиардов лет тому назад, в центре породившего нашу планетную систему облака возникло центральное тело, масса которого стремительно нарастала. Оно быстро уплотнялось и разогревалось сперва за счет гравитационной энергии, а затем за счет возникшей в нем ядерной реакции — перехода водорода в гелий (аналогично тому, как это происходит при взрыве водородной бомбы).

Таким образом, указанное центральное тело превратилось в звезду — в наше светило, а остаток вещества газово-пылевой материи, не вошедший в состав Солнца, сформировался в дископ-дальное облако, давшее начало для образования «протопланет».

В этом протопланетном облаке с неизбежностью должен был возникать процесс постепенного объединения рассеянного вещества сначала в сравнительно мелкие тела, а затем и в более крупные образования. Температура облака сильно зависела, с одной

стороны, от солнечной радиации, а с другой — от потери облаком тепла путем лучеиспускания в межзвездное пространство. Поэтому его температура сильно различалась на периферии и в центральных областях газово-пылевого диска.

Это обстоятельство и определило собой характер распределения в диске протопланетного материала. Ближе к периферии, там, где происходило интенсивное охлаждение, вещества группы «льда» с большой скоростью конденсировались, «намерзали» на «земельные» частицы пыли, образуя относительно небольшие скопления этих частиц, так называемые кометоземалии. Газ, пыль и кометоземалии в районе орбит Юпитера и Сатурна и дальше к периферии быстро объединялись в большие планеты. Таким путем часть этого материала вошла в состав Юпитера и Сатурна, часть образовала Уран и Нептун, часть стала обращаться вокруг Солнца по исключительно удлиненным орбитам, превратившись в кометы, и, наконец, часть улетела в межзвездное пространство или, наоборот, упала на наше светило.

Иначе происходило планетообразование в более близких к Солнцу областях дискоидального облака, в районе формирования планет земного типа. Здесь вследствие более высокой температуры газовая компонента облака почти целиком была утрачена, «лед» сохранился лишь частично, а основным материалом для образования планет явились вещества «земельной» группы. Аккумуляция состоящих из этого материала частичек пыли приводила к образованию так называемых планетоземалий, сравнительно мелких тел, включавших в себя все нелетучие вещества первичного пылевого облака — силикаты и их гидраты, металлы (в частности, железо), их окислы, сульфиды и карбиды, а также небольшое количество компонентов группы «льда». Дальнейшее объединение планетоземалий привело к формированию планет земного типа и астероидов — небольших небесных тел, имеющих всего лишь несколько сот километров в диаметре и при своем дроблении давших начало для образования метеоритов. Метеориты время от времени и сейчас заносятся к нам на Землю из межпланетных пространств. Таким образом, они делаются доступными для непосредственного химического и минералогического исследования, что имеет исключительно важное значение для решения нашей проблемы, так как сейчас может считаться доказанным сходство метеоритного вещества с тем материалом, из которого формировалась наша планета.

Изучение присутствующих в метеоритах радиоактивных изотопов позволило датировать время, прошедшее с момента затвердения метеоритного вещества, примерно в 4,5 миллиарда лет (т. е. возраст, близкий к возрасту Земли). Различия в составе и внутреннем строении метеоритов свидетельствуют о неодинаковых условиях возникновения отдельных групп метеоритов, отличающихся своим химическим составом.

D 5см

i 1 i i •

Рис. 5. Углистый хоидрит Мигеи. Вес около 1600 г (коллекция Комиссии по метеоритам Академии наук СССР)

Обычно все метеориты делят на две основных группы — каменные и железные. Железные метеориты в основном состоят из никелевого железа. По-видимому, они представляют собой обломки центральной части «родительских тел» (астероидов). Из периферийных частей этих тел возникли более часто падающие на Землю каменные метеориты. В них содержание железа значительно меньше, преобладают силикаты и окислы таких металлов, как магний, алюминий, кальций, натрий и т. д.

Среди каменных метеоритов особое внимание за последнее время привлекают к себе так называемые углистые хондриты. Это довольно хрупкие образования, состоящие из черной непрозрачной массы, в которую вкраплены мелкие бусины (хондры) и зерна оливина и пироксена (рис. 5).

Характерным для углистых хондритов является очень высокое содержание углерода (до 4,8%), а также наличие связанной в минералах воды (водные силикаты и алюмо-силикаты). Углерод в них представлен аморфным углистым веществом и графитом. Он входит также в состав органических веществ — как низкомолекулярных углеводородов, так и полимеризованных соединений главным образом алифатического ряда. Эти соединения иной раз настолько сходны с некоторыми веществами, выделяемыми из современных организмов, что нередко высказывалось предположе

ние об их биогенном происхождении путем распада будто бы населявших их когда-то микроорганизмов. Однако такого рода предположение может сейчас считаться полностью опровергнутым. На основании всех известных в настоящее время фактов из области химии и минералогии углистых хондритов, а также изучения их происхождения можно считать доказанным, что углеродистые соединения этих метеоритов возникли в процессе физико-химических абиогенных процессов совершенно независимо от жизни.

Согласно Дж. Берналу, синтез все более и более усложнявшихся органических молекул и их высокомолекулярных полимеров происходил еще на частицах космической пыли, покрытых льдом и конденсированными газами, под влиянием солнечной радиации и воздействия космических лучей. При повышении температуры в зоне формирования планет земного типа поверхностные ледяные и конденсированные слои испарялись и улетучивались, но более или менее высокомолекулярные органические вещества сохранялись, давая затем начало для формирования тех углеродистых комплексов, которые сейчас можно обнаружить в углистых метеоритах. Земля, также образовавшаяся путем накопления хон-дритных тел при относительно низкой температуре, получила от них уже готовый комплекс органических веществ, часть которого могла бы появиться на планетной поверхности в сравнительно неизмененном виде и послужила бы основанием для последующего развития жизни.

Однако С. Миллер и Г. Юри указывают, что органические соединения, синтезировавшиеся до того, как Земля сконцентрировалась в крупное твердое тело, не могли играть решающей роли в процессе возникновения жизни, так как при формировании Земли значительная их часть должна была подвергаться тепловому разложению (пиролизу), прежде чем достигнуть поверхности планеты.

Современные данные с несомненностью показывают, что как в прошлом, так и сейчас наша планета постоянно получала и получает разнообразные абиогенно образовавшиеся органические вещества с поступающими на земную поверхность из космоса метеоритами и кометным материалом, так сказать «подкармливается» этими органическими веществами. Однако непосредственные подсчеты показывают, что количество получаемых таким образом органических веществ сравнительно невелико в их общем балансе земной поверхности. Таким образом, основная масса органических веществ, послуживших материалом для возникновения жизни на Земле, не была непосредственно доставлена нам из космоса, а образовалась уже на поверхности самой нашей планеты из углеродистых соединений, выделившихся в примитивную атмосферу при формировании земной коры.

Согласно наиболее широко распространенному в настоящее время мнению, наша планета сформировалась при сравнительно низкой температуре путем аккумуляции неоднородных по своему составу холодных твердых тел с разным содержанием железа и силикатов, но в основном лишенных химически инертных и летучих соединений.

В общем химический состав этих тел должен был быть очень близок к среднему составу современных метеоритов.

Различие в составе и плотности того твердого вещества, из которого формировалась Земля, обусловило неоднородность земных недр, проявившуюся в ходе дальнейшего развития Земли. Это развитие в основном было связано с постепенным локальным разогреванием нашей планеты главным образом благодаря тому теплу, которое возникло при распаде содержащихся в ней радиоактивных элементов.

Когда в результате разогревания через определенный промежуток времени температура земных недр стала достаточно высокой, достигла 1000° С и более, началось частичное расплавление твердых пород. Под влиянием царящих в глубине Земли высоких давлений происходило перемещение веществ — более тяжелые, богатые железом глыбы опускались к центру, более легкие (силикатные) всплывали. На поверхности земного шара происходило формирование земной коры — литосферы — путем выплавления из наружных слоев Земли наиболее легкоплавких соединений. Этот процесс протекал во все геологические периоды существования нашей планеты и не может считаться завершенным и в настоящее время.

Современная земная кора состоит из гранитной и базальтовой оболочек, прикрытых сверху чехлом осадочных пород. Кору подстилает так называемая мантия, характеризуемая бедными силицием ультраосновньгми породами (дунитами). Гранитная оболочка покрывает около половины поверхности Земли, достигая наибольшей мощности на континентах, но она отсутствует на дне Тихого океана; лежащая под ней базальтовая оболочка покрывает весь земной шар, но на дне океанов она также имеет меньшую мощность.

А. Виноградов на основании своих опытов по зонной плавке вещества каменных метеоритов (хондрита) пришел к убеждению, что дуниты мантии являются остатком от выплавления первоначального вещества Земли, по своему составу аналогичного составу хондритов. Выплавление из толщи мантии легких базальтовых повод под влиянием радиогенного тепла должно было сопровождаться выделением различных паров и газов вследствие их испарения по мере повышения температуры или вследствие их образования в твердых земных оболочках при совершавшихся здесь радиоактивных, радиохимических и химических процессах. Поэтому образование водной и газовой оболочек Земли (ее гидросферы и атмосферы) было с самого начала существования нашей планеты тесно связано с процессами, происходившими в литосфере.

Количество воды на земной поверхности в описываемую нами эпоху должно было быть значительно меньше, чем в настоящее время. По мнению Юри, на первичной Земле имелось примерно только 10% воды современных морей и океанов. Остальная вода появилась позднее, постепенно образуясь при формировании литосферы из силикатных гидратов или вообще из связанной конституционной воды земных недр.

Несмотря на то, что Земля при своем формировании лишилась наибольшей приходящейся на ее долю части протопланетного водорода, тем не менее его обилие в исходном мате-риале оказало существенное влияние на последующий состав нашей планеты и в особенности ее атмосферы.

Земля и после потери водорода как свободного газа должна была сохранить очень большое количество этого элемента в форме его разнообразных соединений, многие из которых в процессе формирования земной коры выделялись в образующуюся таким путем земную атмосферу, придавая ей ярко выраженный восстановительный характер.

В противоположность этому, как известно, современная атмосфера Земли очень богата свободным кислородом, является определенно окислительной. Однако обилие газообразного кислорода могло возникнуть только лишь гораздо позднее после появления жизни на Земле, а на первых стадиях существования нашей планеты свободный кислород, если и присутствовал в земной атмосфере, то лишь в очень малых количествах.

Абиогенным путем свободный кислород может образовываться в земной коре в результате радиохимических реакций, в частности при разложении воды горных пород а-лучами. Однако вследствие большой химической активности свободный кислород при прохождении через толщу земной коры окисляет присутствующие здесь разнообразные недоокислениые вещества и может достигнуть земной поверхности лишь в ничтожных количествах. Поэтому при радиохимическом разложении воды в горных породах выделяющийся в атмосферу газ оказывается обогащенным не кислородом, а, напротив, водородом.

Свободный кислород мог также абиогенно образовываться и в верхних слоях атмосферы путем фотохимического разложения паров воды коротковолновым ультрафиолетовым светом. При этом газообразный водород улетал в межпланетное пространство, так как он не мог удерживаться земным притяжением, а свободный кислород оставался в атмосфере. Однако его концентрация здесь не могла быть в какой-то мере значительной, так как он сравнительно быстро поглощался водами океанов. Здесь кислород окислял хорошо растворимые в воде закисные соли железа, в результате чего образовывалось окисное железо, которое оседало на дно, постепенно создавая мощные залежи наиболее древних железных

РУД.

Сейчас не подлежит сомнению, что подавляющая масса молекулярного кислорода современной земной атмосферы образовалась биогенным путем в процессе фотосинтеза, лишь после возникновения жизни на Земле. Но даже и теперь, когда запасы свободного кислорода в атмосфере непосредственно пополняются зелеными растениями, только самая поверхностная пленка земной коры является полностью окисленной. Более же глубоко лежащие породы остаются и сейчас ярко выраженными восстановителями, жадно присоединяющими к себе кислород. Это видно из того общеизвестного факта, что окраска изверженных лав и базальтов отличается черными, зелеными и серыми тонами, т. е. эти породы содержат железо в виде закиси. Напротив, осадочные породы — глины, пески и т. д.— имеют красный и желтый цвета: в них железо находится в более окисленной форме, в виде окиси.

Таким образом, у нас на глазах совершается постепенное поглощение кислорода атмосферы при переходе изверженных пород в осадочные, и только непрерывно совершающийся сейчас процесс фотосинтеза обусловливает постоянное пополнение этого газа в атмосфере Земли. По расчетам В. Гольдшмидта, если бы сейчас на Земле внезапно погибла бы вся растительность, то и свободный кислород атмосферы исчез бы в течение нескольких тысячелетий, т. е. в очень короткий (в геологическом масштабе) срок, так как его поглотили бы ненасыщенные им горные породы.

Другой основной газ современной атмосферы — азот — первично должен был появиться яа земной поверхности в своей восстановленной форме, в виде аммиака — соединения азота и водорода. Есть все основания считать, что в том твердом материале, из которого формировалась Земля, азот главным образом сохранился в форме своих соединений с металлами — нитридов, а также аммонийных солей. Наличие нитридов в земной коре подтверждается их непосредственными геологическими находками, а также обнаружением их в изверженных вулканических лавах. При формировании земной коры нитриды должны были приходить во взаимодействие с гидратной водой земных недр, в результате этого образовывался аммиак, выделяющийся с земной поверхности в атмосферу. Геологические находки указывают и на наличие в составе литосферы аммонийных солей. В вулканических газах и в выделениях гейзеров можно обнаружить значительные количества образующегося из них аммиака, несомненно, абиогенного проис хождения.

Свободный молекулярный азот современной атмосферы возник вторично путем окисления аммиака кислородом. В. Вернадский даже указывал, что значительная часть молекулярного азота нашей атмосферы могла образоваться только биогенным путем в результате жизнедеятельности организмов.

Аналогично нитридам сернистые металлы земной коры послужили при формировании литосферы источником сероводорода — удушливого газа, в котором водород соединен с серой. Этот газ также должен был входить в состав начальной восстановительной атмосферы Земли.

Особый интерес для наших целей представляет вопрос о том, в форме каких соединений впервые появился на земной поверхности углерод, так как этот элемент лежит в основе всех без исключения органических веществ.

Как мы указывали выше, первичный углеводород протопла-нетного облака — метан — должен был быть утрачен Землей, улетучившись из зоны формирования нашей планеты. Только некоторая небольшая его часть могла сохраниться, будучи захваченной различными породами планетоземалий. Наиболее стабильной формой сохранения углерода в тех твердых телах, из которых формировалась наша планета, являлись соединения углерода с металлами — карбиды, а также графит. Эти вещества мы находим

страница 4
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Скачать книгу "Жизнь, ее природа, происхождение и развитие" (3.44Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(24.07.2017)