Н Хоровиц - Поиски жизни в Солнечной системе
условия. Можно полагать, что в земной атмосфере того времени отсутствовал кислород, но в изобилии имелись водород и газы, содержащие водород, такие, как метан (СН^) и аммиак (МНд). (Подобную атмосферу, богатую водородом и бедную кислородом, называют восстанови тельной в отличие от современной, окислительной, атмос феры, богатой кислородом и бедной водородом.) По мне нию Опарина, такие условия создавали прекрасные воз можности для самопроизвольного синтеза органических сое динений.
Обосновывая свою идею о восстановительном характере примитивной атмосферы Земли, Опарин выдвигал следую щие 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 свидетельству ют о том, что Вселенная в целом находится в восстано вительном состоянии. Следовательно, на первобытной Земле углерод и азот должны были находиться в таком же со стоянии.
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 фотосин теза. и. следовательно, по своему происхождению это био логический продукт.
На основании этих рассуждений Опарин пришел к заклю чению, что углерод на примитивной Земле впервые появился в виде углеводородов, а азот-в виде аммиака. Далее он высказал предположение, что в ходе известных ныне хи мических реакций на поверхности безжизненной Земли воз никали сложные органические соединения, которые по про шествии 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 "гетеротрофа ми", т. е. зависели от окружающей среды, которая снабжала их органическим питанием. На противоположном конце этой шкалы находятся "автотрофы"-например, такие орга низмы, 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 неко тором отношении сходную со взглядами Опарина, которая была изложена в популярном очерке, опубликованном в 1929 г. Он предположил, что органическое вещество, син тезированное в ходе естественных химических процессов, протекавших на предбиологической Земле, накапливалось в океане, который в конце концов достиг консистенции "го рячего разбавленного бульона". По мнению Холдейна, при митивная атмосфера Земли была анаэробной (свободной от
кислорода), однако он не утверждал, что для осуществления синтеза органических соединений требовались восстанови тельные 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 соедине ний из смеси диоксида углерода, аммиака и воды под действием ультрафиолетового излучения. Однако в даль нейшем все попытки повторить эти эксперименты оказались безуспешными.
В 1952 г. Гарольд Юри (1893-1981), занимаясь не собст венно проблемами происхождения жизни, а эволюцией Сол нечной 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-хими ческой: используя в качестве отправной точки данные о составе первичного облака космической пыли и граничные условия, определяемые известными физическими и хими ческими свойствами Луны и планет, он ставил целью раз работать 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 состав ляющими были водород и полностью восстановленные фор мы углерода, азота и кислорода: метан, аммиак и пары воды. Гравитационное поле Земли не могло удержать легкий водород-и он постепенно улетучился в космическое про странство. Вторичным следствием потери свободного во дорода было постепенное окисление метана до диоксида углерода, а аммиака - до газообразного азота, которые через определенное время превратили атмосферу из восстанови тельной в окислительную. Юри предполагал, что именно в период улетучивания водорода, когда атмосфера находилась в промежуточном окислительно-восстановительном состоя нии, 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.
Теория Юри имела одно важное последствие: она дала толчок успешным экспериментальным исследованиям. Од
нако, прежде чем говорить об экспериментах, основанных на гипотезе о первобытной атмосфере, богатой водородом, следует выяснить, насколько эта гипотеза соответствует геологическим данным. Этот вопрос активно обсуждался в последние годы. поскольку многие геологи сейчас сомне ваются в том, что на Земле вообще когда-либо существовала сильно восстановительная атмосфера. Все эти доводы, лишь несколько видоизмененные, применимы и к Марсу; поэтому здесь целесообразно их вкратце рассмотреть.
Примитивная Земля
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 относи тельное содержание различных химических элементов в со временной Солнечной системе. В табл. 3 представлены дан ные о девяти наиболее распространенных элементах (на долю которых приходится 99,9% всей массы Солнечной системы), полученные с помощью спектроскопических иссле дований Солнца; относительное содержание некоторых дру гих элементов определено путем химического анализа ме теоритного 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 распростра ненность элементов в космическом пространстве. Современ ные представления об эволюции звезд позволяют предпо ложить, 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
Таблица 3 . Элементный состав (проценты по массе) Солнечной системы и Земли В порядке у меньше- Солнечная система* 3eMJ ля** ния относит содержания Элемент % Элемент % 1 Водород 77 Железо 34,6 2 Гелий 21 Кислород 29,5 3 Кислород 0,83 Кремний 15,2 4 Углерод 0,34 Магний 12.7 5 Неон 0.17 Никель 2.4 6 Азот 0,12 Сера 1.9 7 Железо 0.11 Кальций 1,1 8 Кремний 0,07 Алюминий 1,1 9 Магний 0,06 Натрий 0,57 Общее Водород количество 99,70 + углерод 0,05 + азот Неон 1-10-" Общее количество 99,12 * По данным Камерона (1970). ** По данным Мейсона (1966).
"нехватка" так называемых редких, или благородных, газов. подобных гелию и неону. В целом наша планета выглядит весьма бесперспективно для зарождения какой-либо жизни.
Главное положение теории Опарина - Юри заключается в том, что атмосфера молодой Земли, соответствовавшая по своему химическому составу протосолнечной туманности, имела ярко выраженный восстановительный характер. Од нако, что бы там ни было, сейчас атмосфера Земли имеет окислительный характер. Она содержит 77% азота, 21% кислорода, в среднем 1 % водяных паров, около 1 % аргона и ничтожные количества (следы) других газов. Каким же об разом могла возникнуть восстановительная атмосфера? Ве роятно. основную роль здесь сыграли газы протосолнечной туманности: с момента возникновения Земля была обес печена водородом и другими легкими элементами, которые,
