Органические соединения метеоритов

Углеводороды	Другие соединения
Насыщенные углеводороды	Карбоновые кислоты
n-Алканы
Алканы с разветвленной	Жирные кислоты с
цепью	неразветвленной цепью
Изопреноиды	Бензолкарбоновые кислоты
Циклоалканы	Оксибензойные кислоты
Олефиновые углеводороды
Ароматические углеводороды	Азотистые соединения
Алкилбензолы	Пиримидины
Нафталин	Пурины
Аценафтены	Гуанилмочевина
Аценафтилены	Триазины
Фенантрены	Порфирины
Пирены	Аминокислоты

Нетрудно видеть, что список органических соединений в метеоритах оказывается довольно внушительным. Все эти органические соединения в той или иной мере соответствуют универсальным звеньям обмена веществ известных живых организмов: аминокислот, белкоподобных полимеров, полинуклеотидов и других соединений. Близость состава органических веществ метеоритов с составом живого вещества оказалась настолько тесной, что некоторые авторы допускали наличие в прошлом живых организмов непосредственно в самих метеоритах в какой-то период их существования. В 60-х годах по данному вопросу возникла дискуссия. Однако во всех исследованных органических соединениях метеоритов не было обнаружено оптической активности, что свидетельствует об их абиогенном происхождении.

Метеориты, содержащие органические вещества, являются осколками астероидов. Поскольку по результатам фотометрических измерений отражательной способности углистые хондриты и соответствующие астероиды оказались во многом сходны, то естественно, что все структурные, минеральные и химические особенности метеоритов, установленные в земных лабораториях, могут быть перенесены на соответствующие астероиды. Это темные астероиды С-типа, которых большинство в астероидном поясе. Естественно, что они содержат повышенное количество органического вещества, которое является одной из причин их темной окраски и низкой отражательной способности. Следует также отметить, что спутники Марса - Деймос и Фобос - обнаружили отражательную способность, указывающую на их состав, близкий к углистым хондритам.

Американские исследователи Р.Н. Заре и др. (1993) методом лазерной марс-спектрометрии изучили состав частиц космической пыли, попавших на поверхность Земли. В частицах была обнаружена различная органика - циклические ароматические соединения (углеводороды) и их алкализированные производные.

Некоторые ученые придают большое значение нахождению органического вещества в кометах, которые могли занести его на Землю. Но пока в кометах установлены лишь простейшие соединения углерода. Если ядра комет действительно состоят из смеси льда и каменного материала углисто-хондритового состава, то распространенность органического вещества будет охватывать огромное пространство всей Солнечной системы, включая облако Оорта.

Нетрудно заключить по данным космохимии метеоритов, что образование органических соединений в ранней Солнечной системе было типичным и массовым явлением. Наиболее интенсивно оно проявилось в пределах будущего астероидного пояса, но, вероятно, также охватывало и другие зоны первичной туманности, в том числе орбитальную зону формирования нашей планеты.

Минеральные ассоциации в углистых хондритах не являются случайными, а органически связаны с последними этапами химической эволюции протопланетной туманности, которая охладилась до низких температур. Органические соединения формировались при температурах ниже 500° К за счет взаимодействия газовых компонентов. Типичные минеральные ассоциации углистых хондритов возникали в интервале температур 425 - 350° К. Согласно Э. Андерсу различные естественные термометры показывают следующие температуры образования:

Термометр 18О/16О между CaMg(CO3)2 и Н2О 18О/16О между серпентином и Н2О 13С/12С между CaMg(CO3)2 и полимером 3Fe + 4Н2О ↔ Fe3O4 + 4Н2О Оливин + Н2О ↔ серпентин Распространенность таллия (Т1)

Температура К 360 ± 5 300 ± 15 357 ± 21 <400

Для первых четырех химических термометров температура формирования не зависит от величины давления, а у пятого и шестого эта зависимость имеет место.

В остывающей туманности солнечного состава сохранялись газовые виды Н₂, N₂, CO, СО₂, Н₂О между которыми устанавливались определенные химические равновесия. Зависимость величин отношений химических соединений углерода и азота от температуры солнечной туманности показано на рис. 20 (согласно Э. Андерсу и Р. Хаятсу 1981). В космических условиях в широком интервале температур наиболее стабильной формой нахождения углерода является СО, поскольку для образования СО₂ недостает распространенности кислорода. Первые органические соединения возникли преимущественно при химических реакциях между водородом, СО и простейшими соединениями азота. В этом случае вероятные реакции (типа Фишера - Тропша) могли выражаться следующим образом:

nСО + (2n + 2) Н₂ → С_nН_2n+2 + n Н₂О

или более конкретно, как это показано на рис. 20

20 СО + 41 Н₂ → С₂₀Н₄₂ + 20 Н₂О,

Реакции этого типа значительно ускоряются в присутствии катализаторов, которыми могли быть магнетит и гидратированные силикаты, выделившиеся раньше в процессе химической эволюции солнечной туманности. По микроструктурным данным метеоритов представляется, что органические соединения были синтезированы преимущественно на поверхности минеральных зерен, впоследствии вошедших в состав углистых хондритов. Под микроскопом было обнаружено, что много органического вещества этих метеоритов находится в виде округленных флюоресцирующих частиц от 1 до 3 мкм в диаметре. Ядрышки магнетита или гидратированного силиката встречаются в центре этих частиц.

 

Рис. 20. Зависимость отношений химических соединений углерода и азота от температуры солнечной туманности. Сплошными линиями ограничены условия протекания соответствующих реакций, пунктирными - реакции типа Фишера - Тропша.

 

Отмеченные процессы синтеза органических веществ подтверждаются опытными данными. Эксперименты по моделированию реакций (типа Фишера - Тропша) в условиях близких к космическим показали, что когда СО, Н₂, NH₃ вступают в реакцию при температурах 400 - 770 К, в присутствии никеля, алюминия и глинистых минералов в качестве катализаторов, то среди продуктов реакций возникают многие органи­ческие вещества, включая аминокислоты.

В связи с обилием водорода в составе первичной туманности, который под влиянием солнечных лучей оказался отброшен в область формирования гигантских внешних планет, первоначально возникали продукты его взаимодействия с СО и азотом, согласно следующим реакциям:

2 Н₂ + 2 СО ↔ СН₄ + СО₂

4 Н₂ + СО₂ ↔ СН₄ + 2 Н₂О

2 Н₂ :+ N₂↔ 2 NH₃-

Таким способом в отдельных зонах протопланетной туманности появлялись газовые смеси - сочетание водорода, метана, аммиака и молекул воды. В подобной газовой смеси могли происходить химические реакции синтеза с образованием органических соединений. Об этом косвенно свидетельствуют экспериментальные данные. Первые опыты по получению органических веществ в этой газовой смеси при пропускании через нее электрических разрядов были выполнены в 1953 г. по инициативе знаменитого американского химика Г. Юри его учеником С. Миллером. Позднее аналогичные результаты были получены и другими исследователями при воздействии на ту же газовую смесь ультрафиолетовых лучей и лучей от распада радиоактивных элементов. Реакции этого типа в газовой среде под действием ионизирующей радиации были названы реакциями Миллера - Юри. При этих реакциях возникали различные органические кислоты, такие как глутаминовая H₂N-CH(C₂H₄COOH)-COOH и аспаргиновая H₂N-CH(CH₂COOH)-COOH. Однако роль солнечной радиации как источника ионизации, по всей вероятности была незначительной. Содержащая пыль протопланетная туманность была непрозрачной для ультрафиолетового света.

Однако в ранней Солнечной системе существовали мощные источники радиации, вызывающие фотохимические реакции. Это были рассеянные радиоактивные изотопы, находящиеся как в газовой, так и в твердой пылевой фазе первичной туманности. К ним принадлежали современные изотопы ²³⁵U, ²³⁸U, ⁴⁰К, и изотопы вскоре вымершие (с периодами полураспада 1-80 млн. лет), которые показаны в таблице 17. Отсюда нетрудно заключить, что сама естественная радиоактивность, как наследство более древней эпохи синтеза нуклидов в виде α, β и γ излучений могла и должна была ионизировать окружающую среду, возбуждая многие химические реакции, в том числе синтез органических соединений. Таким образом, само вещество, законы сил, заложенных в атомах, включая свойства ядер и электронных оболочек, определили в исторической последовательности оптимальную обстановку для создания высокомолекулярных органических соединений. По-видимому, радиохимический синтез в древних космических системах органических веществ мог протекать при определенных дозах ионизирующей радиации. Радиоактивные излучения высокой интенсивности разрушают химические соединения. Поэтому следует думать, что при общем снижении радиационного фона в период распада вымерших и ныне существующих радиоактивных изотопов, был достигнут какой-то оптимум радиоактивного воздействия на исходные вещества, благоприятный для процессов синтеза органических соединений.

Частицы естественных катализаторов в солнечной туманности обладали первоначально также повышенной радиоактивностью, воздействуя на окружающую газовую среду. В целом синтез органических соединений в древних космических системах проходил как

под влиянием катализа, так и под действием радиоактивности.

Термодинамические условия формирования органических соединений в остывающей газовой туманности представлены на рис. 21 (по Р. Хаятсу и Э. Андерсу, 1981). На графике ограничены поля формирования материала углистых хондритовС1, С2, СЗ. Этот материал формировался при температуре ниже 400° К и был завершающим в химической эволюции солнечной туманности. Низкотемпературный материл туманности впоследствии участвовал в построении родоначальных метеоритных тел - астероидов и планет.

В настоящее время можно полагать, что синтез довольно сложных высокомолекулярных органических соединений, естественных предшественников живого вещества, был закономерным этапом в химической эволюции Солнечной системы в канун формирования планет. Возникшие в космических условиях органические вещества вошли в состав разных тел нашей системы, но лишь на Земле реализовались возможности прогрессивной эволюции, обеспечившие относительно быстрое возникновение саморегулирующих высокомолекулярных систем - непосредственных предков живых организмов. В родоначальных телах метеоритов и в кометах химическая эволюция оказалась замороженной.

Рис. 21. Образование органических соединений в солнечной туманности по мере ее охлаждения по данным органической космохимии в зависимости от температуры и давления. Под глиной понимается сумма всех гидратированных силикатов.

ФОРМИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ И БИОСФЕРЫ

Продукты химической эволюции солнечной туманности - минеральные частицы разного состава и газы сформировали все известные тела Солнечной системы. На каком-то этапе развития процесса конденсации началось объединение конденсатов в компактные тела - первичные планеты. Видимо, аккреция или аккумуляция материала происходила по-разному в зависимости от ряда факторов - размера частиц, их свойств, термодинамических условий среды, радиационной обстановки, магнитного поля.

Проблема происхождения Земли в свете данных космохимии неоднократно излагалась в некоторых публикациях (Г.В. Войткевич, 1983, 1988, 1996). Здесь мы ограничимся некоторыми главными итогами космохимических исследований, имеющих отношение к образованию Земли и биосферы.

Земля возникла путем аккреции вещества, представленного преимущественно высокотемпературными конденсатами солнечного газа. Однако относительно способа аккумуляции единого мнения не существует. Так было предложено два варианта процесса сгущения протопланетного материала.

1. Гомогенная аккумуляция - наиболее полно разработана О.Ю. Шмидтом и его сторонниками. Оболочечное строение Земля приобрела в дальнейшем при химической дифференциации, вызванной радиоактивным нагревом материала.

2. Гетерогенная аккумуляция определила с самого начала главные черты строения земного шара - образование в первичной Земле металлического ядра и мантии. При такой аккумуляции из металлических частиц сначала образовалось ядро. Затем на него осели более поздние конденсаты в виде силикатов, образовав мощную мантию первичной планеты.

Модели гетерогенной аккумуляции были предложены К. Таркяном, С. Кларком, А.П. Виноградовым, Г.В. Войткевичем, А.В. Макалкиным, Дж. Смитом, а также В.А. Рудником и Э.В. Соботовичем.

Согласно модели С. Кларка, К. Таркянаи Л. Гроссмана, образование Земли началось с накопления высокотемпературных конденсатов до железного этапа конденсации. На это первичное накопление осели металлические конденсаты. Затем последовало осаждение силикатных частиц, а завершилось формирование первичной планеты осаждением самых низкотемпературных конденсатов - гидратированных силикатов, воды и органических веществ. В общем последовательность аккумуляции повторяла последовательность конденсации в солнечной туманности (см. рис. 17).

В настоящее время мы имеем ряд аргументов космохимического и физического порядка в пользу гетерогенной аккумуляции (Г.В. Войткевич, 1988).

Образование первичной биосферы Земли, естественно, было связано с выделением на ее поверхности атмосферы, гидросферы, продуктов выветривания ювенильных пород и живого вещества.

Основные предпосылки появления жизни и биосферы на Земле возникли в конце остывания первичной газовой протопланетной туманности. На последних этапах остывания в результате радиохимических и каталитических реакций между биофильными элементами образовались многочисленные органические соединения, обусловившие появление ДНК и саморазвивающихся высокомолекулярных систем.

Самые поздние конденсаты солнечной туманности при объединении в компактные массы дали образование родоначальных тел углистых хондритов. Поэтому можно считать, что материал, завершивший построение первичной мантии нашей планеты, был аналогичным материалу углистых хондритов (С1).

Если допустить, что в период своего образования Земля получила в общей сложности ~ 1% материала типа углистых хондритов (С1), то нетрудно подсчитать, что она приобрела n Χ 10¹⁷ тонн органического вещества. Это огромное количество. Оно в 10⁵ -10⁶ раз превышает современную активную биомассу Земли. Огромное количество органического вещества земной коры в виде рассеянной органики, углей, горючих сланцев и нефтей возникло позже, в ходе фотосинтетической деятельности фотоавтотрофных организмов, используя углерод СО₂ глубинного мантийного происхождения. В 1981 г. Дж. Брукс произвел расчеты, которые дали вероятное количество первичного органического вещества небиологического происхождения на Земле. 4,6 - 3,8 млрд. лет тому назад наша планета могла получить 0,2 Χ 10⁸ тонн аминокислот, n Χ 10⁷ т формальдегида и n Χ 10¹² т органических полимеров за счет осаждения материала типа углистых хондритов.

Независимо от указанных количественных расчетов, можно полагать, что верхняя зона первичной мантии планеты, сложенная силикатами, гидросиликатами, оказалась обогащенной органическими веществами абиогенного происхождения, водой в разных формах и природными газами. При радиогенном нагреве произошла дегидратация, дегазация этой зоны в форме вулканических проявлений. Летучие продукты этих извержений при охлаждении образовали на поверхности планеты первичные океаны, первичную атмосферу, обогащенную СО₂, Н₂, N₂. Одновременно происходил вынос в первичный океан органического вещества, растворенного в ювенильных водах, или адсорбированных на поверхности минеральных частиц.

Первичная газово-водная оболочка ранней Земли превратилась в подлинную биосферу лишь тогда, когда в ней появились живые организмы, использующие воду, газы и органические вещества для своего питания. В свете современных геохимических и космохимических данных несомненно, что жизнь на Земле очень древняя и ее начало связано с образованием самой Земли. Уже давно возникло убеждение в том, что жизнь на нашей планете существует столько времени, сколько существует и сама Земля. Не исключена возможность, что химическая эволюция протопланетной туманности завершилась образованием молекул ДНК. Однако реализация ее функций оказалась воз­можной лишь в пределах ранней Земли, в самых ранних водоемах. При весьма раннем возникновении живого вещества сформировалась ранняя биосфера как сочетание благоприятных условий для биокосных систем и с ними связанных систем биологических при умеренных температурах, позволяющих существование жидкой поды. Во всяком случае данные космохимии указывают, что в период своего образования наша планета получила достаточно полный набор сложных органических соединений, чтобы путем полимеризации аминокислот, сложных углеводородов и других соединений возникли саморегулирующиеся высокомолекулярные системы, характерные для живого вещества. Период химической эволюции в пределах Земли был в общем довольно коротким. Он начался еще в космических условиях и продолжался на Земле, когда радиоактивность материала была еще достаточно высокой. По существу, возникновение Земли, жизни и биосферы было единым процессом. Возникновение жизни и биосферы в основном можно представить себе как синхронное событие в ранней истории планеты.

ГЛАВА IV