158897 (Теорії зародження життя у Всесвіті), страница 2

Друге затвердження теорії панспермії, згідно якому спори можуть і повинні переноситися через космічний простір, в наші дні представляється набагато менш правдоподібним, чим це здавалося Ареніусу. Спільна дія ультрафіолетового і рентгенівського випромінювань, а також космічних променів, яким організми неминуче повинні піддаватися в космосі, набагато небезпечніше, а міжзоряні відстані і, отже, час, необхідний для переміщення, значно більше, чим передбачав Ареніуса. Але зараз ми маємо в своєму розпорядженні також дані, що свідчать про те, що спори, які б могли засівати Всесвіт, не здатні ні покидати Землю, ні проникати в її околиці. У зразках грунту, доставлених з Луни американськими астронавтами під час польотів кораблів “Аполлон", не виявлено мікроорганізмів, хоча передбачалося, що Луна може “уловлювати" значне число часток, що покидають Землю або що потрапляють в її околиці з інших областей космічного простору. Біологічні аналізи зразків місячного грунту не виявили ніяких організмів, здатних вижити в довгих космічних подорожах, і до цих пір всі подібні дослідження дають лише негативні результати. За час існування Сонячної системи (близько 4,5 млрд. років) спори (якщо вони існують) повинні були потрапити і на Марс.

Не дивлячись на факти, що свідчать проти теорії панспермії, вона продовжує жити. Останніми роками відомий американський астрофізик і письменник-фантаст Фред Хойл разом зі своїм співробітником Чандром Вікрамасингхом прийшли до неймовірного висновку, що не менше 80% часток міжзоряного пилу складаються з кліток бактерій і морських водоростей. Їх припущення засноване на вивченні оптичних властивостей часток міжзоряного пилу. Згідно оцінкам, її маса в нашій Галактиці приблизно в 5 млн. разів перевершує масу Сонця. З цієї точки зору Земля майже млява в порівнянні з міжзоряним простором. Услід за Арреніусом Хойл і Вікрамасингх називають ці клітки міжпланетними “стрибунами".

Зовсім недавно деякі учені запропонували оновлений варіант теорії панспермії. Згодне йому, життя на Землю знову-таки занесене з космічного простору, але не випадково, як передбачає класична теорія панспермії, а “доставлена" на міжзоряному космічному кораблі, відправленому розумними істотами з якоїсь жилої планети, що належить іншій зоряній системі. Ця теорія передбачає, що життя не існувало вічно, як рахували Гельмгольц. Кельвін і Ареніус, а зародилася в результаті складного ланцюга хімічних перетворень. На примітивній Землі не було відповідних умов для зародження життя; тому життя, що існує нині на нашій планеті, спочатку виникло десь у іншому місці Галактики, де умови були сприятливими. Найдетальніше ця гіпотеза, що отримала назву направленої панспермії, була розроблена Френсисом Кріком і Леслі Оргелом. Крик і Оргел доводять, що з моменту утворення Всесвіту минув достатньо часу, щоб в Галактиці могла сформуватися технічно розвинена цивілізація, яка з невідомих нам причин близько 4 млрд. років назад свідомо заселила Землю мікроорганізмами, доставленими автоматичним космічним апаратом.

Теорія направленої панспермії входить складовою частиною в широку дискусію, що розвернулася нині, про можливість існування в нашій Галактиці позаземних цивілізацій. Але хоча в цій проблемі залишається ще багато неясного, останніми роками спостерігається помітний відхід від спрощеного уявлення, що існувало на зорі космічної ери, згідно якому Галактика просто “кишить" технологічно розвиненими суспільствами, які існують на планетах земного типа в інших зоряних світах. Як теоретичні доводи, так і результати останніх досліджень Сонячної системи показали, що придатні для життя планети, мабуть, достатньо рідкі. Інші міркування приводять до виводу, що будь-яка цивілізація, знайшовши здібність до міжзоряних польотів, повинна швидко (у масштабі геологічного часу) розповсюджуватися по всій Галактиці.

3. Теорія хімічної еволюції

Теорія хімічної еволюції - сучасна теорія походження життя також спирається на ідею самозародження. У основі її лежить не раптове виникнення жвавих істот на Землі, а утворення хімічних сполук і систем, які складають жваву матерію. Вона розглядує хімію якнайдавнішої Землі, перш за все хімічні реакції, що протікали в примітивній атмосфері і в поверхневому шарі води, де, ймовірно, концентрувалися легкі елементи, складові основу жвавої матерії, і поглиналася величезна кількість сонячної енергії. Ця теорія намагається відповісти на питання: яким чином в ту далеку епоху могли мимоволі виникнути і сформуватися в жваву систему органічні сполуки?

Теорія Опаріна - Юрі. Спільний підхід до хімічної еволюції першим сформулював радянський біохімік А.І. Опарін (1894 - 1980). У 1924 р. в СРСР була опублікована його книга, присвячена цьому питанню; у 1936 р. вийшло в світ її нове, доповнене видання. Опарін звернув увагу на те, що сучасні умови на поверхні Землі перешкоджають синтезу великої кількості органічних сполук, оскільки вільний кисень, наявний в надлишку в атмосфері, окислює вуглецеві з'єднання до діоксиду вуглецю (вуглекислого газу, Со2). Крім того, він відзначав, що у наш час будь-яка органічна речовина, “кинута на свавілля” на землі, використовується жвавими організмами (подібну думку висловлював ще Чарльз Дарвін). Проте, затверджував Опарін, на первинній Землі панували інші умови. Можна вважати, що в земній атмосфері того часу був відсутній кисень, але удосталь були водень і гази, що містять водень, такі, як метан (Сн4) і аміак (Мн3). (Подібну атмосферу, багату воднем і бідну киснем, називають відновною на відміну від сучасної, окислювальної, атмосфери, багатої киснем і бідною воднем) На думку Опаріна, такі умови створювали прекрасні можливості для мимовільного синтезу органічних сполук.

Обгрунтовувавши свою ідею про відновний характер примітивної атмосфери Землі, Опарін висував наступні аргументи.

Водень удосталь присутній в зірках.

Вуглець виявляється в спектрах комет і холодних зірок у складі радикалів СН і CN, а окислений вуглець виявляється рідко.

Вуглеводні, тобто з'єднання вуглецю і водню, зустрічаються в метеоритах.

Атмосфери Юпітера і Сатурну надзвичайно багаті метаном і аміаком.

Як указував Опарін, ці чотири пункти свідчать про те, що Всесвіт в цілому знаходиться у відновному стані. Отже, на первісній Землі вуглець і азот повинні були знаходитися в такому ж стані.

У вулканічних газах міститься аміак. Це, вважав Опарін, говорить про те, що азот був присутній в первинній атмосфері у вигляді аміаку.

Кисень, що міститься в сучасній атмосфері, виробляється зеленими рослинами в процесі фотосинтезу, і, отже, по своєму походженню це біологічний продукт.

На підставі цих міркувань Опарін прийшов до висновку, що вуглець на примітивній Землі вперше з'явився у вигляді вуглеводнів, а азот у вигляді аміаку. Далі він висловив припущення, що в ході відомих нині хімічних реакцій на поверхні млявої Землі виникали складні органічні сполуки, які після задоволеного тривалого періоду часу, мабуть, і дали початок першим жвавим істотам. Перші організми, ймовірно, були дуже простими системами, здібними лише до реплікації (діленню) за рахунок органічної середи, з якої вони утворилися. Виражаючись сучасною мовою, вони були “гетеротрофами", тобто залежали від навколишнього середовища, яке забезпечувало їх органічним живленням. На протилежному кінці цієї шкали знаходяться “автотрофи”, наприклад, такі організми, як зелені рослини, які самі синтезують всі необхідні органічні речовини з діоксиду вуглецю, неорганічного азоту і води. Згідно теорії Опаріна, автотрофи з'явилися тільки після того, як гетеротрофи виснажили запас органічних сполук в примітивному океані.

Дж. Б.С. Холдейн (1892 - 1964) висунув ідею, в деякому відношенні схожу з поглядами Опаріна, яка була викладена в популярному нарисі, опублікованому в 1929 р. Він передбачив, що органічна речовина, синтезована в ході природних хімічних процесів, що протікали на передбіологічній Землі, накопичувалася в океані, який, врешті-решт, досяг консистенції “гарячого розбавленого бульйону". На думку Холдейна, примітивна атмосфера Землі була анаеробною (вільною від кисню), проте він не стверджував, що для здійснення синтезу органічних сполук були потрібні відновні умови. Таким чином, він допускав, що вуглець міг бути присутнім в атмосфері в повністю окисленій формі, тобто у вигляді діоксиду, а не у складі метану або інших вуглеводнів. При цьому Холдейн посилався на результати експериментів (не власних), в яких доводилася можливість утворення складних органічних сполук з суміші діоксиду вуглецю, аміаку і води під дією ультрафіолетового випромінювання. Проте надалі всі спроби повторити ці експерименти виявилися безуспішними.

У 1952 р. Гарольд Юрі (1893 - 1981), займаючись не власне проблемами походження життя, а еволюцією Сонячної системи, самостійно прийшов до висновку, що атмосфера молодої Землі мала відновлений характер. Підхід Опаріна був якісним. Проблема, яку досліджував Юрі, була по своєму характеру фізико-хімічною: використовуючи як відправну крапку дані про склад первинної хмари космічного пилу і граничні умови, визначувані відомими фізичними і хімічними властивостями Місяця і планет, він ставив за мету розробити термодинамічно прийнятну історію всієї Сонячної системи в цілому. Юрі, зокрема, показав, що до завершення процесу формування Земля мала сильно відновлену атмосферу, оскільки її основними складовими були водень і повністю відновлені форми вуглецю, азоту і кисню: метан, аміак і пари води. Гравітаційне поле Землі не могло утримати легкий водень і він поступово випарувався в космічний простір. Вторинним наслідком втрати вільного водню було поступове окислення метану до діоксиду вуглецю, а амміака - до газоподібного азоту, які через певний час перетворили атмосферу з відновної в окислювальну. Юрі передбачав, що саме в період випаровування водню, коли атмосфера знаходилася в проміжному окислювально-відновному стані, на Землі могло утворитися у великих кількостях складна органічна речовина. По його оцінках, океан, мабуть, був тоді однопроцентний розчин органічних сполук. В результаті виникло життя в її найпримітивнішій формі.

Вважається, що Сонячна система утворилася з протосонячної туманності величезної хмари газу і пилу. Вік Землі, як встановлено на основі лави незалежних оцінок, близький до 4,5 млрд. років. Щоб з'ясувати склад первинної туманності, найрозумніше досліджувати відносний вміст різних хімічних елементів в сучасній Сонячній системі.

Хоча чотири основні елементи Землі належать до дев'яти найбільш поширених на Сонці, по своєму складу наша планета істотно відрізняється від космічного простору в цілому. (Те ж саме можна сказати про Меркурій, Венеру і Марсе; проте Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун в цей список не потрапляють) Земля складається головним чином із заліза, кисню, кремнію і магнію. Очевидний дефіцит всіх біологічно важливих легких елементів (за винятком кисню) і вражаюча згідно теорії Опаріна - Юрі, необхідні для початку хімічної еволюції. Враховуючи дефіцит легких елементів і особливо благородних газів, розумно передбачити, що спочатку Земля сформувалася взагалі без атмосфери. За винятком гелію, всі благородні гази: неон, аргон, криптон і Ксенон - володіють достатньою питомою масою, щоб їх могло утримати земне тяжіння. Криптон і Ксенон, наприклад, важче за залізо. Оскільки ці елементи утворюють дуже мало з'єднань, вони, видно, існували в примітивній атмосфері Землі у вигляді газів і не могли випаруватися, коли планета досягла нарешті своїх нинішніх розмірів. Але оскільки на Землі їх міститься в мільйони разів менше, ніж на Сонці, природно допустити, що наша планета ніколи не мала атмосфери, по складу близької сонячної. Земля утворилася з твердих матеріалів, які містили лише невелику кількість поглиненого або адсорбованого газу, так що ніякої атмосфери спочатку не було. Елементи, що входять до складу сучасної атмосфери, мабуть, з'явилися на первісній Землі у вигляді твердих хімічних сполук; згодом під дією тепла, що виникає при радіоактивному розпаді або виділенні гравітаційної енергії, супроводжуючому аккрецію Землі, ці з'єднання розкладалися з утворенням газів. В процесі вулканічної діяльності ці гази виривалися із земних надр, утворюючи примітивну атмосферу.

Високий вміст в сучасній атмосфері аргону (близько 1%) не протирічить припущенню, що благородні гази спочатку були відсутні в атмосфері. Ізотоп аргону, поширений в космічному просторі, має атомну масу 36, тоді як атомна маса аргону, що утворився в земній корі при радіоактивному розпаді калія, рівна 40. Аномальний високий вміст на Землі кисню (в порівнянні з іншими легкими елементами) пояснюється тим, що цей елемент здатний з'єднуватися з безліччю інших елементів, утворюючи такі дуже стабільні тверді з'єднання, як силікати і карбонати, які входять до складу гірських порід.

Припущення Юрі про відновний характер первісної атмосфери грунтувалися на високому утриманні на Землі заліза (35% спільної маси). Він вважав, що залізо, з якого нині складається ядро Землі, спочатку було розподілене більш менш рівномірно за всім її обсягом. При розігріванні Землі залізо розплавилося і зібралося в її центрі. Проте, перш ніж це сталося, залізо, що міститься в тому шарі планети, який зараз називається верхньою мантією Землі, взаємодіяло з водою (вона була присутня на примітивній Землі у вигляді гідратованих мінералів, схожих на тих, що виявлені в деяких метеоритах); в результаті в первісну атмосферу виділилися величезні кількості водню.

Дослідження, здійснювані з початку 1950-х років, поставили під питання лаву положень описаного сценарію. Деякі планетології висловлюють сумніви щодо того, що залізо, зосереджене зараз в земній корі, могло коли-небудь рівномірно розподілятися за всім обсягом планети. Вони схиляються до думки, що аккреція відбувалася нерівномірно і залізо конденсувалося з туманності раніше інших елементів, створюючих нині мантію і кору Землі. Коротше кажучи, останніми роками були проаналізовані різні моделі освіти Землі, з яких одні в більшій, інші у меншій мірі узгоджуються з уявленнями про відновний характер ранньої атмосфери.