Фолсом - Происхождение жизни - 1982 (947300), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Но па Землю продолжало поступать высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучепие Солнца. В таких условиях возникла жизнь, одпако появившаяся лживая материя была пе способна к образованию кислорода путем фотосинтеза. Таким образом, атмосфера того периода, во многом сходная с современной, кардинально отличалась от последней — в ней не было свободного кислорода.
Именно к этому времени относятся древнейшие осадочные породы, что свидетельствует о формировании постоянных океанов, Первые из известных осадочных пород имеют возраст около 3800 млн. лет. Химические данные об этих породах подтверждают наши представления об условиях того времени. Отложепия, древпее 4000 млн. лет, представлены только кристаллическими породами; это свидетельствует о том, что в существовавших в то время мелких прудах и озерах вулканический пепел, обломки пород и другие осадки еще пе успели собраться, перемешаться и сконцентрироваться, для того чтобы формировать осадочные породы.
Третья, и последняя, стадия эволюции атмосферы, называемая биологической, характеризуется образованием свободного кислорода. Нислород обладает высокой реакционной способностью; он соедппяется с различными элемептаии пород и свободно реагирует с такими вулканическими газами, как окись углерода, двуокись серы и водород. В отсутствие жизни в атмосфере могли бы сохраниться лишь следовые количества кислорода, и, действительно, в этих условиях кислород постепенно образуется и расходуется.
Его образование является результатом фотодиссоциации воды. В атмосфере па больших высотах водяной пар подвергается воздействию ультрафиолетового излучения Солнца: Солнечное ультрафиолетовое излучение 2Н,О -~ О,+2Н,. На этих высотах газообразный водород улетучивается с Земли, а кислород остается в свободном состоянии и спо- 58 глава 4 собен вступать в реакции с минераламп в газами, имеющимп меньшую степень окисления. Таким путем постоянно образуется около 2 10м г кислорода в год.
На первый взгляд зто число кажется болыпим, однако, если мы вспомним, что современные фотосинтезирующие растения образуют в год в общей сложности около 181 ° 10зз г кислорода, то первая цифра уже не будет проиаводить на нас особого впечатления. В действительности из указанного количества кислорода, образующегося при фотосинтезе, в современной атмосфере остается только 12 10ю г. Остальные 171 10ю г в год используются в процессах выветривапия. Остаток, который сразу не используется при выветривапии, составляет 20з/з-ный (по обьему) уровень кислорода, постоянно присутствующего в атмосфере. Атмосфера, содержащая свободный кислород, начала эволюционировать около 2000 млн.
лет назад, когда у фотоскнтезирующкх организмов развилась способность использовать видимый свет как источник энергии и воду как донор электронов. Кислород является побочным продуктом протекающих при этом процессов. Сведения о присутствии свободпого кислорода сверх тех следовых количеств, которые образузотся при фотодиссоциации, были получены при изучении состояния окисления железа в осадочных породах. Было показано, что породы моложе 2000 млн. лет характеризуются гораздо большей степенью окисления, чем более древние.
Накопление свободного кислорода в атмосфере, вероятно, проходило линейно с 2000 млн. лет нааад до 600 млн.лет назад, когда возникли сложные многоклеточные формыясизни. После того,кака атмосфере накопился свободный кислород фотосинтетического происхождения, он должен был поглощать ультрафиолетовое излучение Солнца п создавать оаоновый (Оз) слой. В результате солнечное ультрафиолетовое излучение внезапно перестало достигать поверхности Земли.
Хотя зто излучение обеспечивает протекание химических реакций, оно способно также разрушать органические соединения и биологическпе системы. <1>ормирование оаонового экрана было одним из самых значительных событий в истории природной среды, поскольку оно позволило развиться земным биологическим системам. Глава 5 Химическая эволюция Аь Эксперимент 10ри — Миллера с искровым разрядом. Н етом вксперименте смесь метана, аммиака и водяных паров в двухлитровой колбе подеергаетск вогдействию пос~оянного влектрииесково разряда мезгду Верня влектродами. Обратите внимание на интенсивное отложение полимерного вещества на поверхности стекла. (С любезного разрешения НАСА.) ...сиина змеи Бее хвоста и пешуи, Песья мокрая ноздря С мордою нетопыря, Ляеушиное бедро И совиное неро, Ящериц помет и слизЬ Б колдовской котел вались( Шекспир.
Маибот ' В начале существования Земли, около 4500 млн. лет назад, на поверхности земной коры формировались мелкие озера и пруды с пресной дождевой водой, содержащие вулканический пепел. Температура па ее поверхности была ком~атпой — около 25'С. Вулканическая деятельность, грозы, падения метеоритов, высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение Солнца — все эти процессы были очень интенсивными, и все вилы энергии имелись в изобилии.
В атмосфере присутствовали главным образом азот, окись углерода, водород и водяной пар. При иамепении условий изменялись и газы, содержащиеся в атмосфере. Химические реакции были обратимы и зависели от окружающих условий. Например, в реакции СО + ЗН, -+ СН,+П,О Окись Водород Мотая Вода углерода (в избытка) количество образующихся продуктов определяется количеством исходяых веществ и температурой окруисающей среды. Можно подсчитать, что если водород находится в избытке, то при комнатной температуре практически вся окись углерода быстро превращается в метал.
Аналогичным образом в реакции Р)а + 6Н -ь. 25)Нз Азот Водород Аммиак (в избытке) почти весь азот превращается в аммиак. Проанализировав уравнения этих реакций, скорости которых известны, можно было бги прийти к заключению, что атмосфера состояла из метана и аммиака.
Однако зто ' Перевод В. Пастернака. ХИмиЧЕСкАЯ ЭВОЛЮЦИЯ З1 чересчур упрощенный подход; известно, что при исследовании ранних горных пород не было найдено никаких свидетельств в пользу существования метан-аммиачной атмосферы. Если бы метан находился в изобилии, ои быстро превратился бы во всевозможные углеводороды и нефть и зги продукты обнаруживались бы в виде отложений химически видоизмененных углеводородов и графита в толще ранних пород. Но подобных отложений там нет. Если бы в атмосфере присутствовал аммиак, то он быстро растворялся бы в водоемах с образованием гидро- окиси аммония — сильного основания — и тогда пруды и озера были бы гораздо более щелочными, чем сейчас.
Вместе с тем известпо, что ранние породы содержат силикаты, которые пе могли бы осаясдаться в столь щелочных условиях. К тому же, если бы в атмосфере в самом деле был аммиак, он быстро разложился бы под действием солнечного ультрафиолетового излучепия. Значит, паши уравнения неверныг Нет, они просто пе отражают фактического положения дел.
Трудность состоит в том, что каждое из приведенных выше уравпений соответствует некоторым нереальным условиям и квасная реакция рассматривается пзолнроваппо. В действителызости же все компопепты атмосферы находились в смеси друг с другом, взаимодействовали между собой и с продуктами реакции во всевозможных комбинациях. Реальные сложные природные условия иллюстрирует схема, представленная па рис. 5.1. В природе вряд ли найдутся условия, при которых отдельная реакция протекала бы изолированно до своего полного завершения. При протекании реакции меязду участвукяцими в пей компонентами возможны различные взаимодействия, что за короткое время приводит к образованию самых разнообразных и весьма сложных соединений.
К таким соединениям относятся «смолистые промежуточные продуктыз, которые, как предполагает 1Ори, могли образоваться из упомяпутых выше исходных веществ. Остальные продукты представляли собой самые различные органические соединения, послужившие основой вознпкловеиия жизни на Земле. Можно лн проводить модельные эксперименты, не зная точного состава исходной атмосферыг Реально со- Гамп быделяюигюкп из персия«их булкиной а(СО,) + о(СО) ч е(Чз) + й(НзО) + г(Нз) + з(5) + у(Нг5] + Ь(СН,) + з(5Оз) + при бвздедтзбии различная звнвб пнгнии рагпруппз с вбразобампен разюкзбриннгх маек цнимических сеейипний з(НСХ) + lз(НСОзН) + ((СНзСОзН) + пз(НМ(СМ)з) б(ианисюгзй Рзуридыгнан Унсусрап Лицианплгид дсдород «ислоюа кисзопю + п(НгХСНзСОзН) + Глиц им П~и боздсйснйии различмых дидой лнергии реагируют с ойразсданисм далее слюнных органических соединений Рис.
5Л. Схема процесса выделеиия гаван кв первичиых вулкаиов. Строчеые латинские буквы укавывазот ва воличестяа тех или иных компонентов. Ляпювъсготы (и-(зазличныс $ нические унклиомывпые группы) ..О...,.. „, гг Ъ" М СНз — (СНдн — ССЧН пирплагдпнгз )(урииы жирпыс касаемы (и-различимо (и-ррзличнгн группы) группы) химичкскхя эволюция 63 став первичной атмосферы постоянно менялся; это была меняющаяся, словно в калейдоскопе, смесь свая<их вулканических газов и летучих продуктов реакций, в которых опи участвовали. В то же время свойства всех образующихся продуктов зависели в основпом от единственного газа — водорода, причем водород был главным продуктом вулканических газовых выделений.
Как мы увидим далее, в реакциях, протекающих при воздействии различных источников энергия па любую газовую смесь, содержащую водород, образуются одни и те же продукты. Судьба первичных вулканических газов зависела от двух факторов: во-первых, от скоростей реакций и взаимодействий гааов и их раанообразных продуктов с различными видами энергии, т. е. факторов, определяющих химическую эволзоцию, во-вторых, ос скорости утечки водорода из верхних слоев атмосферы. Сила тяготения Земли недостаточна, для того чтобы удерживать водород в верхних пределах атмосферы при существовавших температурах, и поэтому водород с постоянной скоростью исчезал из атмосферы, т. е. атмосфера эволюционировала с образованием различных продуктов. С 1897 г.
было проведено множество модельных экспериментов, на основании которых пришли к заключению, что при воздействии энергии на первичные газы образуется большой набор органических соедияений, синтезированных случайным образом. Кроме того, в состав этого большого набора небиологнческих соединений должен входить набор малых органических молекул, необходимых для биологической эволюции. Ниже мы опишем несколько классических экспериментов по химической эволюции, подтверждающих это общее заключение. В 1953 г.
Миллер и Юри из Чикагского университета придумали систему для прямого эксперимента, в котором метан, аммиак и вода подвергались действию электрического разряда. Правда, искровые разряды не относятся к наиболее распространенным видам первичной энергии,каким, например, является солнечное ультрафиолетовое излучение, но если бы они воспользовались последним, то это очень осложнило бы эксперимент. Известно, что химические связи могут образовываться и разрушаться прн воздействии любых видов энергии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
