По мере выделения из газовой фазы твердых частиц при охлаждении солнечной туманности и реакций этих частиц с оставшейся газовой средой возникали также определенные соединения, которые явились хорошими катализаторами многих химических реакций. Органические соединения, найденные в метеоритах, образовывались преимущественно путем химических реакций между Н, СО и простейшими соединениями N. Наиболее вероятны в этих условиях реакции типа Фишера-Тропша. В общем виде их можно записать так:
nCO + (2n + 1)H2 → CnH2n+2 + nH2O.
Реакции этого типа протекают даже в благоприятных термодинамических условиях очень медленно, но они резко ускоряются в присутствии катализаторов.
На последних стадиях остывания солнечной туманности, когда основные тугоплавкие компоненты (металлическое железо, силикаты, окислы и др.) уже конденсировались в виде пылевых частиц, происходили процессы гидратации ранее выделившихся силикатов (преимущественно оливина) и образования совместно или позже органических соединений. При температурах ниже 500 К шли реакции гидратации между оливином и парами воды:
4(Mg, Fe)2SiO4 + 4H2O + 2CO2 → 2(Mg, Fe)2SiO4 + (Mg, Fe)6(OH)8Si4O10 + ...
Продукты этих реакций в виде гидратированных силикатов, магнетита и карбонатов действительно слагают основную массу хондритов типа C1 в качестве породообразующих минералов. По данным разных методов, типичные минеральные ассоциации углистых хондритов формировались в интервале температур 300-430 К.
Таким образом, можно заключить, что ассоциация органического вещества с низкотемпературными минеральными комплексами — типичное явление в космохимии метеоритов. По структурным данным органические соединения были синтезированы на поверхности минеральных зерен, впоследствии вошедших в состав углистых хондритов. Под микроскопом было замечено, что много органического вещества метеоритов присутствует в виде скругленных флюоресцирующих частиц от 1 до 3 мкм в диаметре. Ядрышки магнетита или гидратированного силиката найдены в центре этих частиц.
Отмеченные выше процессы каталитического синтеза органических соединений в космических условиях подтверждаются также опытными данными. Экспериментальные исследования по моделированию реакций типа Фишера-Тропша в условиях, близких к космическим, были выполнены Д. Иоширо, Р. Хайатсу и Э. Андерсом. Было обнаружено, что когда СО, Н2, NH3 вступают в реакции при температурах 150-500°С в присутствии никеля, алюминия или глинистых минералов в качестве катализаторов, то образуются многие органические вещества, включая аминокислоты. Исследования в этой области, в настоящее время ведущиеся довольно интенсивно, подтверждают ранее полученные результаты. Термодинамические условия формирования органических соединений в остывающей газовой туманности солнечного состава представлены на рис. 11.
Следует отметить, что частицы естественных катализаторов в солнечной туманности обладали первоначально также повышенной радиоактивностью, воздействующей на окружающую среду. Поэтому можно полагать, что синтез органических веществ проходил как под влиянием явлений катализа, так и под воздействием радиоактивности.
Пока еще мало опытов по экспериментальному моделированию синтеза органических веществ под непосредственным воздействием излучений радиоактивных изотопов на определенные газовые смеси, которые близки по составу к предполагаемой туманности. Проводились лишь исследования американских ученых С. Палма, М. Кальвина, С. Понамперумы по облучению смеси СН4, NH3, H2O бета-лучами. В результате происходили реакции, которые привели к образованию алифатических соединений, аденина и аминокислот. Однако особый интерес представляют результаты опытов Д. Гидлея и др. [Gidiey et al., 1982]. Облучая бета-лучами примитивные газовые смеси, эти исследователи установили, что под действием бета-излучения происходит образование асимметричных молекул органических веществ однородного структурного типа, включая аминокислоты и сахара. В связи с этим следует отметить, что одной из фундаментальных особенностей живой материи является оптическая молекулярная асимметрия главных компонентов организмов — белков и нуклеиновых кислот. В состав белков входят только L-аминокислоты. В связи с этим можно предположить, что действие излучений радиоактивных элементов было решающим фактором образования асимметричных молекул органических соединений, которые оказались наиболее подходящими для формирования живого вещества.
По-видимому, синтез органических веществ в древних космических системах мог происходить при определенных дозах ионизирующей радиации. Радиоактивные излучения высокой интенсивности разрушают химические соединения. Поэтому следует допустить, 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.
Особенности химических и изотопных данных по углистым хондритам показывают, что накануне формирования родительских тел этих метеоритов синтез органических веществ осуществлялся преимущественно путем каталитических реакций типа Фишера-Тропша и в меньшей мере путем реакций типа Миллера-Юри. В частности, это можно видеть при сравнении молекулярных масс-спектрограмм для углеводородов, полученных в результате реакций типа Фишера-Тропша искусственно, и углеводородов метеорита Мурчисон (рис. 12). Обращает на себя внимание хорошее совпадение определенных максимумов для двух образцов.
Учитывая вышеизложенное, нетрудно прийти к заключению, что синтез довольно сложных органических соединений был закономерным этапом в химической эволюции Солнечной системы в канун формирования планет. Возникшие в космических условиях органические вещества вошли в состав многих тел, но лишь на Земле реализовались возможности прогрессивной эволюции. В результате быстро сформировались саморегулирующиеся высокомолекулярные системы — предки первых живых организмов. В метеоритах и их родоначальных телах химическая эволюция оказалась замороженной.
Органические вещества космического происхождения попали на растущую Землю на последних стадиях ее аккумуляции совместно с материалом типа углистых хондритов. Следует при этом отметить, что по ряду геохимических и изотопных данных материал первичной верхней мантии Земли был близок к материалу типа углистых хондритов как источнику воды и других летучих веществ. Все больше выявляется дополнительных данных в пользу этого заключения. В дальнейшем при радиогенном нагреве верхней первичной мантии выделялись газы и пары, давшие начало образованию атмосферы и гидросферы. При этом были вынесены и органические соединения, которые изменились в сторону прогрессивной эволюции, находясь в тесном контакте с твердыми фазами различной степени измельчения — от коллоидных частиц глинистых минералов до крупных камней и глыб как первых продуктов выветривания новорожденной коры планеты. Этот твердый материал отличался повышенной радиоактивностью на ранних стадиях развития нашей планеты.
Однако насколько далеко продвинулась химическая эволюция вещества в космических условиях, мы не знаем. Те углистые хондриты, которые изучены в отношении содержания органики и недавно к нам попали из пояса астероидов, могут рассматриваться лишь как вероятный аналог того материала, который создал верхние горизонты нашей планеты. Но их нельзя считать полностью тождественными первичной верхней мантии Земли.
По-видимому, можно наметить два пути решения проблемы: либо химическая эволюция, начавшись в космических условиях, продолжалась в условиях Земли и в относительно короткие сроки привела к возникновению примитивных живых организмов, либо образование первых сложных молекул ДНК, лежащих в основе наследственности, произошло в космических условиях, а полная реализация возможностей ДНК наступила в первых водоемах нашей планеты, содержащих растворенные органические вещества.
Возникновение биосферы и главные черты ее развития
Живое вещество всегда, в течение всего геологического времени, было и остается составной частью биосферы, источником энергии, ею захватываемой из солнечных излучений, веществом, находящимся в активном состоянии, имеющим основное влияние на ход и направление геохимических процессов химических элементов во всей земной коре.
Развитие органических соединений, как и живого вещества, теснейшим образом связано с водой. Но проблема происхождения воды на нашей планете относится к области изучения заключительных стадий аккрепии. Тогда наиболее низкотемпературные конденсата солнечной туманности — гидратированные силикаты, органические вещества и сама вода в адсорбированном состоянии в твердых частицах или в виде частиц космического льда — завершили формирование планет земной группы. Наиболее полно эти конденсата представлены в углистых хондритах типа Cl. Однако на современном уровне знаний можно допустить, что какая-то часть воды поступила на планеты на последних стадиях аккреции. Особенно отчетливо выражен этот процесс на ледяных спутниках внешних планет, оболочки которых, по всей вероятности, отражают результат выпадения больших количеств космического снега, покрывшего более раннюю поверхность этих планетных тел. В целом механизм вхождения летучих компонентов в состав планет земной группы представляет собой трудную, нерешенную проблему. Также важной и нерешенной остается проблема вхождения органических веществ в состав Земли и планет земной группы.
Если допустить, что в эпоху завершения образования Земля получила в общей сложности примерно 1% материала типа углистых хондритов, то нетрудно подсчитать, что в начале развития наша планета приобрела n-1017 т органического вещества абиогенного происхождения. Общее количество органического углерода в земной коре оценивается величиной 3,8-1015 т, что на два порядка ниже предполагаемого первичного органического углерода в составе верхних слоев новорожденной Земли, При этом следует учесть, что огромное количество органического вещества земной коры в виде рассеянной органики, углей и нефти возникло потом в ходе фотосинтетической деятельности организмов, использовавших углекислый газ глубинного мантийного происхождения либо первичной атмосферы, но не то первичное органическое вещество, которое попало на Землю на самых ранних этапах ее развития. Таким образом, общее количество первичного органического вещества, которое Земля могла получить в наследство от протопланетной туманности, не может быть оценено количественно на современном этапе наших знаний. Какая именно доля вещества типа углистых хондритов завершила формирование нашей планеты, пока неизвестно.