URSS.ru - Издательская группа URSS. Научная и учебная литература
Об издательстве Интернет-магазин Контакты Оптовикам и библиотекам Вакансии Пишите нам
КНИГИ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ


 
Вернуться в: Каталог  
Обложка Флоровская В.Н., Пиковский Ю.И., Раменская М.Е. ПРЕДБИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ углеродистых веществ НА РАННЕЙ ЗЕМЛЕ: Геологический аспект
Id: 156283
 
399 руб.

ПРЕДБИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ углеродистых веществ НА РАННЕЙ ЗЕМЛЕ: Геологический аспект

URSS. 2012. 224 с. Твердый переплет. ISBN 978-5-397-02487-7.

 Аннотация

Настоящая книга посвящена геологическим и геохимическим предпосылкам возникновения жизни на поверхности Земли; в ней рассмотрены условия, определяющие синтез и направленность эволюции абиогенных углеродистых веществ на ранней Земле. Материалы книги основаны на 50-летних исследованиях авторов, проводившихся на геологическом и географическом факультетах Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова под руководством профессора В.Н.Флоровской. Основная концепция авторов заключается в том, что жизнь и последующее формирование биосферы не могли появиться на Земле как случайное или локальное явление. По их мнению, жизнь и биосфера возникли как глобальное явление в результате закономерной эволюции нашей планеты, в масштабах геологического времени сразу во многих ее местах при участии самых распространенных на Земле и в космосе химических элементов.

В качестве природных моделей для исследования был выбран ряд массивов магматических и вулканических горных пород и гидротермальных месторождений полезных ископаемых, залегающих вне контакта с осадочными толщами, а также продукты современной вулканической и гидротермальной деятельности. Основной методической базой исследования стал люминесцентный метод, позволяющий проводить диагностику рассеянного углеродистого вещества, присутствующего в горных породах и минералах в очень малых концентрациях, и идентифицировать в них индивидуальные полициклические ароматические углеводороды. Рассмотренный сценарий возникновения жизни на Земле предполагает, что абиогенез на нашей планете был подготовлен эволюцией углеродистых соединений в ходе магматических и постмагматических процессов в недрах, конечными продуктами которых были жидкие, твердые и газообразные углеводороды, а также кислород- и азотсодержащие углеродистые молекулы.

This book is dedicated to the study of geological and geochemical prerequisites for the appearance of life on the surface of the Earth. It deals with the conditions that determine the synthesis and the direction of the evolution of abiogenic carbonaceous substances on the early Earth. Materials used in the book are based on studies carried out by the authors in Lomonosov Moscow State University under the guidance of Prof. V.N.Florovskaya and lasted for 50 years. The basic concept of the authors is that life and the biosphere came into existence as a regular global phenomenon due to the geological evolution of our planet, on a geological time scale, in many parts of it at the same time, with the participation of chemical elements that are the most abundant on the Earth and in the outer space.

As natural models, for investigations there were selected a number of magmatic and igneous rocks masses and hydrothermal mineral deposits occurring beyond the contact with sedimentary strata, products of recent volcanic and hydrothermal activities. The main methodological base for the investigations was the luminescent method that makes possible to carry out the diagnostic of the dispersed carbonaceous substance and to identify individual polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) in rocks and minerals in very low concentrations. The scenario of the origin of life on the Earth discussed here suggests that the abiogenesis on the Earth had been prearranged by the evolution of carbonaceous compounds in the course of magmatic and post-magmatic, for the most part, hydrothermal, processes in the Earth’s interior, end products of which were liquid, solid and gaseous hydrocarbons, as well as oxygen- and nitrogen-containing carbonaceous molecules.


 Оглавление

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА ПЕРВАЯ
Предбиологические соединения углерода в космосе и на ранней Земле
 1.1. Углеводороды и другие углеродистые вещества в космическом пространстве
 1.2. Углеродистые соединения на ранней Земле
 1.3. Возможные процессы абиогенного синтеза углеродистых веществ на ранней Земле
 1.4. Дегазация глубинных геосфер и вынос углеродистых веществ к земной поверхности на ранней Земле
 1.5. Геохимическая эволюция абиогенеза на поверхности ранней Земли
ГЛАВА ВТОРАЯ
Эволюция абиогенных углеродистых веществ в процессах эндогенного минералообразования
 2.1. К методике изучения эволюции углеродистых веществ в продуктах эндогенной деятельности Земли
 2.2. Углеродистые вещества в щелочных магматических горных породах и пегматитах Хибинского массива (Кольский п-ов)
 2.3. Углеродистые вещества в вулканогенных горных породах и рудах Комсомольского медноколчеданного месторождения (Южный Урал)
 2.4. Общие закономерности поведения углеродистых веществ в породах и минералах эндогенного генезиса
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
Полициклические ароматические углеводороды и предбиологические молекулы в гидротермальных флюидах
 3.1. Возможная роль полициклических ароматических углеводородов в предбиологической эволюции углеродистых веществ
 3.2. Особенности химической структуры и генезиса полициклических ароматических углеводородов
 3.3. Полициклические ароматические углеводороды в гидротермальных минералах
 3.4. Полициклические ароматические углеводороды в современных гидротермальных системах
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
Механизм формирования предбиологических молекул - роль минеральных поверхностей
 4.1. О значении минеральных поверхностей в формировании предбиологических молекул
 4.2. Краткий обзор представлений о роли минеральных поверхностей как матриц для образования предбиологических молекул
 4.3. Применение структурно-геометрического анализа минералов и молекул к расчетам наиболее вероятных предбиологических молекулярных структур
 4.4. Сопряженный структурно-геометрический анализ молекул и минералов
ГЛАВА ПЯТАЯ
Первые предбиологические вещества на Земле. Гипотеза "эмбрино".
 5.1. Гипотеза "эмбрино".
 5.2. Роль эндогенной нефти в образовании и эволюции "эмбрино"
 5.3. "Эмбрино" и современная биосфера
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ
 Библиография трудов профессора МГУ В.Н. Флоровской о возникновении жизни на Земле
EXECUTIVE SUMMARY

 Введение

Первыми научными гипотезами о возникновения жизни на Земле, допускающими возможность экспериментальной проверки, были работы российского биохимика А.И. Опарина [1924] и английского физиолога и генетика Дж. Холдейна [Haldane, 1929]. Оба автора полагали, что на поверхности ранней Земли естественным путем возникли простые соединения углерода, которые в процессе химической эволюции привели к образованию белков, а затем и живых организмов. Это не противоречило научным представлениям того времени. В гипотезе о репликации наследственных молекул Н.К. Кольцова роль этих молекул отдавалась белку [Кольцов, 1968].

Вместе с тем, сам процесс возникновения предбиологических веществ на Земле этим исследователям представлялся по-разному. А.И. Опарин первоначально предположил, что на сухой раскаленной поверхности ранней Земли дождевые потоки вступали во взаимодействие с карбидами металлов, выброшенными вулканами, образуя углеводороды и другие углеродистые соединения. При взаимодействии воды с карбидами металлов, согласно представлениям Д.И. Менделеева, в недрах Земли возникали углеводороды, из которых формировались нефтяные месторождения. На последующих стадиях предбиологической эволюции, по А.И. Опарину, возникали белковые вещества, часть которых сосредоточилась в обособленных участках водного раствора -.5 коацерватах. Естественный отбор среди коацерватов и привел к возникновению предбиологических веществ в водах первичного океана [Опарин и др., 1955].

Дж. Холдейн считал, что процесс начального синтеза углеродистых молекул происходил в атмосфере, а дальнейшая их эволюция шла в океане под действием жесткого ультрафиолетового излучения.

В начале 1930-х г.г. Дж.Б.С. Холдейн, узнав о предшествующей работе А.И. Опарина, признал его приоритет, а тот, в свою очередь, согласился с гипотезой Холдейна о преимущественном синтезе соединений углерода в первичной восстановленной атмосфере [Опарин, 1936].

Эксперименты по синтезу биохимических соединений углерода в газовой и водной средах подкрепили представления о возникновении предбиологических веществ в первичной атмосфере Земли и дальнейшей их эволюции в океане [Miller, 1953; Павловская, Пасынский, 1959; Пасынский, Павловская, 1964; Павловская, 1973]. На этот сценарий долгие годы вплоть до настоящего времени опирается большинство исследований по проблеме происхождения жизни [Russell et al, 1988; Каценберг, 1990, Danchin, 1992, Злобин, 2001, Russell, 2007].

Однако, несмотря на множество выдвинутых гипотез происхождения жизни, сама возможность предбиологической эволюции углеродистого вещества в Мировом океане или в атмосфере Земли остается предметом дискуссий. Причина такой неопределенности -- малая концентрация и неизбежность рассеяния первичного вещества в этих средах, что делает маловероятным, во всяком случае, не закономерным, сближение простых мономеров и массовый синтез сложных биохимических молекул. Согласно идее Дж. Бернала [1969] о роли минеральных матриц в пересыхающих лагунах, эти процессы происходили в прибрежных донных отложениях, но концентрация соединений, попадающих в эти лагуны из атмосферы, тоже не могла быть достаточно высокой.

Для преодоления этих трудностей в качестве альтернативы упомянутым сценариям еще в 1950-х--1960-х годах исследователи обратились к поискам геологических и геохимических условий возникновения жизни непосредственно на поверхности самой Земли.

Таким работам долго препятствовало то обстоятельство, что в науке господствовали представления об исключительно биогенном образовании сложных углеродистых веществ, встречающихся в горных породах и минералах земной коры. Вместе с тем, к середине ХХ века уже накопилось достаточно много фактов обнаружения самых разных углеродистых веществ в изверженных и метаморфических горных породах, в продуктах вулканической деятельности вне связи с осадочными горными породами [Кудрявцев, 1959; Кропоткин, Шахварстова, 1959]. Сложные углеродистые образования абиогенного происхождения давно были известны в метеоритах и других космических телах. Возродились концепции абиогенного происхождения нефти и углеводородного газа. Появились гипотезы о возможности образования первых предбиологических веществ с участием абиогенной нефти, выходящей на земную поверхность [Белихов, 1950; Кропоткин, 1959]. Этих фактов было достаточно для того, чтобы начать изучение возможных процессов абиогенеза непосредственно в недрах Земли и на ее поверхности.

Систематические исследования по поискам геологических условий возникновения абиогенных углеродистых веществ на Земле и эволюции этих веществ в земной коре начались в самом начале 1960-х годов в люминесцентно-битуминологической лаборатории геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова под руководством профессора В.Н. Флоровской. Этой проблемой лаборатория занималась в течение последующих 50 лет в статусе межфакультетской лаборатории МГУ, а затем лаборатории углеродистых веществ биосферы географического факультета МГУ. Эти исследования вскоре после их начала были включены академиком А.И. Опариным в программу Научного совета Академии наук СССР по проблеме "Эволюционная биохимия и происхождение жизни на Земле".

Первые полученные результаты позволили В.Н. Флоровской предложить новую концепцию возникновения жизни на Земле, которая была доложена на Ломоносовских чтениях в МГУ в 1962 году. Предполагалось, что абиогенез на Земле был подготовлен эволюцией углеродистых соединений в ходе магматических и постмагматических процессов в недрах, конечными продуктами которых были нефть, углеводородный газ, аминокислоты, нуклеиновые кислоты, полипептиды, азотистые основания и другие кислород- и азотсодержащие молекулы [Флоровская, 1964].

Данные начального этапа исследований были опубликованы в монографии "Диагностика органических веществ в горных породах и минералах магматического и гидротермального происхождения" [Флоровская и др., 1968]. Дальнейшие работы углубляли и расширяли полученные выводы. Параллельно с геохимическими исследованиями разрабатывались способы построения сложных предбиологических молекул на минеральных матрицах методами количественной геометрической кристаллографии с использованием идеи Дж. Бернала о роли минеральных матриц в формировании первых биологических полимеров. С этой целью был специально разработан структурно-геометрический метод анализа минералов и углеродистых молекул [Раменская, 1985, 1993; 1995; 2008].

Труды этого научного коллектива постоянно публиковались в журналах, научных сборниках и главах отдельных монографий. О них рассказывалось и в научно-популярных изданиях [Гангнус, 1971]. Вместе с тем, эти работы до сих пор остаются малоизвестными среди современных исследователей, изучающих проблему происхождения жизни на Земле. На них почти нет ссылок как в мировой научной литературе (публикации были, в основном, на русском языке), так и среди отечественных авторов. И это, несмотря на то, что некоторые идеи, впервые высказанные В.Н. Флоровской и ее учениками, например, о ведущей роли гидротермального процесса в эндогенной эволюции углеродистых соединений, впоследствии получили самое широкое распространение в России и во всем мире. Более того, эта идея стала одной из наиболее популярных в современной литературе по происхождению жизни.

В предлагаемой книге обобщены результаты пятидесятилетних исследований геологического аспекта проблемы предбиологической эволюции углеродистых веществ, полученные В.Н. Флоровской и ее сотрудниками. Некоторые из приведенных в книге данных были опубликованы достаточно давно, но не вошли в широкий научный оборот, хотя и теперь, по нашему мнению, остаются актуальными.

Основная концепция авторов состоит в следующем.

Жизнь, а затем и биосфера не могли появиться на Земле как случайное или локальное явление. Они возникли в результате закономерной геологической эволюции нашей планеты сразу во многих ее местах на основе самых распространенных на Земле и в Космосе химических элементов.

Предбиологический этап развития ранней Земли связан со следующими необходимыми условиями.

Во-первых, поверхность планеты должна была остыть настолько, чтобы на ее участках зарождающейся коры могла появиться жидкая конденсационная вода. Очевидно, что ни о каком становлении жизни без воды речи быть не может.

Во-вторых, на Земле в этот период еще не должно быть сплошной гидросферы в виде Мирового океана или даже сколько-нибудь обширных морей. Факт очень важный, так как, попав в океан, предбиологические молекулы будут неизбежно рассеиваться и в итоге распадаться. Можно, конечно, строить различные предположения о дискретных участках океана, на которых происходила концентрация вещества, но вряд ли это объясняет поступательный процесс предбиологической эволюции, который неизбежно привел бы к возникновению жизни. Поэтому жизнь могла возникнуть лишь во временном промежутке между охлаждением поверхности Земли и формированием океана, покрывшем вскоре большую часть планеты.

В-третьих, к началу предбиологического этапа в атмосфере Земли помимо азота должен был появиться и молекулярный кислород, первоначально связанный с фотолизом воды многочисленных дискретных источников. Образовавшийся впоследствии озоновый слой предохранял предбиологические молекулы, возникавшие на Земле от разрушения энергией ультрафиолетового излучения.

В-четвертых, поскольку в основе живых систем лежит углерод, то логично связать возникновение предбиологических и биологических структур с процессами эволюции и концентрации самых распространенных на Земле углеродистых соединений, в состав которых входят, кроме углерода, водород, сера, кислород, азот и многие микроэлементы земных оболочек.

В-пятых, основным поставщиком вещества для формирования предбиологических соединений могла быть только постоянная дегазации Земли, выносившая на ее поверхность углерод и другие необходимые для возникновения жизни химические элементы. Вероятнее всего, это были вулканизм и постмагматическая, в особенности гидротермальная деятельность.

На роль гидротермальных явлений в возникновении жизни на Земле обратил внимание еще в начале 1930-х годов академик В.Л. Комаров. В книге "Происхождение растений" он писал: "В эпоху зарождения жизни на Земле горячие ключи, образующиеся среди непрочной еще литосферы, легко могли стать первым пристанищем жизни. Ключи эти содержат в своих водах весьма разнообразные соединения, растворяемые перегретым паром и горячей водой на пути ее по трещинам литосферы. Взаимодействие встречающихся при этом растворов и способность их образовывать сложные соединения совершенно не изучены. Особенно неясна здесь роль первых углеродистых соединений неорганического происхождения. Все это необходимо выяснить" [Комаров, 1943, с. 30].

Сколько времени продолжался предбиологический этап развития Земли? Согласно современным данным, первые заведомо биогенные образования -- строматолиты и фоссилизированные остатки одноклеточных -- относятся к архейским отложениям возраст, которых 3,8х10^9 лет [Shidlowsky, 1988]. Можно предположить, что остывание Земли и появление воды вблизи ее поверхности, то есть начало предбиологического этапа развития Земли, наступило раньше -- примерно около 4 млрд лет назад. Таким образом, согласно современным взглядам, время геохимической эволюции и возникновения жизни, по геологическим данным, оставляет всего около 200х10^6 лет.

Чтобы понять общие закономерности предбиологических процессов, необходимо было провести исследования на природных геологических моделях с породами и минералами, которые могли существовать до образования земной биосферы. Кроме того, надо было выбрать химико-аналитический метод, позволяющий проводить диагностику малых концентраций вещества в больших количествах проб.

В качестве природных моделей на первом этапе были выбраны Хибинский и Ильменский массивы магматических и вулканических горных пород и ряд гидротермальных месторождений полезных ископаемых на Урале, в Забайкалье, Центральном Кавказе и Закавказье, залегающих вне контакта с осадочными толщами. В дальнейшем работы были сосредоточены на изучении продуктов древнего и современного гидротермальных процессов, происходивших в разных геологических условиях. Изучались гидротермальные месторождения полезных ископаемых разного типа, продукты современного и древнего вулканизма, зоны современной гидротермальной активности на суше и в океане, кристаллические горные породы, слагающие фундаменты древних платформ.

Главной методической базой исследования стал люминесцентный метод, использующий люминесценцию как имманентное свойство сложных углеродистых веществ, отражающее их качественные и количественные характеристики [Флоровская, Мелков, 1946; Флоровская, 1957]. Метод позволял проводить диагностику рассеянного углеродистого вещества в горных породах и минералах в самых малых концентрациях. На основе открытия профессором Э.В. Шпольским эффекта квазилинейчатых спектров люминесценции ароматических молекул в замороженных углеводородных растворах были разработаны и применены в проводимых исследованиях методы идентификации индивидуальных полициклических ароматических углеводородов в горных породах и минералах [Теплицкая, 1971; Теплицкая и др., 1978; Алексеева, Теплицкая, 1981].

Основные выводы из проведенных исследований состоят в следующем.

Условия для накопления, полимеризации и сополимеризации предбиологических молекул создавались в небольших водоемах в местах разгрузки гидротермальных растворов, выносивших сложные абиогенные углеродистые соединения на земную поверхность. Здесь, благодаря испарению горячей воды и быстрой смене рН водного раствора, должна была увеличиваться концентрация абиогенных веществ -- белков, аминокислот, порфиринов, ДНК, РНК, структур генетического кода -- и возникать самоподдерживающийся химический процесс. В дальнейшем здесь могли быть созданы условия для хемосинтеза и фотосинтеза.

Поскольку средой прохождения термальных вод в недрах и излияния их на поверхность были самые разные магматические и вулканические горные породы, с помощью структурно-геометрических исследований получена возможность установить, какие именно минеральные структуры наилучшим образом способствовали формированию предбиологических молекул.

В рамках этой книги авторы не ставили задачу сделать сколько-нибудь полный обзор литературы по предбиологической эволюции соединений углерода. Упомянуты, в основном, работы, на которые авторы ссылались в своих исследованиях или которые были проведены позже в тех же направлениях и дали новые результаты.

В первой главе рассмотрены возможные процессы абиогенного синтеза углеродистых соединений в космическом пространстве и на ранней Земле.

Во второй главе приведены результаты диагностики углеродистых соединений абиогенной природы в различных геологических образованиях и рассмотрена роль гидротермального процесса в эволюции углеродистых соединений и усложнении их молекул.

В третьей главе анализируется участие полициклических ароматических углеводородов в гидротермальных процессах, происходящих в различных геологических условиях в связи с возможной ролью этих соединений в предбиологической эволюции углеродистых веществ.

В четвертой главе рассматривается роль минеральных поверхностей в формировании предбиологических систем; в ней обоснованы и приведены первые кристаллографические расчеты возможных воздействий кристаллической поверхности на малые молекулы с образованием из них непериодических биополимеров.

В пятой главе обсуждается гипотеза В.Н. Флоровской о первичных предбиологических сопряженных молекулах -- "эмбрино", на основе которых могло возникнуть живое вещество, а также рассмотрены следствия из этой гипотезы.

В "Заключении" сделана попытка связать результаты проведенных исследований с современными представлениями российских и зарубежных ученых по проблеме происхождения жизни на Земле.


 Об авторах

Вера Николаевна ФЛОРОВСКАЯ

Доктор геолого-минералогических наук, профессор. Организатор и первый заведующий (в 1960--1987 гг.) лаборатории люминесцентных исследований природных углеродистых веществ в Московском государственном университете им.М.В.Ломоносова (ныне лаборатория углеродистых веществ биосферы географического факультета МГУ). Ею был разработан люминесцентно-битуминологический метод поисков и разведки нефтяных и газовых месторождений, получивший в 1940--1950-х гг. широкое практическое применение. Является создателем люминесцентной битуминологии -- фундаментального научного направления по изучению природных и техно-генных углеродистых веществ в геосферах. С 1960-х гг. руководила исследованиями по изучению углеродистых веществ в эндогенных геологических процессах и месторождениях рудных полезных ископаемых. Большой оригинальный фактический материал и широкая научная эрудиция позволили ей разработать ряд новых научных положений о геохимических основах возникновения жизни на Земле. В.Н.Флоровская -- автор более 140 научных работ, включая ряд монографий.

Юрий Иосифович ПИКОВСКИЙ

Доктор географических наук, кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник географического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова. Специалист в области геологии и геохимии нефти и газа, геохимии ландшафта, нефтегазовой геоэкологии. Читает ряд курсов на географическом факультете МГУ. Им опубликовано более 350 научных работ по геохимии углеродистых веществ, происхождению и поискам месторождений нефти и газа, а также геоэкологии. Автор нескольких изобретений.
Муза Евгеньевна РАМЕНСКАЯ

Кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник географического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова. Специалист в области кристаллографии и геохимии природных углеродистых веществ. Исследователь научного наследия академика Н.И.Вавилова. Автор около 100 научных работ по геохимии соединений углерода, истории науки и теоретической кристаллохимии (геометрический аспект взаимодействия кристаллов и молекул, плотнейшие упаковки атомов в кристаллах).


 Опечатка

На странице 14 в 9-й строке сверху вместо "Юпитера -- Титане" следует читать "Сатурна -- Титане".

 
© URSS 2016.

Информация о Продавце