Флоровская В.Н., Пиковский Ю.И., Раменская М.Е.

ПРЕДБИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ углеродистых веществ НА РАННЕЙ ЗЕМЛЕ:
Геологический аспект Изд. стереотип.

Предбиологическая эволюция углеродистых веществ на ранней Земле: Геологический аспект

Оглавление

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

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".