Первичное возникновение простейших органических веществ — углеводородов и их производных

 

'Тела всех животных, растений, микробов в основном построены из так называемых органических веществ. Без этих веществ нельзя себе представить жизни. Поэтому исходным этапом на пути к возникновению жизни должно было явиться первичное образование этих веществ, образование того основного материала, из которого в дальнейшем сформировались все живые существа.

Органические вещества отличаются от других веществ неорганической природы прежде всего тем, что в их основе лежит элемент углерод. Это легко непосредственно показать, нагревая до высокой температуры различные материалы животного или растительного происхождения. Все они при нагревании на воздухе сгорают, а без доступа воздуха обугливаются, тогда как материалы неорганической природы — камни, стекло, металлы — обугливаться не будут, сколько бы мы их ни нагревали.

В органических веществах углерод соединен с другими элементами: с водородом и кислородом (эти два элемента входят в состав воды), с азотом, который в больших количествах находится в воздухе, с серой, фосфором и т. д. Различные органические вещества представляют собой разнообразные соединения этих элементов, но в основе их всех всегда лежит углерод. Простейшими органическими веществами являются углеводороды — соединения углерода и водорода. Природная нефть и такие получаемые из нее продукты, как, например, бензин, керосин и т. д., представляют собою смеси разнообразных углеводородов. Исходя из этих веществ, сочетая их с кислородом воды и азотом аммиака, химики легко создают, синтезируют многочисленные органические соединения, иной раз очень сложные и в ряде случаев вполне подобные тем, которые мы можем выделить из живых существ, как, например, сахар, жиры, эфирные масла и даже белковоподобные соединения. Каким же образом могли первоначально возникнуть органические вещества на нашей планете? Когда я более 30 лет тому назад впервые приступил к исследованию проблемы происхождения жизни, вопрос о первичном образовании органических веществ представлялся весьма загадочным и даже недоступным для понимания и изучения. Основанием для этого служило непосредственное наблюдение над окружающей нас природой, которое показывало, что подавляющая масса органических веществ живого мира возникает сейчас у нас на Земле в результате жизнедеятельности организмов. Живые зеленые растения, поглощая из воздуха неорганический углерод в виде углекислоты, строят из него с использованием энергии солнечного света потребные им органические вещества. Животные, грибы, бактерии и другие не окрашенные в зеленый цвет организмы получают необходимые органические вещества, питаясь растениями или разлагая их остатки. Таким образом, весь современный живой мир существует сейчас за счет органических веществ, образовавшихся в процессе жизнедеятельности зеленых растений, т. е. в результате такого процесса, который мог происходить только после возникновения живых организмов. Мало того, даже все те органические вещества, которые отложены в недрах земной коры в виде торфа, залежей каменного угля и нефти, в основном возникли также в результате жизнедеятельности многочисленных организмов, населявших когда-то Землю и затем погребенных в толще земной коры.

На основании всего сказанного многие ученые конца прошлого и начала настоящего века считали, что органические вещества у нас на Земле в природных условиях вообще не могут возникать иначе, как только через посредство организмов — биогенно. Это мнение господствовало в науке 30 лет тому назад и создавало очень большие трудности для решения проблемы происхождения жизни. Создавался, казалось, непреодолимый порочный круг. Для того чтобы проследить возникновение жизни, необходимо понять, как образуются органические вещества, а они, оказывается, могут синтезироваться только живыми организмами.

Однако убеждение в возможности исключительно биогенного образования органических веществ в природных условиях создается лишь на основании знакомства с тем положением, которое- сложилось у нас на Земле и то только в современную эпоху ее существования, т. е. после возникновения на ней жизни. А если мы подойдем к вопросу с более широких позиций, если мы в своих исследованиях выйдем за пределы нашей планеты и познакомимся с фактами, относящимися к другим небесным телам нашей Вселенной, то это убеждение будет сильно поколеблено.

Спектроскоп позволяет нам изучать химический состав звездных атмосфер и других удаленных от нас небесных объектов иной раз почти с такой же точностью, как если бы мы имели их пробы у себя в лаборатории. Этим путем уже давно было обнаружено очень широкое распространение углерода во Вселенной, его повсеместное присутствие. Этот элемент, как это выяснилось за последнее время, играет исключительно важную роль в самом существовании звезд. Сейчас мы знаем, что источником звездной энергии являются определенные внутриатомные ядерные реакции, происходящие в недрах звезд, где царит температура в несколько десятков миллионов градусов. При этих условиях происходит превращение водорода в гелий, что связано с выделением громадного количества энергии, наподобие того, как это происходит при взрыве водородной бомбы. Однако такого рода превращение может идти лишь в присутствии углерода, создающего так называемый углеродный цикл ядерных реакций. Этот цикл лежит в основе самосвечения звезд. Любое небесное тело, масса которого составляет более чем одну двадцатую массы Солнца, включаясь в этот цикл, превращается в самосветящееся образование — в звезду.

Для нас представляет интерес проследить, в каком виде обнаруживается углерод в различных типах звезд. Углерод удается обнаружить уже в атмосфере наиболее горячих звезд типа О, отличающихся среди других светил своей исключительной яркостью. Даже на поверхности этих звезд царит температура, достигающая 20 000— 28 000°. При этих условиях, конечно, никаких химических соединений существовать еще не может. Материя находится здесь в сравнительно простой форме — в виде свободных разрозненных атомов и других элементарных частиц, составляющих раскаленную атмосферу звезд.

Атмосферы звезд типа В, светящихся ярким голубовато-белым светом и обладающих температурой поверхности 15000—20 000°, также содержат в себе раскаленные пары углерода. Но и здесь этот элемент еще не вступает ни в какие химические соединения и существует в виде отдельных быстро двигающихся атомов.

Лишь в спектре белых звезд типа А с температурой поверхности 12 000° впервые удается обнаружить следы полос, указывающих на возникновение в атмосфере этих звезд первичных химических соединений — углеводородов. Здесь атомы двух элементов — углерода и водорода — соединились между собой, в результате чего возникло более сложное образование — химическая молекула.

В спектрах более холодных звезд углеводородные полосы появляются по мере падения температуры все с большей и большей отчетливостью и достигают максимальной определенности у красных звезд с температурой поверхности 4000°.

Наше Солнце занимает промежуточное положение в этой звездной системе. Оно принадлежит к классу желтоватых звезд типа G. Температура солнечной атмосферы определяется в 5800—6300°. В верхних слоях она падает до 5000°, а в более глубоких, но еще доступных нашему исследованию, поднимается до 7000°. Спектроскопические исследования показывают, что некоторая часть углерода находится здесь в виде его соединения с водородом (СН — метин). Наряду с этим в атмосфере Солнца можно установить присутствие соединения углерода с азотом (CN — циан). Кроме того, здесь впервые был обнаружен так называемый дикарбон (Сг) — соединение, в котором два атома углерода взаимно связаны друг с другом.

Таким образом, мы видим, что углеводороды очень широк© распространены в звездных атмосферах, где они могли образоваться, конечно, независимо от жизни, абиогенно *, так как при царящих на поверхности звезд температурах не может быть и речи о присутствии каких-либо живых организмов.

Но абиогенное образование углеводородов можно установить не только в раскаленных звездных атмосферах, но и при очень низких температурах. В настоящее время хорошо известно, что далеко не все вещество нашей Вселенной сосредоточено в виде мощных скоплений в звездах и планетах. Значительная его масса рассеяна в космическом пространстве в виде очень разреженного газа и пыли. В ряде мест межзвездного пространства скопления газа и пыли образуют гигантские облака, которые можно наблюдать непосредственно даже невооруженным глазом в виде темных пятен на фоне Млечного Пути, так как они преграждают нам свет расположенных за ними звезд. Температура межзвездного газа не подымается выше —200° С, а температура пыли еще ниже, она приближается к абсолютному нулю. Межзвездный газ в основном состоит из водорода, который вообще является господствующим

1 Биогенными веществами называются те, которые возникают благодаря жизнедеятельности организмов Приставка «а» означает отрицание. Следовательно*, под абиогенным образованием нужно понимать то, которое происходило или «происходит независимо от жизни в безжизненной природе.

УГЛЕРОД НА ЗВЕЗДАХ

 

На всех звездах можно обнаружить углерод, но в различном состоянии

 

 

Наиболее горячие голубовато-белые звезды обладают 20 000°. Здесь все элементы, в том числе и углерод, находятся белых и желтовато-белых звездах с температурой поверхности соединяются между собой, образуя метин (простейший поверхности 6000—8000° возникают и другие соединения на потухающих красных звездах с температурой, которая даже на их поверхности превышает в виде разрозненных мельчайших частичек — атомов. На 10 000—12 000° атомы углерода и атомы водорода уже углеводород (СН). На желтых звездах с температурой углерода. Еше более разнообразные соединения находя гея температурой поверхности 2000—4000°

УГЛЕРОД НА СОЛНЦЕ

Наше Солнце является желтой звездой, температура его поверхности около 6000°

 

 

Поверхность Солнца с гранулами и пятнами  

 

 

В раскаленной солнечной атмосфере углерод имеется не только в виде свободных атомов, но и в виде ряда соединений: а) свободные атомы углерода, водорода и азота; б) соединения углерода с водородом (метин); в) соединения углерода с азотом (циан); г) соединения двух атомов углерода (дикарбон)

 

в космосе элементом: на его долю приходится около 90% всего вещества всей нашей звездной системы (Галактики). Однако наряду с водородом в межзвездных газопылевых скоплениях с полной достоверностью установлено присутствие метана (СН4), а возможно, и других углеводородов. Таким образом, в раскаленных звездных атмосферах и в холодных газопылевых облаках установлено наличие углеводородов, которые могли образоваться здесь лишь вне зависимости от жизни, только абиогенным путем.

Большой интерес для разрешения разбираемого нами вопроса представляет исследование атмосфер больших планет нашей солнечной системы. Как показали эти исследования, атмосфера Юпитера в значительной части состоит из аммиака и метана. Есть основание предполагать здесь наличие и других углеводородов. Но вследствие низкой температуры, господствующей на поверхности Юпитера (135° ниже нуля), эти углеводороды в главной своей массе находятся в жидком или твердом состоянии.

Еще более далекая от нас большая планета Сатурн, подобно Юпитеру, также обладает мощной атмосферой, содержащей в себе метан и аммиак. Но вследствие большей удаленности планеты Сатурн от Солнца температура поверхности Сатурна еще ниже, чем Юпитера. Поэтому здесь значительная часть аммиака из газообразного перешла в твердое состояние, что и находит отражение в спектре Сатурна, где метановые полосы выступают очень ярко. У'ран и Нептун, находясь еще дальше от Солнца, обладают еще более низкой температурой поверхности. Аммиак из их атмосферы должен был уже совершенно вымерзнуть. Зато здесь можно обнаружить громадное количество метана. Большой интерес представляет обнаружение метана в атмосфере спутника Сатурна — Титана. Этот спутник в три раза меньше Земли по поперечнику и в сорок раз меньше ее по массе. Если бы он обладал той же температурой, что и Земля, то метан улетел бы из его атмосферы в межпланетное пространство. Титан удерживает свою метановую атмосферу только благодаря той очень низкой температуре, которая царит в районе Сатурна и которая на 180° ниже нуля.

 

 

Образец железного метеорита  

Таким образом, на всех больших планетах и даже на их спутниках можно обнаружить наличие углеводородов, которые могли возникнуть только абиогенным путем.

Можно обнаружить присутствие углеводородов и в атмосфере комет. Но особый интерес представляет с указанной точки зрения изучение метеоритов — тех «небесных камней», которые время от времени залетают к нам в атмосферу из межпланетных пространств и падают на поверхность Земли.

Упавшие на Землю метеориты могут быть подвергнуты непосредственному химическому анализу и даже минералогическому исследованию. Это единственные «неземные» тела, состав которых может быть установлен с исключительной полнотой и надежностью. Вместе с тем изучение метеоритов все более и более убеждает нас в том, что по своему химическому составу они очень близки к составу Земли в целом и являются образованиями, родственными по своему происхождению нашей планете. Отсюда ясно, какое большое значение имеет изучение метеоритов для познания начальной истории Земли.

Обычно различают две главнейшие группы метеоритов: железные (металлические) и каменные. Первые в основном состоят из железа (90%), никеля (8%) и кобальта (0,5%). В каменных метеоритах процент железа значительно меньше (около 25%). В них содержится большое количество окисей различных металлов: магния, алюминия, кальция, натрия, марганца и др.

Углерод в том или ином количестве находится во всех метеоритах. Он присутствует здесь прежде всего в самородном виде, в форме угля, графита или алмаза. Но особенно характерными для метеоритов являются соединения углерода с металлами, так называемые карбиды. Именно в метеоритах впервые был открыт весьма распространенный в них минерал — когенит, который представляет собой карбид железа, никеля и кобальта.

Из других соединений, в которых углерод встречается в метеоритах, нужно указать на углеводороды. Еще в 1857 году из каменистого метеорита, упавшего в Венгрии, близ Кабы, удалось выделить некоторое количество органического вещества, похожего на горный воск. Анализ этого вещества показал, что оно действительно представляет собой высокомолекулярный углеводород. Подобного же рода соединения, содержащие в своих молекулах многие атомы углерода и водорода, а иной раз кислорода и серы, были выделены и из ряда других разнообразных метеоритов.

В то время, когда впервые был установлен факт нахождения углеводородов в метеоритах, еще существовало ложное убеждение, что органические вещества (а следовательно, и углеводороды) в естественных условиях могут образовываться только живыми организмами. Поэтому многие ученые высказывали тогда предположение, что углеводороды метеоритов образовались вторично, путем разложения организмов, живших когда-то на этих небесных телах. Однако позднейшие весьма тщательные исследования полностью опровергли это предположение, и мы в настоящее время знаем, что углеводороды метеоритов, так же как и углеводороды звездных атмосфер, возникли неорганическим путем, т. е. вне какой-либо связи с жизнью.

Подводя итог всему сказанному, мы видим, что абиогенное, независимое от жизни, образование углеводородов в природных условиях не только вполне возможно, но и является весьма распространенным процессом во Вселенной. Углеводороды обнаружены повсюду, на всех доступных нашему исследованию объектах: в атмосферах различных звезд, в том числе и в атмосфере Солнца, в холодных газопылевых облаках межзвездного пространства, на поверхности больших планет и их спутников, в веществе комет и, наконец, в упавших на Землю метеоритах. Неужели же наша планета является каким-то абсолютным исключением из этого общего правила и на ней никогда не могли образоваться простейшие органические вещества абиогенным путем? Не правильнее ли думать, что этот процесс имел место в прошлые эпохи существования Земли, предшествовавшие возникновению жизни, а может быть, происходит и сейчас, только мы его не замечаем.

История возникновения нашей планеты — Земли, к сожалению, еще и до сих пор остается во многих отношениях не совсем ясной. Поэтому и сейчас в научной литературе по вопросу о происхождении Земли конкурируют между собой несколько теорий или гипотез, которые в отдельных своих положениях противоречат друг другу. Однако все они сходятся на том, что материалом для образования Земли, как и других планет нашей солнечной системы, послужило одно из тех газопылевых облаков межзвездного вещества, о которых упоминалось нами выше.

Споры вызывает лишь вопрос о происхождении этого облака. Так, например, согласно теории О. Шмидта оно было захвачено сформировавшимся до этого Солнцем, когда Солнце, двигаясь по круговой орбите вокруг центра нашего звездного мира (Галактики), вошло в скопление газопылевой материи и вовлекло часть этой материи в сферу своего притяжения. Напротив, В. Фесенков и многие другие астрономы считают, что Солнце образовалось почти одновременно с окружающими его планетами из одного общего для всех них газопылевого облака.

Несколько лет тому назад среди очень крупных скоплений газопылевой материи удалось обнаружить относительно небольшие, но вместе с тем сравнительно плотные образования, которые вследствие своей сильной светонепроницаемости хорошо видны на фоне светлых туманностей в форме круглых или почти круглых пятнышек. Они получили название глобул. Масса некоторых из них в несколько раз меньше, чем масса Солнца, но другие глобулы включают в себя такое количество вещества, что его хватило бы для образования не одной, а нескольких солнечных систем.

В современной астрономии довольно широкой популярностью пользуется мнение, что одна из таких глобул и послужила исходной системой для образования как Солнца, так и окружающих его планет. При этом на какой-то стадии развития глобулы в ней сперва возникло центральное тело. Когда масса этого тела достигла значительной величины, в нем создались подходящие условия для образования углеродного цикла. Благодаря этому стали освобождаться гигантские количества внутриатомной энергии и тело превратилось в само- светящуюся звезду, в наше Солнце. Остаток вещества глобулы, не вошедшего в состав Солнца, послужил материалом для образования планет.

Движение частиц в первоначальном протопла- нетном облаке было довольно хаотичным. Частицы, самостоятельно обращаясь вокруг центрального тела, как его мельчайшие спутники, могли двигаться в разных направлениях и в разных плоскостях. При этом они неизбежно сталкивались между собой, в результате чего облако постепенно уплощалось, приобретало форму диска, а входящие в состав его частицы объединялись между собой сначала в сравнительно мелкие тела (планетозималии), а затем и в более крупные образования, являвшиеся центрами собирания вещества и в конечном итоге превратившиеся в планеты, обращающиеся вокруг Солнца по правильным (почти круговым) орбитам, все в одном направлении и в одной плоскости.

О составе исходного вещества, послужившего материалом для образования планет, мы можем судить на основании изучения современных газопылевых скоплений. Как мы уже говорили, преобладающим элементом здесь является водород. В значительно меньших количествах содержится гелий и другие элементы.

Первоначальная температура газопылевой глобулы была очень низкой (ниже —200° С), поэтому в газообразном состоянии здесь находились только водород, гелий и метан. Кислород входил в состав окислов металлов (в частности, железа) и воды, азот — в состав аммиака. Все эти соединения присутствовали в глобуле в твердом состоянии в виде частичек пыли, куда, кроме того, входили силикаты, металлическое и сернистое железо и т. д.

После возникновения Солнца как самосветя- щейся звезды и формирования дискообразного прото планетного облака в отдельных районах этого облака стали складываться различные температурные условия. В результате солнечного излучения температура облака возрастала, приближаясь на разных расстояниях от Солнца к тем температурам, которые существуют здесь и сейчас.

В состав формировавшихся в районе будущей Земли планетозималий в основном вошли все нелетучие вещества первичного пылевого облака. Но эта часть облака теряла значительное количество газов и летучих веществ, рассеивающихся в мировое пространство. В частности, таким образом из более нагретых районов облака улетучилась не только значительная часть водорода и гелия, но даже и кремния. Это же можно сказать и о первичном метане, который в основном был потерян формирующейся Землей и сконцентрировался в более холодных, отдаленных от Солнца районах, где мы его и обнаруживаем сейчас в составе атмосферы больших планет.

Таким образом, наша планета формировалась в основном из планетозималий, представлявших собою тела, подобные современным каменным и железным метеоритам.

Сформировавшаяся в конечном итоге Земля обладала все же некоторой атмосферой, однако сильно отличавшейся от современной. В ней не было ни кислорода, ни азота, т. е. не было тех газов, которые окружают нас сейчас. Вместо этого в ней содержались небольшие остатки первичного водорода и метана, пары воды, аммиак и сероводород. Водород и гелий беспрерывно улетали с поверхности уже сформировавшейся Земли в межпланетное пространство. Остальные газы при царивших тогда сравнительно низкой температуре и уже значительной силе тяжести почти полностью удерживались земным притяжением. В частности, удерживался в атмосфере первичной Земли и метан, но его количество было очень невелико, так как главная масса этого газа должна была, как мы видели выше, улететь в течение предшествующих эпох образования нашей планеты. Углерод сохранился в составе Земли главным образом или в самородном виде (в форме графита), или в виде соединения с металлами — карбидов металлов.

Впервые природные карбиды в форме минерала когенита были обнаружены в метеоритах, но затем эти вещества были найдены и в современной земной коре, в особенности в ее наиболее глубоких слоях. Существует предположение, что и основное ядро нашей планеты включает в себя значительное количество карбидов. В некоторых случаях когениты обнаружены и на земной поверхности, как это, например, имело место на берегу Гренландского острова Диско, близ местечка Овифак.

Карбиды, вошедшие при формировании нашей планеты в состав земной коры, должны были здесь встретиться с сильно оводненными горными породами. Дело в том, что главная масса воды сохранилась в составе первичной Земли не в свободном виде, а связанной с силикатами и другими породами (в виде так называемых гидратов).

 

 

«Железо Овифака» на берегу острова Диско  

Таким образом, первоначально на поверхности планеты находилась лишь небольшая часть (может быть, всего 10%) свободной воды современных морей и океанов. Только при последующем формировании земной коры вода гидратов вышла в сво бодном виде на земную поверхность, а до этого она была связана в толще коры и, конечно, легко могла взаимодействовать с находившимися здесь карбидами металлов.

 

 

Д. И. Менделеев  

Великий русский химик Д. И. Менделеев в свое время показал, что при такого рода взаимодействии образуются метан и другие углеводороды. При этом их основная масса должна была выделяться из земной коры и переходить в первичную атмосферу нашей планеты. Таким образом, эта атмосфера постепенно обогащалась все вновь и вновь возникающими простейшими органическими веществами — углеводородами, которые теперь уже удерживались земным притяжением и не улетали в межпланетное пространство,

Такого рода путь абиогенного образования углеводородов в процессе формирования Земли и на первых стадиях ее существования, еще задолго до возникновения жизни, подтверждается и современными геологическими находками. Оказывается, что абиогенное образование углеводородов осуществляется, хотя и в сравнительно малых масштабах, даже сейчас, в современную нам эпоху. В частности, в ряде мест земного шара при глубоком бурении в трещинах кристаллических горных пород (где отсутствуют какие-либо признаки жизни) можно обнаружить углеводороды в форме газов или небольших жидких примазок. В противоположность тем скоплениям нефти, которая добывается сейчас из осадочных месторождений, где она возникла в результате распада погребенных здесь когда-то остатков организмов, глубинные углеводороды явно имеют абиогенное происхождение.

Следовательно, даже сейчас, в современную нам эпоху, в земной коре происходят процессы абиогенного образования углеводородов, хотя и в очень ограниченном масштабе. На первых стадиях существования Земли (до возникновения на ней жизни) они совершались в гораздо больших размерах и подобно тому, как это имеет место на других небесных телах, служили единственным источником для образования углеводородов и их простейших производных.

После возникновения жизни создались, новые, гораздо более совершенные способы синтеза органических веществ, в частности возник процесс фотосинтеза, при котором углерод углекислоты превращается в органические вещества путем использования неисчерпаемых источников солнечного света. В результате этого громадное количество углерода на земной поверхности было вовлечено в биологический процесс и старый, менее совершенный способ абиогенного образования углеводородов потерял свое былое значение, отошел на задний план, вследствие чего его не так легко обнаружить в современных природных условиях. Однако не может быть никакого сомнения в том, что на первых этапах развития нашей планеты он послужил основанием для образования того органического материала, из которого в процессе дальнейшего развития материи возникли первичные живые существа.

 

 

ГЛАВА ТРЕТЬЯ