Вопрос о зарождении — важнейший в современной науке. Руководитель научного направления «Химия и технология радиоактивных элементов, радиоэкология» Института физической химии и электрохимии РАН, член-корреспондент РАН Борис Ершов рассказал, как распад радиоактивных элементов на ранней Земле создал условия для химической эволюции вещества, появления кислорода и формирования первых органических молекул.
Фото: NASA
Фото: NASA
Распад долгоживущих радиоактивных элементов (калий-40, уран-235, уран-238 и торий-232) инициировал разложение воды Мирового океана и образование химически активных ионов и радикалов. Последующее взаимодействие этих активных частиц с растворенными в воде неорганическими веществами привело к появлению органических молекул, «кирпичиков» живых организмов (аминокислоты, сахара, основания и др.). Простейшие живые организмы возникли и развивались в среде этой органической «протоматерии» и эволюционировали в сложные многоклеточные организмы.
Изотопный состав Земли
В первый период эволюции Земли, до зарождения жизни, на планете был очень высокий радиоактивный фон. Радиоактивных элементов было значительно больше. За 4,6 млрд лет распались многие долгоживущие изотопы, из-за чего изотопный состав земной коры сильно изменился. Например, уран U-235 (период полураспада — 700 млн лет) сейчас почти полностью распался, но во времена зарождения Земли этот изотоп составлял почти половину от общего количества урана.
Период полураспада U-238 почти равен современному возрасту Земли. Поэтому примерно половина имевшегося во время рождения планеты урана-238 к настоящему времени распалась, породив цепочку дочерних изотопов с разным временем жизни, которая заканчивается образованием стабильного изотопа свинца Pb-209.
Однако наибольший вклад в радиолиз Мирового океана на ранней Земле внес легкий элемент калий K-40. Его период полураспада — 1,2 млрд лет, что примерно в четыре раза меньше предполагаемого возраста Земли. Со времени образования Земли количество калия-40 уменьшилось примерно в десять раз.
Распад этого элемента может пойти по двум траекториям. Примерно 89% ядер калия-40 испускают электрон и образуют стабильное ядро кальция-40 (Ca-40). 11% ядер захватывают электрон с орбиты, в результате чего образуется ядро аргона-40 (Ar-40). Аргон — это третий по распространенности газ в атмосфере Земли (после азота и кислорода). Почти весь аргон в земной атмосфере представлен изотопом Ar-40 и является продуктом распада калия-40. Во Вселенной самым распространенным является другой стабильный изотоп аргона — аргон-36.
Зная содержание изотопов калия и урана в земной коре в настоящее время, можно посчитать, сколько вещества распалось за период земной эволюции. 4,6 млрд лет назад в земной коре присутствовало 810 млн тонн калия-40 (в 11 раз больше, чем сейчас), 9,2 млн тонн урана-238 (в два раза больше) и 2,84 млн тонн урана-235 (в 86 раз больше). При ядерных превращениях калия-40 выделилось больше всего энергии — окталлион (десять с 27 нулями) джоулей. Вклад урана значительно меньше. Выделившаяся в результате распада радиоактивных изотопов энергия огромна, и природная радиоактивность Земли, наряду с гравитационными силами, были основными причинами дифференциации земного вещества — образования ядра, мантии и коры. Поэтому понятно, что радиоактивность сыграла также определяющую роль в химической эволюции планеты.
Образование органических молекул
В океане распад радиоактивных элементов вызывал сильнейшую ионизацию — на каждые 100 молекул воды приходился один свободный радикал. В такой ситуации неизбежны были многочисленные химические реакции с растворенными веществами.
Методом импульсного радиолиза уже воссозданы многие промежуточные реакции, которые могли происходить на ранней Земле. Оксид углерода CO, вполне вероятно, при радиолизе в водной среде приводил к образованию формальдегида HCHO, полимеризация которого в воде вела к появлению различных сахаров, включая рибозу и деоксирибозу. Простейшая аминокислота, глицин C2H5NO2, например, может собираться из радикалов •CHO и HN=C•H и молекулы воды. С цианистого азота (он же синильная кислота) HCN начинался, по-видимому, синтез аденина C5H5N5. Радикальные частицы рибозы •C5H9O5 и аденина •C5H5N5 при добавлении фосфорной группы формировали аденозинтрифосфат (АТФ) — многофункциональный источник энергии для биохимических процессов.
Поскольку радиолиз продолжался в течение сотен миллионов лет, за это время успевали сформироваться многочисленные поколения аминокислот, сахаров, фрагментов ДНК, РНК и АТФ.
Долгое время считалось, что первые органические молекулы образовались в атмосфере, состоящей из метана, аммиака, водорода и водяного пара, под действием ультрафиолетового излучения и грозовых разрядов. Миллер и Юри еще в 50-е годы XX века воссоздали эти условия в лаборатории и получили основные компоненты белков: глицин, аланин, аспарагиновую и амино-н-масляную кислоты. Впоследствии, меняя параметры эксперимента, удалось синтезировать 20 наиболее распространенных аминокислот.
Мировой океан с растворенными в нем природными радиоактивными изотопами представляется более удачной средой для биохимического синтеза. Химические реакции в водной среде могли идти при естественных для Земли температурах. Они протекали по всему объему океана, и их интенсивность зависела от распределения радиоактивных изотопов. Более того, вода не позволяла электрическим разрядам и ультрафиолету разрушать появившиеся молекулы.
Оксигенация Земли
Важно также отметить, что концепция о важной роли радиоактивности в химической эволюции ранней Земли объясняет раннее насыщение атмосферы кислородом (приблизительно 3,8 млрд лет назад), который возникал при радиолизе воды. Это способствовало тому, что анаэробная атмосфера ранней планеты постепенно трансформировалась в аэробную. Расчеты показывают, что решающий вклад в оксигенацию вносил распад ионов 40К. Их распад дал 3,2 х 1017 кг кислорода ко времени 3,8 млрд лет назад, и 8,5 х 1017 кг — к настоящему времени. Это количество соизмеримо с современным содержанием кислорода в атмосфере планеты (1,2 х 1018 кг).
«Океан был одновременно конвертором и резервуаром для формирования пребиотических молекул,— объясняет Борис Ершов.— Также он оказался благоприятной средой и “колыбелью” для возникающей жизни».