КАМЕННО-ЛЕДЯНЫЕ ТЕЛА КАК ВОЗМОЖНЫЕ ИНКУБАТОРЫ ПЕРВИЧНОЙ ЖИЗНИ

КАМЕННО-ЛЕДЯНЫЕ ТЕЛА
КАК ВОЗМОЖНЫЕ
ИНКУБАТОРЫ ПЕРВИЧНОЙ
ЖИЗНИ
В. В. Бусарев
Междисциплинарный коллоквиум
Астрономического Общества
Москва
21 мая 2014 г.
Основополагающие факты
•
Исследования условий возникновения жизни, проведенные
в последние годы в лаборатории радиационной биологии (ЛРБ)
ОИЯИ (г. Дубна) российско-итальянской группой по под
руководством чл.- корр. РАН Е. А. Красавина привели к выводу:
широко распространенные в межзвездной среде трехатомные
молекулы цианистоводородной кислоты (HCN) и воды, а также
производного от них формамида (NH2COH) лежат в основе
зарождения жизни.
•
Изучение химии облученного протононами формамида при
наличии катализаторов из земных минералов и метеоритного
вещества в земных условиях показало, что происходит
одновременный спонтанный синтез соединений, являющихся
базисными для развития прегенетики (РНК и ДНК) и
преметаболизма (обмена веществ).
Распространенность HCN и NH2CHO
во Вселенной
•
HCN (цианисто-водородная или синильная кислота) и HCN-полимеры
обнаружены в различных частях Вселенной, включая планеты (Segura
& Antigona, 2005), спутники (Hudson & Moore, 2004), плотные звезды
(Gao+, 2007), молекулярные облака (Smith+, 2001), газовую фазу
межзвездной среды, а также – в комах нескольких комет (Gerakines+,
2004).
•
NH2CHO (формамид) найден в ледяной составляющей межзвездной
пыли, в плотных молекулярных облаках и протозвездных ИКисточниках, в кометах, таких как C/1995 O1 (Hale–Bopp) and C/1996 B2
(Hyakutake), в межзвездной среде, в молодом звездном объекте W33A,
в галактических источниках Сагиттариус SgrA и SgrB2.
•
Из последних данных следует наличие NH2CHO на Титане и Европе,
где, как предполагается, жидкий формамид (чистый или частично
растворенный в воде) может быть в водной стратосфере под
замерзшей поверхностью мантии (напр., Levy+, 2000; Parnell+, 2006).
Формамид в Галактике
•
У формамида основные
диагностические
полосы
поглощения
находятся
в
инфракрасном (у 4 и 6
мкм) и в миллиметровом
(у 1, 2 и 3 мм, 65–280
GHz)
диапазонах
(Rubin+, 1972; Brucato+,
2006; Halfen+, 2011).
• На рис. изображены
модель зоны обитания
в нашей Галактике,
(пунктир) (Gowanlock+,
2011),
и
располож.
молекулярных
облаков, включающих
формамид (Cummins+,
1986; Halfen+, 2011)
(окрашенные черным
цветом круги; размеры
кругов
показывают
относит. содержание
формамида).
Последние результаты
•
Изучены реакции синтеза пребиотических соединений из формамида в
присутствии разных катализаторов (десятков земных минералов и
фрагментов 13 метеоритов различных химических групп) при облучении
их потоком протонов. Наблюдалось образование нуклеиновых
оснований, карбоксильных кислот, аминокислот и конденсирующих
агентов, являющихся предшественниками нуклеиновых кислот, белков,
метаболических циклов и метаболизма.
•
Были отобраны образцы всех метеоритов основных классов (железные,
железокаменные, ахондриты и хондриты): Каньон Дьябло, Кампо дель
Сьело, Сихотэ-Алинь, Сеймчан, NWA 4482, Золотой бассейн, Дофар 959,
Мёрчисон, Оргель, NWA 1465, NWA 5357, Аль-Хагунья, Челябинск. В
присутствии земных минералов и метеоритов каталитические эффекты
и количества ансамблей продуктов сильно различались (Saladino+, 2012).
•
Ранее было показано, что воздействие повышенных температур (100-200
°С), УФ-излучения и электрических разрядов хотя и приводят к
формированию сложных органических соединений, включая
аминокислоты, но не являются настолько эффективными. Можно
предполагать, что потоки заряженных частиц порождают ионизованные
радикалы формамида, стимулирующие дальнейший органический
синтез.
Схема эксперимента
(Красавин+, 2013)
Первые
реакции
синтеза проведены в
условиях
облучения
формамида
пучком
протонов с энергией 165
МэВ
на
фазотроне
ОИЯИ
в
присутствии
перечисленных
катализаторов.
Установлено, что после
облучения
при
комнатной температуре
в течение 3 мин с
мощностью
дозы
1,5
Gр/мин
возникает
широкое разнообразие
химических соединений
(Саладино+, 2013).
Результаты облучения протонами
одного формамида
Результаты облучения протонами
смеси формамида и углистого хондрита
Результаты облучения протонами
смеси формамида и ахондрита
Результаты облучения протонами
смеси формамида и железного метеорита
Результаты облучения протонами
смеси формамида и железо-каменного метеорита
Предпосылки для самозарождения жизни
•
Если исходные соединения для генетических и метаболических реакций
могут синтезироваться одновременно в присутствии формамида, то это,
вероятно, и реализовалось в косм. пространстве благодаря широкому
распространению NH2COH, наличию радиационных источников и
катализаторов.
•
Но могла ли жизнь возникнуть в открытом космосе?
Очевидно – нет. Условия, благоприятные для синтеза предбиологических
соединений, являются неблагоприятными для биологических. Жизнь м. возникнуть,
напр., на защищенной от радиации и экстремальных температур земной
поверхности, в восстановительной атмосфере и при наличии жидкой воды,
необходимой для поддержания обменных процессов, при наличии органических
«строительных блоков», кот., вероятно, б. доставлены метеороидными телами или
космической пылью (напр., Опарин, 1924; Мухин, 2009). Не исключено, что в этом
случае для переходного к биологическому синтезу комбинаторного отбора ушло бы
много времени. Но на Землю м. б. доставлены и готовые микроорганизмы, как
следует из теории панспермии (Рихтер – Аррениус, 1865-1895 гг.). Возможно, это
подтверждается обнаружениями бактериальных микроокаменелостей в углистых CI и
CO хондритах (Hoover, 1997; Розанов, 2009). Но пока не удается с абсолютной
уверенностью доказать их внеземное происхождение в имеющихся метеоритных
находках. Эксперименты показывают, что бактер. микроокаменелости в метеоритах,
попавших во влажные земные усл-я, образуются очень быстро – за время порядка
нескольких дней (Toporski+, 2002).
Но, как следует из вышеперечисленного, такая
возможность существовала!
•
В ранней Солнечной системе условия, благоприятные для земной
формы жизни (для анаэробных микроорганизмов) м. возникнуть в
недрах планетезималей или протопланетных тел, поскольку планеты
земного типа сформировались только через 50-100 млн. лет. На основе
наблюдений (напр., Бусарев, 2002, 2011) и расчетов (Busarev+, 2003)
автором б. показано, что такими «инкубаторами» первичной жизни м.
стать каменно-ледяные тела (КЛТ) в течение первых ~5-10 млн. лет.
•
Распад короткоживущих изотопов (в осн. 26Al, Т1/2= 0.72 млн. лет) в
силикатной компоненте в-ва КЛТ был основным энергетическим
источником, обеспечившим появление внутренней водной среды или
даже глобального океана (Busarev+, 2003). Как б. показано для
предельного случая транснептуновых объектов (Busarev+, 2003),
подобные ранние процессы образования внутр. водного океана со ср.
температурой ~ 4 °С, водной дифференциации и форм-ния крупных
силикатно-органических ядер (до 0.7 R) д. б. протекать на всех
достаточно крупных протопланет. телах (>200 км) Солнечной системы за
границей конденсации вод. льда до их замерзания в пределах 5-10 млн.
лет. Эта граница не б. резкой, кр. того, она м. несколько смещаться в
завис. от солнечной активности. Она зафиксировалась ~ у 4 а. е., т. е.
между зоной пояса астероидов и зоной формир-я Юпитера.
Протопланетные тела по обе стороны
от границы конденсации водяного льда
•
В зоне форм-я Юпитера у каменно-ледяных
тел б. ряд преимуществ: они имели больший
размер (до нескольких тыс. км) (Сафронов,
1969), б. долю силикатного вещества ► б. абс.
кол-во 26Al ► б. высокую температуру недр (до
~100°С) ► большее время сущ-я океана до
замерзания (~20-30 млн. лет) ► в ядрах этих
тел, им. состав типа CI-хондр-в, б. благоприят.
усл. для возн. сложной органики, предбиолог.
соединений и, возм., биолог. структур.
• Но H2O-C02-лед м. быть и в
недрах
преимущ.
каменных
астероидных тел, образов-ся на
периферии ГП, вблизи границы
конд. вод. льда (Grimm&McSween,
1989) ► возм-ть возн-я там вод.
среды (при распаде 26Al) и ее
длительного сущ-я (при ударном
“подогреве”) ► формирование
гидросиликатов
и
сложной
органики, вкл.
аминокислоты
(Rosenberg+, 2001).
Перенос вещества каменно-ледяных тел на
астероиды и планеты земной группы
•
Когда масса прото-Юпитера достигла ~5-10 масс
Земли, аккреция им меньших прото-планетных
тел сменилась их преобладающим выбросом за
пределы его зоны формирования – как во
внешнюю, так и во внутреннюю части Солнечной
сис. (Сафронов, Зиглина, 1991). Возможно, что
при столкновении с прото-Землей одного из таких
тел размером с Марс и с внутренним водным
океаном образовалась Луна. В этом случае
решается проблема доставки воды на Землю и
устраняются некоторые противоречия в гипотезе
об образовании Луны при мегаимпакте.
•
При ударных взаимодействиях тел из юпитерианской зоны и родит. тел
астероидов наряду с удалением вещества из ГП астероидов
происходила и его доставка. Сохранившиеся после столкновений
крупные фрагменты тел из зоны Юпитера м. остаться в ГП и пополнить
число примитивных астероидов (С-, B-, F- и др. типов), а частично
переработанные в ударном процессе более мелкие фрагменты
(ледяного и углистого состава, включающего гидросиликаты) могли
выпасть на ближайшие астероиды в виде углисто-хондритового
вещества, которое в виде метеоритов и/или пыли переносится на Землю
до настоящего времени (Бусарев, 2011).
Важные особенности CI и CM углистых хондритов
•
•
•
•
•
•
•
•
•
CI и CM – это самые примитивные углистые
хондриты (УХ), темп-р кот. до <150 °С (Zolensky+, 93)
и имеют солнечный состав (без учета H и He)
(Anders & Grevesse, 1989).
В матрице CI-УХ нет хондр и она сост. т. из водноизмен. аморфных гидросиликатов, кот. образов. в
обильной вод. среде (Zolensky+, 93).
Следуя предп-ю Юри (Urey, 1952), мы полагаем, что
хондры в УХ возникли при ударных событиях.
CI-УХ вкл. всего несколько аминокислот.
CM-УХ содержат до 80 видов аминокислот
(Pizzarello+, 2006).
Аминокислоты в CI-CM-УХ им. признаки частичной
гомохиральности (►близость к био-продуктам?), что
м. б. рез-том возд-я водной среды (Aponte+, 2014).
CM-УХ имеют в матрице как безводные небулярные,
так
и
водно-измененные
соединения
►их
компоновка произошла после CI-УХ (Browning +,
1996), а водные изменения имеют несколько стадий,
связ., возм., с последоват. удар. нагреваниями ►
CI-УХ м. б. фрагметами КЛТ из зоны роста Юпитера,
а CM-УХ – фрагметы аст-х тел с периф. ГП, вкл.
водяной лед (т. е. – по обе стороны от “SL”).
Им. хорошее совпадение спектров отражения (СО)
почти всех С-B-F-G-аст-дов и СО тех или иных
образцов УХ ► последние явл. фраг-ми первых.
Сравнение СО аполлонца (101955) Бенну В-типа
(объекта косм. миссии OSIRIS REx. NASA, запл. на
2016 г. с целью дост. обр. на З. в 2023 г.) и СО трех
углистых хондритов (Clark+, 2011).
Выводы:
• Достигнутый уровень знаний пока не
позволяет
утверждать
о
внеземном
возникновении бактериальной жизни, хотя
условия для этого имелись еще в ранней
Солнечной системе на каменно-ледяных
объектах по обе стороны от “snow-line”.
• При решении этой проблемы наиболее
перспективным следует признать прямое
исследование
вещества
астероидов
низкотемпературных типов, доставленное на
Землю с помощью космических аппаратов.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!