Происхождение жизни

реклама
Астрокатализ - добиологические этапы
возникновения жизни в Солнечной системе и
на экзопланетах.
Снытников В.Н.
Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН
Новосибирский
государственный университет
Научный совет по астробиологии при
Президиуме РАН
snyt@catalysis.ru
1
ГАИШ, 12 февраля 2016, Москва
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Развитие теорий зарождения жизни
Гипотеза панспермии - рассеянные во Вселенной споры
микроорганизмов переносятся с одной планеты на другую
метеоритами или космической пылью. Жизнь вечна в вечной Вселенной.
Жизнь проявляется как фундаментальное свойство материи.
(Г.Э. Рихтер, 1865 г., С.А. Аррениус , 1901 г.)
Возраст Вселенной – 13,6 млрд лет,
Солнечной системы – 4,56 млрд лет.
Гипотеза первичного "бульона" органических веществ в океане
ранее 3,5 млрд лет. (Опарин А.И., 1924). ЖВХО им. Д.И.Менделеева»
Т. XXV, в.3-4, 1980 год
Современная астрофизика, астрохимия, астробиология
Программа Президиума РАН «Происхождение и эволюция
биосферы»
2004 – 2014 г. (Галимов Э.М., Розанов А.Ю.)
2
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Программа Президиума РАН
«Происхождение и эволюция биосферы»
2004 – 2014 гг.
Космофизика Физическая химия и катализ Биохимия Биогеохимия –
Геология и геохимия Микробиология Палеонтология Генетика Биология и биоинформатика -
М.Я. Маров, Л.М. Зеленый
В.Н. Пармон
А.С. Спирин, В.В. Власов,
Н.П. Юшкин, М.А. Федонкин
Н.Л. Добрецов, Э.М. Галимов
Г.А. Заварзин
А.Ю. Розанов,
С.Г. Инге-Вечтомов, С.В. Шестаков
В.К. Шумный, Н.А. Колчанов
Зарождения жизни на Земле НЕ ОБНАРУЖЕНО!!!
3
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Развитие теорий зарождения жизни
Г.А. Заварзин Лекции по природоведческой
микробиологии. М., 2004
Г.А. Заварзин – Происхождение жизни – это
проблема происхождения цельной системы биоценоза, а не отдельной клетки,
организма, тем более белка, молекул РНК,
АТФ или ДНК.
«Происхождение жизни окончательно
вытеснено в Космос»
2009 г. В книге «Проблемы происхождения
жизни», ПИН РАН, М. / Под ред. А.Ю. Розанова,
А.В. Лопатина, В.Н. Снытникова
Г.А. Заварзин
(1933—2011)
Содержание книги не сводится к набору отдельных предложений. Предложения – к словам. Слова
– к приставкам, корням, суффиксам, окончаниям. Они, в свою очередь, - к отдельным буквам.
С точки зрения проблемы происхождения жизни мы в химии находимся в положении людей,
которые, занимаясь отдельными буквами, пытаются понять содержание книги.
4
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Гипотезы зарождения жизни
«Космические периоды»
(1921-1927) Жизнь на Земле геологически вечна
La Géochimie, 1924
Биосфера, 1926
Очерки геохимии, 1927
«Живое вещество и биосфера» – М.:Наука, 1994.
Стр. 277:
Не зная научно [космического прошлого
Земли], очевидно, мы не можем научно решить вопрос
о генезисе в нем жизни, если он произошел в
космические периоды земной истории. Другого
времени для этого нет, ибо в геологических временах
зарождения жизни не было.
В.И. Вернадский
(1863—1945)
5
Стр. 277: …Возможно стремиться к опытному
воссозданию абиогенеза в наших лабораториях и
институтах. Вполне мыслимо, что особые условия
«случая» или особой космической среды могут быть
найдены и воссозданы человеческим разумом.
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Внеземная жизнь:
Звезды старше 100 млн лет - Экзопланеты
Звезды моложе 100 млн лет - Околозвездные диски
Солнечная система (СС) 4,56 млрд лет – Тела СС
Что мы хотим обнаружить для Внеземной жизни?
Добиологические этапы эволюции
Возникновение Жизни
Отдельные организмы
Экосистему (биоценоз)
Свидетельства существования Жизни в прошлом
6
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Круговорот вещества в галактиках.
Околозвездные протопланетные диски.
Свыше 1900 звезд с экзопланетами.
7
.
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Main stages of protostellar disk evolution
Pre-stellar phase
Class 0 and I phases
T Tauri phase
8
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Околозвездные диски – Телескоп Хаббл
Robberto et al. 2013, HST
TW Hya, HST, Debes et al, 2013
9
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Современные телескопы
HST (Hubble Space Telescope)
Газопылевой диск вокруг
звезды Бета Живописца
Дата открытия: 24 апреля 1990
Высота орбиты: 559 км
Стоимость: 2.5 млрд USD, общие расходы
на проект - 6 млрд USD и 593 млн Euro
10
Фотография осколочного
диска вокруг Фомальгаута
(Наблюдения с HST).
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Современные телескопы
ALMA
(Atacama Large Millimeter Array)
Дата открытия: 13 марта 2013
Расположение: пустыня Атакама, Чили
Стоимость: 2.5 млрд Euro
11
Околозвездный диск (протопланетный
газопылевой диск вокруг звезды HL
Tauri, наблюдение с ALMA)
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Современные телескопы
VLT (Very Large Telescope)
Дата открытия: май 1998
Расположение: пустыня Атакама, Чили
12
Околозвездный диск (пылевой диск
вокруг звезды HR 4796A,
наблюдение с VLT)
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Современные телескопы
(астрономический проект)
JWST (James Webb Space Telescope)
Дата запуска: запланирован на 2018
Mecтонахождение: точка Лагранжа L2 cистемы Солнце — Земля
(1,5 млн км от Земли в противоположную Солнцу сторону)
Стоимость: может составить 6.8 млрд USD
13
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Элементный состав (металличность)
14
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Структура диска
Трехфазная среда
плазма – газ – твердая фаза
Газ: концентрация от 103 cm-3 до 1021 cm-3
Температура от 20 K до 100 000 K
Давление
до 10-3 атм и выше (?)
15
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Моделирование формирования звезд с
околозвездными дисками
Изменения по шкале длины - 7 порядков
от 1012 км (100 пс) молекулярное облако и до радиуса Солнца 105 км
Шкала времени - 11 порядков
от миллиона лет до
10 минут
Изменение плотности – 16 - 18 порядков
от плотности в молекулярном облаке с массой в 104 масс Солнца
до плотности Солнца (или плотности твердого тела, жидкой воды)
Физические процессы
Самогравитация, (турбулентная) многофазная газодинамика, динамика
твердой фазы, неидеальная магнитогазодинамика, перенос излучения,
плазмохимические реакции, газофазные химические реакции,
химические реакции на поверхности пыли, коагуляция …
16
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Математическая модель для газа

 div   v   0
t
 v
   v   v   grad  p    grad 
t
 E
 div   Ev   div  pv   (  grad , v )
t
  4
Re = 1010 - 1014
p   1 
Характерные параметры обезразмеривания:
линейный масштаб R0, масса M0, гравитационная постоянная G
GM 0
0  V 
R0
2
0
17
R0

V0
cs  V0
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Корректность задачи о коллапсе
Модельное уравнение
2
d
y ( x)  2 y ( x)  y ( x)
dx
y ( 0)
0.000050
 > 4/3
0
10
 < 4/3
- нет коллапса
- коллапс возможен
10
Red
=0.0005
Blue
y ( x)
Решение
неустойчиво в
линейном и
нелинейном
приближении
z ( x)
0
X0=A-1 ln (1+A/y(0))
18
5
0
2
2
4
6
x
8
10
10
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Линейный дисперсионный анализ
Дисперсионное соотношение
0 0
0
2
2 2
  cs k  40 
 i 4
0
k
1
Дисперсионное соотношение для 3D
Рабинович, Трубецков, 1992
1
0.5
imw4( y )
imw5( y )
0
0.5
1
1
0
 0.01
20
40
60
80
y
Зависимость Im(ω) от волнового числа k
100
100
Распространение гравитационных волн
1

 3  10
Im 
Физическая, а значит и численная модель неустойчива в линейном
приближении. Однако для нестационарных
решений
интегрально
выполняются законы сохранения (закон сохранения энергии).
19
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Облако «горячего» самогравитирующего вещества
Lgas
20
>
L
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
DISK – SUBDISK
Astrocatalysis
Density in meridional plane
Axial lengths - 2000 АU
Protostar’s and its disk mass change
Times about 1 Million Years
12
10
8
Core
6
Disk
4
2
0
1
0.0
101
0.2
201
0.4
301
0.6
401
0.8
501
1.0
Time, million years
Disk of Beta-Pictures, Hubble Telescope
Gas/condence phase density >0.1
Temperature in massive disk – firstly
increases from 10К up to over 300К, then falls
21
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Джеты (струи) от протозвезд. ALMA
Звезда-младенец CARMA-7 расположена примерно в 1400 световых лет от
Земли в звездном скоплении Serpens South. Это плотное скопление в созвездии
Змеи (Serpens).
22
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Особые условия в околозвездном диске
RNA World
Creation of primary bodies with
size about 1 and more kilometers
Catalysts and organics compounds
Drastic change of physical and
chemical conditions
The HL Tau disk
0.′′05, or ∼7AU 870 μm
Gravitational instability
Time of the Clump was 1-10 years
20 AU
ALMA Partnership et al. 2015
23
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОБЛАКА
Астрохимия
Распространенность элементов в космосе
H, He, O, C, Ne, N, Mg, Si, Fe, S, Ar,…
H + He – 98%,
Another elements – 1-2%, among them
II. Organics (H, O, C, N,…) > 90%
III. Inorganics (Mg, Si, Fe, O, …) < 10%
I.
H2, He, H2O, CH4, Ne, NH3, MgH2, SiH4, FeH, H2S, Ar,…
H2, He, H2O, CH4, Ne, Ar - пробники гравитации, температуры, давления
H, O, C, N, S, … - элементы для синтеза органики
O, MgH2, SiH4, FeH,… – соединения для синтезов неорганики
MgH2 + SiH4 + FeH + H2O --> (Mg,Fe)2SiO4 and (Mg,Fe)6Si4O10(OH)8
(CH2O)106(NH3)16H3PO4 and Organics —> CO2 +H2O +N2+CH4 +[PO3]324
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Example of simple organic and inorganic compounds observed in molecular clouds
Stars Formation
25
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
26
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Астрокатализ. Воссоздание физических
условий химической эволюции в допланетных
околозвездных дисках.
Логарифм плотности газа в диске. Сгустки.
Периодическое повышение давления над
поверхностью тела из (Mg,Fe)2SiO4 и
(Mg,Fe)6Si4O10(OH)8 при его движении из одного
сгустка к другому в первый миллион лет.
Волновые реактора высокого давления
P > 1 атм по H2 и He для «мира РНК».
Коллапс газа и сборка тел в одном сгустке
Поверхностные плотность газа (синий) и
плотность твердой фазы (красный)
Двухфазная модель диска из газа и твердых тел.
Расчеты на ССКЦ и кластере ИК СО РАН. Сетка 80 000 000 ячеек.
Снытников В.Н. Палеонтологический журнал, 2010, и др.
27
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
СУБДИСК ГАЗ – ПЫЛЬ И БУЛЫЖНИКИ
МИР РНК
Формирование километровых и
бОльших тел
Катализаторы и органические
соединения
Изменение физических и химических
условий в гигантских пределах
Концентрации от 10^5 до 10 ^22 (см ^-3)
Давление газа до 100 атм
Температура от 50 до 5000 К
Обмен веществом между
сгустками
Гравитационная неустойчивость
Времена существования сгустков
от 1 до 100 лет
МИР РНК мог длиться
свыше 1 миллиона лет
28
Размеры сгустков –
реакторов могли превышать
диаметр Солнца
МИР РНК и ЖИЗНЬ в СС!!!
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Характеристика космического
каталитического реактора - солитона
Реактор с псевдоожиженной кипящей твердой фазой
Восстановительная Водород-Гелиевая Атмосфера
Давление газа до 100 атмосфер
Твердая фаза – SiO2 – MgO – Fe каталитически активная огромная
поверхность связанных наночастиц
(составы глинистых минералов), на определенных
расстояниях - с конденсированной Н2О
Размеры «гранул» твердой фазы – порядка 1 – 10 метров
Размеры реактора на разных временных этапах – от 107 км (0.1AU)
до десятков диаметров Солнца (0.01AU) и меньше
Ввод энергии – излучение протоСолнца с поступлением в среду
посредством атомарного Н и метастабильного Не на всю
поверхность протопланетного диска и - Съем энергии
Конечное состояние – высокомолекулярные органические соединения,
Н2О и другие гидриды элементов
29
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Carbonaceous chondrites
Allende CV3
Murchison CM
Orguel (CI)
30
ПИН РАН, Март 2012, Москва
В память академика Г.А.Заварзина. Конференция.
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Comets, Carbonaceous Meteorites,
and Origin of the Biosphere
1996: McKay et al. Report Discovery of Possible Microfossils in 3.2 Gya Mars
Meteorite ALH84001. Microfossils discounted as being too small for life
and too simple to be conclusively Biogenic.
2004: Hoover et al. Report Evidence for Complex
Mats of Mineralized Morphotypes of Filamentous
Cyanobacteria in Orgueil CI Carbonaceous Meteorite
31
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Rhodococcus sp.
on Sibunite (C – material)
Kovalenko G. and Rudina N. (BIC SBRAS)
32
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Arthrobacter nicotianae into SiO2 xerogel
SiO2 xerogel
Arthrobacter
nicotianae
Kovalenko G. and Rudina N. (BIC SBRAS)
Size of cells 1 mcm
Applied Biochemistry and Microbiology, 2010, Vol. 46, No. 7, pp. 697-705.
33
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
МЕТЕОРИТЫ
Микрофоссилии в углистых хондритах CM
Mighei(Sample SB Museum)
Murchison (Samples by Hoover R.)
Staroye Boriskino
Schungites
(Sample SB Museum)
(Samples by Rozanov A.Yu.)
Scanning Electron Microscope, BIC SB RAS (Study by N.A. Rudina)
34
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Получение наноматериалов испарением
образцов лазерным излучением
A.C. Levasseur-Regourd, Science, 2004
УСТАНОВКА СИНТЕЗА НАНОЧАСТИЦ МЕТОДОМ
LVD
СО2 ЛАЗЕР 10.6 мкм,120 Вт
СИСТЕМА
НАПУСКА ГАЗА
ЭОП-66
СИСТЕМА
СКАНИРОВАНИЯ
ОБРАЗЦА
СИСТЕМА
УЛАВЛИВАНИЯ НАНОЧАСТИЦ
ОТКАЧКА
-7
ДАВЛЕНИЕ Р=10 ...3 Атм ПОЛУЧЕНЫ НАНОЧАСТИЦЫ: ZrO2 , Fex Oy, TiO2 , C, SiO2 ,Al O3 , …
Определена каталитическая активность наноматериалов
Формирование в диске малых тел
35
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
“FT” Synthesis -Slurry reactor and fixed bed reactor
Catalytic active
nanomaterials
Products distribution of FT-Synthesis over
Meteorite Tsarev, T=642 K
Meteorite Tsarev
Dolerit
Yield of olefins distribution
Yield of paraffins distribution
Number of Carbon atoms
36
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Происхождение жизни как процесс самоорганизации
«Холодная
предыстория
жизни»
Околозвездный
Протозвезда с
околозвездным диском
Молекулярное
облако
10-20 К
<106 см-3
Водород,
гелий и пыль
0,1 мкм
Время, лет
0
105
Взрыв
ПротозвездаСверхновой
кокон
4,56 млрд лет
назад
37
100-1000 K
10-4 – 10-6 атм
диск
300-400 K
<100 атм
Солнечная
система
Рой тел
300-400 K
300-400 К
1-100 атм
«Допланетный
хемоценоз»
Газ и
первичные
тела 1 м
«Мир РНК»
Реактор
уединенной
волны,<10 лет
Газ, планетезимали
и зародыши планет
100 км
Клетка
Первичные
биоценозы
ЖИЗНЬ
ПротоЗемля
> 1000 км
ПротоСолнце с аккреционным диском
106
Солнце
«Планета
бактерий»
Земля
12800 км
6.107 6,6.108
Планеты Начало
геологической
летописи Земли,
3,9 млрд лет назад
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Атмосферы планет Солнечной системы
H2 (2), He (4), CH4 (16), NH3 (17), H2O (18), Ne (20),
N2 (28), О2 (32), H2S (34), Ar (40), СО2 (44), …
Pi /P0 ~ exp(- mGM/TR); R - радиус тела, T - температура
Венера. Температура 460 - 480 С
Давление 93 бар
Состав атмосферы 97% СО2, 3% N2
Земля. Температура, средняя 20 С Давление 1 бар
Состав атмосферы 80% N2, 20% О2, H2О (ж!) СО2 – в карбонатах !!!
Марс. Температура, средняя – 50 С Давление 6 мбар
Состав атмосферы 95,3% СО2, 2,7% N2
Юпитер
Температура −107 °C (1атм) +153 °C (22 атм)
Состав атмосферы H2, Hе, CH4, NH3, H2S, PH3
…………………………….
38
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
!!!??? Венера - биосфера ???!!!
Миссии
ВЕНЕРА -9,-10, -13,-14
Л.В. Ксанфомалити
«Астрономический вестник»,
2012 г. , №1
Наука и жизнь
2012, №5, стр. 14-20,
№6 стр. 60-66
Температура - 462ºС,
давление 87 – 90 атмосфер,
Газовая оболочка - плотность 65 кг/м3,
Углекислый газ - 96,5%, азот - 3,5%.
Полимеры на основе азота?
39
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Основные этапы
Этапы
Длительность
Начало –
Физический этап
Химикобиологический
этап
Ключевой
фактор в смене
этапов
Зарождение протозвезды
Астрохимия
Сжатие газа с
пылью
Массивный диск
Астрокатализ
Синтез
катализаторов
конец
I
100 тыс. лет
II
100 тыс. лет –
1 млн. лет
III
400 тыс. лет –
1,2 млн. лет
IV
1 млн лет
Субдиск
конденсированного
вещества
Гравитационно
неустойчивый диск
Звезда
Среднемассивный диск
Допланетная
биосфера.
Клетка с мембраной
Излучение
звезды
Протопланетный диск
Депрессивная
биосфера.
Первичные
биоценозы
Потеря газа из
диска и с тел
Высокоскоростн
ые столкновения
Планета бактерий
Биоценозы планет
Геохимические
циклы
10 млн лет
V
5 млн лет
60 (100) млн лет
Геологически
недокументированн
ые
времена
100 млн лет
Геологически
документированные
времена
600 млн лет
4,56 млрд лет
40
Мир РНК
Высокое
давление газа в
сгустках
Планеты
Конец бомбардировки
600 млн лет
Окислительная
атмосфера, океаны,
осадочные породы
.
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
41
BIC SB RAS
ИК
СО РАН
Скачать