Химическая эволюция Земли

Наша планета - Земля, возникла около 4 миллиардов 600 миллионов лет назад одновременно с другими планетами Солнечной системы и самой близкой к нам звездой Солнцем.

Современный мир живых существ, населяющих Землю, поражает своим разнообразием. От 5 до 100 миллионов видов, по подсчетам ученых населяют планету. Как было достигнуто это разнообразие? Какова отправная точка развития жизни и есть ли она вообще? До сих пор не удалось получить исчерпывающие ответы на эти вопросы. Предложено немало гипотез и теорий о происхождении жизни, но все они и поныне остаются весьма спорными. Так что фраза Чарльза Дарвина: "Рассуждать в настоящее время о возникновении жизни просто нелепо. С таким же успехом можно говорить о возникновении материи",- по-прежнему актуальна.

Полагают,что в те времена атмосфера была совершенно не такая, как теперь. Легкие газы - водород,гелий, азот,кислород и аргон - уходили из атмосферы,так как гравитационное поле нашей еще недостаточно плотной планеты не могло их удержать. Однако простые соединения,содержащие(среди прочих)эти элементы,должны были удерживаться;к ним относятся вода, аммиак,двуокись углерода и метан. До тех пор пока температура Земли не упала ниже 100°С, вся вода, вероятно,находилась в парообразном состоянии.

Атмосфера была, по-видимому,“восстановительной”,о чем свидетельствует наличие в самых древних горных породах Земли металлов в восстановленной форме, таких как двухвалентное железо. Более молодые горные породы содержат металлы в окисленной форме, например трехвалентное железо. Отсутствие в атмосфере кислорода было,вероятно, необходимым условием для возникновения жизни; лабораторные опыты показывают,что, как это ни парадоксально,органические вещества (основа живых организмов)гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере,,богатой кислородом.В 1923 г. А. И. Опарин высказал мнение,что атмосфера первичной Земли была не такой,как сейчас, а примерно соответствовала сделанному выше описанию.Исходя из теоретических соображений,он полагал, что органические вещества, воз­можно углеводороды,могли создаваться в океане из более простых соединений;энергию для этих реакций синтеза, вероятно,доставляла интенсивная солнечная радиация (главным образом ультрафиолетовая),падавшая на Землю до того,как образовался слой озона,который стал задерживать большую ее часть.

Химическая эволюция — это совокупность процессов, протекавших в Космосе и на ранних этапах существования Земли, приведших к возникновению жизни.

Первый этап химической эволюции на Земле

На первом этапе образовались литосфера, гидросфера, атмосфера. Литосфера возникла вследствие вулканизма. Ежегодно вулканы выбрасывают на поверхность Земли около 1 км. За время существования Земли, при нынешней активности вулканов, было выброшено такое количество лавы, которой достаточно для образования коры Земли.

Гидросфера также создана вулканами: 3 % массы лавы составляет водяной пар. Пар конденсировался. Это привело к появлению осадков и Первичного океана. Атмосфера образовалась при дегазации лав. Вначале Земля имела первичную атмосферу. Но масса юной Земли оказалась недостаточной для удержания газов, и они улетучивались. Земля увеличила свою массу за счет космической пыли и метеоритов: на Землю ежегодно выпадает 107 кг пыли. К тому же Земля, проходя через пылевое облако, могла получать с космической пылью 10" т органического материала. Вторичная атмосфера возникла тоже за счет дегазации лав

Кислород появился в атмосфере благодаря фотолизу — разложению паров воды в верхних слоях атмосферы солнечными лучами. Позже обогащение атмосферы кислородом шло за счет фотосинтеза. Два с половиной миллиарда лет назад исчезли золотоураносные конгломераты, которые формируются только в отсутствии кислорода. В тот же период появляются красноцветы, образующиеся только при наличии кислорода.

Второй этап химической эволюции на Земле

На этом этапе происходило образование низкомолекулярных органических соединений (аминокислот, спиртов, углеводов, органических кислот). Жизнь на Земле основана на углеродистых соединениях. Почему именно углерод стал основой жизни? Во-первых, потому, что углерод образует соединения в виде крупных молекулярных цепочек. Во-вторых, углеродистые соединения взаимодействуют медленно. В-третьих, углерод образует сложные соединения с особой структурой, существенной для протекания важнейших жизненных процессов.

Химическая эволюция началась задолго до возникновения Земли — она началась в Космосе. В межзвездном пространстве обнаружено более 50 органических соединений. В Космосе обычен формальдегид, окись углерода, вода, аммиак, цианистый водород. Эти вещества, как показали эксперименты, могут быть предшественниками аминокислот и других органических соединений. Во внеземном пространстве обнаружены углеводороды, альдегиды, эфиры, аминокислоты, нуклеотиды, ароматические соединения. Обнаружено вещество, имеющее в своем составе 18 атомов углерода. Синтез примитивных углеводородов, начавшийся в Космосе, продолжался во время формирования Солнечной системы и Земли.

Предположения о процессах второго этапа химической эволюции имеют экспериментальное подтверждение. В 1850 г. немецкий химик А. Штеккер осуществил химический синтез аминокислот из аммиака, альдегидов, синиль ной кислоты. В 1861 г. А. М. Бутлеров, нагревая формальдегид в крепком щелочном растворе, получил смесь Сахаров. Д. И. Менделеев получал углеводы, подвергая карбиды действию водяного пара. Студент Чикагского университета С. Л. Миллер в 1953 г. для дипломной работы, выполненной под руководством С. Фокса, собрал специальный аппарат для проверки возможности абиогенетического синтеза органических соединений. В этом герметическом приборе в течение недели по замкнутой схеме циркулировала смесь газов, которые, по общему мнению, наиболее вероятно содержались в ранней атмосфере Земли: СН4, Н, NH?. Кипящая вода - источник водяного пара — и холодильник поддерживали циркуляцию газовой смеси. В приборе непрерывно пропускали искры при напряжении 60 тыс. вольт. После этого воду подвергли хроматографическому и химическому анализу Было обнаружено 6 аминокислот (глицин, аланин, аспаргиновая и глутаминовая кислоты и др.), мочевину, молочную, янтарную, уксусную кислоты. Всего было обнаружено 11 органических кислот.

В том, что абиогенетический синтез органики возможен, убеждает такой факт: одно извержение вулкана в настоящее время сопровождается выбросом до 15 т органического вещества. К тому же Земля, проходя через пылевое облако, могла получать с космической пылью 108 т органического материала. Все это, предположительно, могло создать тот "бульон", о котором писали А. Опарин и Дж. Холдейн.

В экспериментах о происхождении жизни имело место незаконное вмешательство самих исследователей. Например, разумное вмешательство осуществлялось на нескольких уровнях. Почему определенные газы (такие как водород) входили в состав среды, а другие (такие как кислород) не входили? Разве это не есть разумный выбор, основанный на знании того, что благоприятно и что неблагоприятно для желательного исхода опыта? Далее, кто конструировал аппаратуру для эксперимента?
Почему она не имела другую конструкцию? Почему решили пропускать через среду электрический разряд? Очевидно, что, разумные решения принимались относительно многих и многих аспектов.
Существует необоснованное предположение о том, что первичные условия на Земле (или где-то еще) были схожи с условиями эксперимента. Сейчас выяснилось, что два критически важных параметра были иными. Поскольку экспериментальный процесс в присутствии кислорода не шел бы, предполагалось, что древняя атмосфера Земли была безкислородной. Но сейчас известно, что это не так. Данный факт сам по себе достаточен для опровержения результатов эксперимента и теории химической эволюции. Далее, как признают даже многие приверженцы химической эволюции, реагенты в тех концентрациях, которые использовались в эксперименте, нигде на Земле не встречаются. Весь сценарий «первичного бульона» представляет собой миф.
Аналогия между экспериментом Миллера и известными условиями на древней Земле недействительна, поскольку в ней не учитывается наличие деструктивных факторов. Кислород нарушил бы ход процесса. А необходимая для него энергия солнца и космических лучей разрушала бы сам образующийся продукт. При условиях, требующихся для того, чтобы жизнь возникла спонтанно, более вероятно, что эти химические вещества разрушались бы быстрее, чем синтезировались. В природе действует множество разрушительных сил, которые уничтожают упорядоченность и сеют хаос. Это проявления Второго начала термодинамики.
Даже если нужные химические вещества все-таки могли синтезироваться, не дается никакого ответа на вопрос о том, как они могли выстроиться в нужном порядке и оказаться заключенными в оболочку живой клетки. Для этого требуется совсем другой набор условий.
Далее, эволюционисты так и не смогли указать на какой бы то ни было механизм утилизации энергии, необходимой для отбора и сортировки аминокислот, которые должны выстроиться вдоль каждого гена при формировании живого организма. Никакого смысла нет иметь полный ящик батареек, если нет фонарика - устройства для утилизации энергии, - куда их можно поместить. Молекула ДНК чрезвычайно сложна.
Даже в предположении, что энергии для этих целей могло оказаться достаточно, единственные системы, способные утилизировать энергию для такого рода задач, - это системы живые или разумные. Легко накачать в систему огромное количество энергии, чтобы ее нагреть, но чтобы сформировать ее структуру и создать информацию, необходим разум.

Эволюцию, которую прошли химические соединения на нашей планете, можно разделить на четыре стадии: 1) неорганическую; 2) органическую; 3) биохимическую; 4) антропогенную.

Неорганическая стадия связана с химическими превращениями без образования цепей из атомов углерода, который, как известно, обладает наибольшим эволюционным потенциалом. На этой стадии образовывались наиболее простые вещества и происходили относительно несложные процессы.

Вторая стадия — органическая — по сути есть химия соединений углерода. Здесь происходит резкое усложнение химизма и формируются все необходимые предпосылки для возникновения жизни.

Следующая стадия — биохимия, иди химия живого. С возникновением жизни высшей и наиболее сложной формой материи становится биологическая. К специфике соотношения химического и биологического можно отнести следующие закономерности:

· жизнь возникает в ходе протекания химических процессов, хотя переход от неживого к живому пока воспроизвести не удается;

· с возникновением жизни большая часть химических веществ продолжает существовать по своим собственным законам вне живых организмов. При этом неживое вещество служит внешней средой, с которой живое находится в постоянной динамичной связи (обмен веществ между организмом и средой);

· некоторая часть химических веществ после возникновения живого включается в состав живых организмов. Биохимия, или химия живого, намного сложнее химических процессов, идущих вне живого организма. Одновременно биохимия — часть химической науки и в ней действуют в особых формах все химические законы. Биохимические процессы являются основой жизни, они воздействуют на биологические явления, накладывая на них определенные ограничения.

· биохимические процессы развиваются под контролем биологических процессов и закономерностей, например естественного отбора. В живом организме химический синтез направлен на поддержание его жизнеспособности.

· в живой природе возникает новое качество — биологическое, которое имеет в своей основе сложные химические механизмы и в то же время не может быть сведено даже к самому сложному набору химических процессов.

Результат эволюции

В процессе эволюции возникли атмосфера и гидросфера Земли.

Атмосфера Земли: в настоящее время Земля обладает атмосферой массой примерно5,15*1018 кг, т.е. менее миллионной доли массы планеты. Вблизи поверхности она содержит78,08% азота, 20,95% кислорода,0,94% инертных газов,0,03% углекислого газа и в незначительных количествах другие газы.Давление и плотность в атмосфере убывают с высотой.Половина воздуха содержится в нижних 5,6 км,а почти вся вторая половина сосредоточена до высоты 11,3 км.На высоте 95 км плотность воздуха в миллион раз ниже, чем у поверхности.На этом уровне и химический состав атмосферы уже иной. Растет доля легких газов, и преобладающими становятся водород и гелий.Часть молекул разлагается на ионы, образуя ионосферу. Выше1000 км находятся радиационные пояса. Их тоже можно рассматривать как часть атмосферы,заполненную очень энергичными ядрами атомов водорода и электронами,захваченными магнитным полем планеты.

Гидросфера Земли: вода покрывает более70% поверхности земного шара,а средняя глубина Мирового океана около 4 км. Масса гидросферы примерно 1,46*1021кг. Это в 275 раз больше массы атмосферы, но лишь 1/4000 от массы всей Земли.Гидросферу на 94% составляют воды Мирового океана, в которых растворены соли (в среднем3,5%), а также ряд газов. Верхний слой океана содержит 140 трлн.тонн углекислого газа, а растворенного кислорода –8 трлн. тонн.