1. Вступ Матеріального життя основою є органічні сполуки, і один з ключових виникнення питань життя...
2. Можливі джерела енергії
3. Фотопроцеси абіогенний і синтез
4. Висновок
5. рекомендована література

Вступ

Матеріального життя основою є органічні сполуки, і один з ключових виникнення питань життя зводиться до можливості утворення з простих сполук неорганічних все складних більш органічних аж до полімерних гігантських молекул.

В час даний радіоспектроскопічними методами надійно наявність доведено в космічному просторі (в газопилових хмарах, кометах і метеоритах) складних досить органічних сполук (формальдегід Н2СО, кислота мурашина НСООН, ціаноацетілен НС3N, формамід HCONH2). Тому можна вважати, вже що в процесі формування Землі могла вона містити в своєму складі і органічні сполуки. Деякі вчені таким відводять з'єднанням походження космічного вирішальну роль у походженні життя. Однак умови, що існували на ранніх еволюції етапах Землі (висока руйнівного щільність молекули випромінювання, підвищені температури), були повинні приводити до розпаду органічних молекул, а не сприяти залученню їх в реакції більш утворення складних органічних структур. Тому сучасних більшість теорій включає в якості першого необхідного етапу протікають в атмосфері Землі або на її поверхні освіти процеси органічних сполук з неорганічних компонентів атмосфери. Цей хімічний (абіогенний) виникнення етап складних з'єднань органічних передував біологічному, після почався виникнення клітин.

Хімічний прийнято етап розділяти на два. Спочатку з компонентів атмосфери первинної в результаті фізико-хімічних накопичувалися процесів прості молекули органічні (формальдегід, формамід). Коли на Землі досить з'явилася велика таких кількість молекул і утворилися області локальні з їх підвищеною увагою (в водоймах, на поверхні твердих частинок, льоду), виникли умови, в яких за рахунок реакцій хімічних стало освіту можливим більш хімічних складних структур, в тому числі полімерних : полісахаридів, поліпептидів, ліпідів, порфіринів.

Мета статті - можливих аналіз фізико-хімічних процесів, відповідальних за перший хімічної етап еволюції.

Атмосфера древньої Землі

Склад стародавньої атмосфери Землі і її характеристики (повне тиск атмосферний і температуру) дуже відновити складно. Вони змінювалися в процесі еволюції. Тому відомості приводяться не можна встановленими вважати остаточно, вони хоча не суперечать сьогодні відомим фактам і розробленими моделями в астрономії, геології, фізики та хімії.

Земля близько утворилася 4,5 років млрд тому в результаті речовини концентрації холодної (10-20 К) туманності газопилової і зіткнень твердих утворень космічних (планетозималей). Перша атмосфера Землі складалася з найбільш поширених у Всесвіті елементів: водню і гелію. Ці легкі гази через сили недостатньою тяжкості утримуватися могли тільки холодної планетою. Але в процесі ядра освіти Землі вона нагрівалася, призводило що до нагрівання атмосфери. Приблизно через 100-300 млн років атмосфери температура досягла 800-900 К. При такій водень температурі розсіюється в космічний приблизно простір за 50 тис. Років (мить в геологічному масштабі). Розігрів Землі виділенням супроводжувався в атмосферу газів, про склад можна яких судити за результатами газовиділення аналізів при нагріванні порід стародавніх і виверженнях вулканів.

Втрата Землею атмосфери водневої привела зменшення до тиску в ядрі, супроводжувалося що плавленням порід деяких і прискоренням газовиділення в атмосферу. Дисипація привела водню до охолодження атмосфери і поверхні Землі. Сформована в результаті газовиділення з розігрітих атмосфера порід одержала назву первинної. Більшість вчених вважають, вона що складалася з; метану (СН4), аміаку (NH3) і водяної пари. Існують моделі, що допускають присутність Н2, N2, C02, CO, H2S. У будь-якому первинна випадку атмосфера складалася в основному з неорганічних сполук.

Відзначимо деякі надійно особливості встановлені первинної атмосфери. По-перше, води конденсація з утворенням могла гідросфери статися після тільки охолодження поверхні Землі до температури температури нижче кипіння води. За оцінками, сталося це близько 4 млрд того років тому і обсяг води на поверхні не перевищував 0,1 обсягу сучасних океанів. По-друге, в первинній практично атмосфері був відсутній вільний кисень, з'явився який тільки виникнення після найпростіших життя форм близько 3 млрд того років тому.

Можливі джерела енергії

Перетворення в стабільних умовах молодої Землі молекул неорганічних в органічні вимагає енергії. Джерелами енергії на стадії синтезу абіогенного могли електромагнітне служити випромінювання Сонця, випромінювання іонізуюче космосу, розпад радіоактивний нестабільних ізотопів елементів, що входять до складу земної кори, розряди електричні (блискавки), зіткнення з метеоритами, вулканічні процеси. Оцінка енергії потоків для деяких з них нижче приведена (для сонячного вказано випромінювання проінтегрувати по всьому потік спектру за межами атмосфери).

Таблиця 1

Джерело Потік енергії, кал / см2 рік Сонячне випромінювання 106 Радіоактивний розпад 100 Електричні розряди 1 Вулканічні процеси 1 Найбільш джерелом інтенсивним є Сонце, і більшість дослідників вважають, саме що фотохімічні процеси в газовій фазі, розчинах або гетерогенних системах, поглинанням ініційовані сонячного випромінювання , відповідальні за абиогенное органічних освіту молекул. Однак виключити не можна і інші джерела. На сучасній Землі речовина органічне в кількості приблизно 1011 т / рік утворюється в процесі фотосинтезу, для чого близько використовується 0,01% потоку сонячного випромінювання. Таким чином, будь-якого енергії з наведених джерел вище досить для напрацювання протягом років мільйонів органічного матеріалу з масою, що перевищує значно існуючу в даний час.

Лабораторні довели експерименти можливість органічних синтезу сполук, в тому числі амінокислот, з сумішей неорганічних простих з'єднань при впливі будь-якого із зазначених джерел вище енергії. Наприклад, біохімік американський С. Міллер дії піддавав електричних різного розрядів типу суміш Н2 + СН4 + NH3, над циркулює киплячою водою. Серед виявлені продуктів сечовина (NH2) 2CO, метил-сечовина, набір великий органічних кислот і шість амінокислот. При заміні NH3 на N2 складу якісний продуктів змінюється слабо.

Мал. 1. Оптичні ізомери аланина.

Привабливість сонячного вибору випромінювання в якості сили рушійною перетворення світу неорганічного в органічний визначається і міркуваннями симетрії. Всі найважливіші молекули біологічні (амінокислоти, білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи) асиметричні: не існує операцій геометричних відображення в точці або площинах, застосування після яких розташування просторове ядер збігається молекули з вихідним. На рис. 1 дві зображені можливі формули структурні аланина. Вони переходять один в одного при відображенні в площині, через що проходить зв'язок С-СН3 і перпендикулярній площині сторінки. Такі називаються форми оптичними (дзеркальними) изомерами. Хімічні оптичних властивості ізомерів не відрізняються. Але вони взаємодіють неоднаково з оптичним випромінюванням. Зокрема, L-форма площину обертає поляризації випромінювання наліво, а D-форма - направо. По-різному поглинають вони світло, поляризований по колу, тобто світло, для якого вектор напруженості поля електричного рівномірно обертається в площині, напрямку перпендикулярної поширення.

При синтезі хімічному молекул ізомерів оптичних виходить суміш, яка містить 50% лівих молекул і 50% правих. А все білки природні побудовані тільки з L-амінокислот. Лабораторними доведена експериментами можливість синтезу фотохімічного асиметричних молекул при використанні поляризованого по колу випромінювання з оптично неактивних реагентів. Наприклад, світлом фотоактівірованная з правого поляризацією циркулярної реакція ефіру діетилового фумаровой кислоти з перекисом водню дає одного надлишок з оптичних ізомерів:

Відзначимо, прямі що експериментальні можливості докази синтезу одного з оптичних ізомерів з неорганічних поки з'єднань відсутні і існують можливості альтернативні виникнення асиметрії, зокрема пов'язані з асиметрією деяких кристалів.

Фотопроцеси абіогенний і синтез

Спочатку можливість розглянемо перетворення з'єднань неорганічних в органічні в результаті сонячного поглинання випромінювання первинної компонентами атмосфери Землі. У 50-х роках століття нашого в декількох виконані лабораторіях експерименти з синтезу молекул органічних при фотовозбужденіі газових сумішей, первинну моделюють атмосферу. Зокрема, в Ленінградському університеті державному було утворення виявлено формальдегіду і амінокислот при опроміненні сумішей NH3, CH4 та Н20 при повному тиску ~ 600 Торр рідкої над водою випромінюванням з безперервним спектром в області 145-180 нм. При додаванні в суміш СО також утворюється сечовина. Синтез амінокислот відбувався, мабуть, в рідкій воді з розчиненими проміжними продуктами, світло хоча поглинається в газовій фазі.

Таблиця 2

Молекула λк, нм Первинні продукти λп, нм NH3 220 NH2 + H 280 H2O 185 ОН + Н 242 CH4 160 СН3 + Н 277 СН 2 + Н 2 265 N2 100 N2 * 100 N + N 127 СO2 175 CO + O 228 В табл . 2 деякі наведені фотохімічні характеристики молекул, могли які входити до складу первинної атмосфери: межа довгохвильова поглинання λк, продукти первинні взаємодії світла квантів поблизу кордону довгохвильової і довжина хвилі, термохимическим відповідна порогам цих утворення продуктів, λп. Наведені значення λк поглинання відповідають ~ 95% падаючого стовпом випромінювання газу висотою 3 см при атмосферному тиску.

Хімічно може активним бути тільки світло, поглинається який речовиною. З табл. 2 випливає, що становлять що первинної поглинають атмосфери випромінювання в короткохвильовій сонячного частини спектра, на яку менш доводиться 0,001 потоку сонячного випромінювання. Але і цієї частини невеликої досить, конкурувати щоб з іншими джерелами енергії. Відсутність в первинній атмосфері O2, а отже, і фотохімічно виник з нього призводить озону до того, що на відміну від сучасних короткохвильове умов випромінювання доходить до шарів атмосфери, де воно ефективно може поглинатися.

Поглинання випромінювання сонячного складовими атмосфери первинної супроводжується хімічно утворенням активних частинок - атомів, радикалів, збуджених молекул, вторинні реакції яких і відповідальні за освіту органічних молекул. Наприклад, виникає формальдегід в результаті швидкої реакції:

СН3 + ОН → Н2СО + Н2 (1)

Іншим проміжним важливим продуктом абіогенного для синтезу амінокислот, нуклеїнових підстав кислот і порфіринів ціаністий вважається водень, який утворюється, наприклад, в результаті реакцій:

CH3 + N → HCN + H2 (2)

СН2 + N → HCN + Н (3)

Розрахунки показали, ціаністий що водень стабільний фотохімічно в умовах атмосфери первинної (середнє розкладання час ~ 100 років) і основним його каналом виведення з атмосфери вимивання є опадами з характерним часом ~ 10 років. Формальдегід сонячним розкладається випромінюванням з λ <350 нм, але його розчинність в воді в 600 більше разів розчинності HCN, так що опадами вимивання відповідально і за стік формальдегіду. Таким чином, по крайней мере на певних еволюції стадіях існувала освіти можливість локальних областей з підвищеною простих концентрацією органічних сполук.

Механізм більш синтезу складних молекул органічних ні у первинній атмосфері, ні в описаних експериментах вище не встановлено. Можливо, амінокислот синтез відбувається за відомим механізмом хімікам Штрекер з альдегідів освіту через α-амінонітрілов:

Можна не сумніватися, синтез що є багатостадійним.

Корисно швидкості оцінити деяких стадій. Максимально швидкість можлива генерації сонячним радикалів випромінюванням законом визначається квантової еквівалентності, відповідно до якого кожен поглинений фотон для лінійних по інтенсивності процесів світла викликає один і тільки елементарний один акт хімічного перетворення. Потік випромінювання сонячного в спектральної області 115-160 нм дорівнює 2,5 × 1011 фотонів / см 2 • с. Якщо вважати, весь що потік метаном поглинається в шарі товщиною 2,5 м і поглинання кванта кожного призводить до утворення СН3 або СН2 радикалів, то швидкість радикалів генерації складе 109 радикалів / см 3 • с. Отримане значення, звичайно, завищена, так як поглинають і інші атмосфери компоненти і можливі невраховані первинні фотопроцеси. Точні швидкостей значення генерації бути можуть отримані чисельним методом, відомі якщо склад атмосфери і висотні розподілу профілі її складових, розподіл спектральний сонячного випромінювання і спектральні квантових залежності виходів первинних всіх фотопроцесів, сонячним ініційованих випромінюванням. Такі розрахунки для певних атмосфери моделей в даний час не викликають труднощів.

Швидкість молекулярних реакцій: А + В → С + D, до яких відносяться реакції (1) - (3) і багато що відбуваються інші в атмосфері, залежить від концентрацій реагентів. Для визначення будь-якої концентрації складової припадає атмосфери багаторазово систему вирішувати рівнянь, зміна описують концентрації в виділеному обсязі атмосфери за рахунок молекулярних всіх процесів освіти і загибелі, процесів дифузії, конденсації, вертикального і горизонтального перемішування, газовиділення з поверхні Землі і деяких інших фізико-хімічних процесів. Скористаємося виконаної в Мічиганському університеті (США) роботою, присвяченій фотоактівірованних моделювання процесів в первинній атмосфері. Використані у ній є моделі одновимірними, тобто вважаються концентрації залежать тільки від висоти. Безперервні компонентів розподілу по висоті середніми замінялися по в інтервалу 1 км значеннями. Зміст складових основних (N2, CH4, Н2О, СО2) в одній з моделей сучасної відповідало атмосфері кисню без і озону. Прораховувалися і моделі зі зміненими відносними концентраціями СН4 і СО2. Температура поверхні Землі приймалася рівною 288 К. Модель включала 206 атомно-молекулярних процесів за участю більше 50 складових атмосфери, потоки враховувала деяких через компонентів нижню (поверхностьЗемлі) і верхню межу атмосфери.

У цій рамках моделі утворюється формальдегід не тільки по реакції (1), а й ще по семи реакцій. Повна швидкість генерації Н2СO в стовпі атмосфери з 1 січнем см2 ~ 109 молекул / с. Помноживши величину цю на поверхню півсфери з радіусом Землі (6370 км), грубу отримаємо оцінку виробництва річного формальдегіду ~ 106 т / рік. Таким чином, для напрацювання органічних маси з'єднань, сучасному дорівнює річному органічного виробництва речовини в процесі фотосинтезу, невеликий необхідний проміжок часу ~ 105-106лет.

Однако концентрації стаціонарні простих молекул органічніх в первінній атмосфері, визначаються Які швідкості освіти можливий безпосередно в атмосфері складних більш органічніх Сполука, малі. Смороду залежався НЕ только від швидкости генерації, но від и швидкости загібелі за рахунок Сонячна розкладання віпромінюванням, реакцій з складових атмосфери, вімівання опад. Розрахунки ШВИДКІСТЬ дають вімівання опад, порівнянну, а для Деяк моделей и перевіщує ШВИДКІСТЬ генерації. Тому Прийнято вважаті, после что Утворення хімічна гідросфері еволюція відбувалася в жівільному дрібніх бульйоні водойм з більш скроню, чем в атмосфері, найпростішіх концентраціямі органічніх Сполука. До того ж в водоймах ці та утворюються з них складні більш з'єднання захищені від розкладання сонячним випромінюванням.

У році 1957 академік А.Н. Теренін на Міжнародному симпозіумі "Виникнення життя на Землі" висловив вперше припущення про можливу роль в абіогенне органічних синтезі сполук фотокаталітичних процесів. Такі можуть процеси відбуватися як на поверхні зважених в повітрі частинок пилу, льоду, аерозолів, так і безпосередньо на поверхні Землі.

Фотокаталітична по активність стосовно що становить атмосфери первинної встановлена ​​для багатьох каталізаторів: оксидів, лужних галогенідів і лужноземельних металів, алюмосилікатів. У число найбільш поширених речовини елементів сучасної земної кори, планетозималей і міжзоряного пилу входять O, Si, Al, Ca, Mg, Ti. Таким чином, на Землі було завжди досить з'єднань, активних фотокаталітичним щодо перетворень хімічних складових первинної атмосфери.

Адсорбція на молекул поверхні твердого призводить тіла до зміщення кордону червоної активного випромінювання в довгохвильову область. Отже, в порівнянні з газовою збільшується фазою частка сонячного випромінювання, могла яка бути використана в абіогенне синтезі. Наприклад, розкладання межа адсорбированной на Al2O3 зсувається води до 300-350 нм, збільшує що потік сонячного активного випромінювання на три порядки. Деякі фотоіндуковані центри, відповідальні за хімічні перетворення на поверхні, час мають життя, десятки перевищує годин, так що могли реакції не припинятися і після заходу сонця.

Гранична фотосорбціонная ємність, як визначається максимально покриття можливе поверхні молекулами при тривалому освітленні, досягає величин ~ 1011 см -2. Покриття бути можуть ще більше через адсорбції темновой радикалів, що утворюються в атмосфері. Швидкість реакцій вторинних на поверхні в таких значно умовах перевищує вторинних швидкість реакцій в первинній атмосфері.

Таким чином, фотокаталітичному при перетворенні складових неорганічних атмосфери реалізуються умови, утворення сприяють локальних областей з підвищеними активних концентраціями частинок і, отже, утворення ефективного не тільки простих, але і більш органічних складних з'єднань.

Проведемо для і цього грубу випадку оцінку швидкості можливої ​​перетворення молекул неорганічних в органічні. При сталості реагентів концентрацій в газовій кількість фазі утворюються за час t молекул N визначається співвідношенням

N ~ I (1 r) φ St,

де I - світловий падаючий потік (квант / см2 · с), Ir - відбитий світловий потік, φ - значення середнє квантового освіти виходу молекул, S - площа поверхні, що освітлюється. У припущенні, реакція що відбувається на поверхні Землі, час Т, за яке напрацьована буде маса продукту m, виражається формулою

T ~ m / 4π MI (1 r) φα R 2,

де M - молекули маса продукту, R - радіус Землі, α <1 - частка поверхні Землі, покрита каталізатором. Для каталізатора метану конверсії в етан з параметрами, близькими до параметрів оксиду титану (r = 0,99, φ = 0,01, α = 0,01), продукту маса порядку маси сучасної органічного напрацьовується речовини за час ~ 108 років. Наша оцінка не враховує зворотних і конкуруючих з розглянутою реакцій, отруєння можливостей каталізатора в процесі синтезу, але тим не менше свідчить про досить великих на тимчасової еволюції шкалою швидкостях перетворення фотокаталітичного складових первинної атмосфери.

Висновок

Проблема освіти абіогенного органічних сполук з неорганічних міждисциплінарної є і вирішується зусиллями фізиків, хіміків, біологів, геологів і астрономів. Вона прекрасно взаємозв'язок ілюструє різних розділів природознавства. Не можна не відзначити і величезні труднощі на шляху цієї вирішення проблеми. Вони обумовлені складністю фізико-хімічних процесів, відповідальних за еволюцію. Крім того, умови, в яких протікала еволюція, відновлюються за рахунок довгої дуже екстраполяції в часі умов на сучасній Землі, інших планетах, в космічному просторі і невідомі з точністю, достатньою для вибору тієї чи іншої моделі.

рекомендована література

1. Zahnle KJ // J. Geophys. Res. D. 1986. Vol. 91. P. 2819-2834.
2. Рєзанов І.Л. // Земля і Всесвіт. 1995. № 3.С. 81-88.
3. Фокс С, Дозі К. Молекулярна еволюція і виникнення життя. М .: Світ, 1975. 374 с.
4. Сіміонеску К., Денеш Ф. Походження життя: Хімічні теорії. М .: Світ, 1986. 119 с.

Про автора:
Михайло Євгенович Акопян, доктор фізико-математичних наук, професор, зав. кафедрою фізичного фотоніки факультету Санкт-Петербурзького державного університету. Області наукових інтересів - фотопроцеси в молекулярних газах, релаксації процеси енергії збудження. Автор двох монографій, посібники навчального і близько 100 наукових інших робіт.

" Соросівський освітній журнал "

Статті близької тематики:
Походження та еволюція життя на Землі. О. Г. Сорохтин, С. А. Ушаков.
Хімічні виникнення основи Життя.
Біогенез: і мотиви феномени виникнення життя. С. Б. Пашутін.
Нове теорії в появи життя. В. Н. Пармон.
Природний серед відбір молекул. В. Н. Пармон.
Життя створює планети? В. Н. Снитніков, В. Н. Пармон.
Народжені з кристалів? Микола Юшкін.
Коли робив погоду метан. Джеймс Кастинг.
Зародження життя на тлі космічної бомбардування. Ал Бухбіндер.
А чи є життя на Землі? Рафаїл Нудельман.
Кам'яний літопис біосфери. І. Рєзанов.
Життя з починалася РНК. Валентин Власов, Олександр Власов.
Спочатку була РНК? С. Григорович.
Неорганічні поліфосфати. І. С. Кулаєв.
Молекулярна еволюція. В. А. Ратнер.
Сучасна палеонтологія. А. Ю. Розанов.