Источники свободной энергии па первобытной Земле

В предыдущей главе был рассмотрен ряд групп прокариот, относящихся к эубактериям, получающих энергию в реакциях субстратного фосфорилирования и не зависящих от молекулярного кислорода. Их предки появились на Земле, когда в ее атмосфере отсутствовал Оз. Единственным источником свободной энергии, доступным первобытным организмам, была химическая энергия органических молекул, возникших в основном абиогенным путем. Увеличение численности популяций приводило к возрастанию использования органических молекул в окружающей среде, которое на определенном этапе стало превышать их накопление. В результате органические вещества постепенно исчерпывались из среды. Создавалась критическая ситуация, вызываемая нехваткой соединений, которые могли бы служить источником свободной энергии для организмов. Перед ними возникла проблема поиска новых источников углеродного питания и свободной энергии. В энергетическом плане необходимо было найти способ получения энергии за счет постоянно действующего источника. Такой источник энергии представляет собой солнечная радиация. Глобальное значение развившейся способности использовать световую энергию в том, что фотосинтез — единственный процесс, приводящий к увеличению свободной энергии на нашей планете. Таким образом, фотосинтез обязан своим происхождением экологическому кризису, возникшему в результате исчерпания на определенном этапе развития жизни органических ресурсов планеты. [c.262]

ИСТОЧНИКИ СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИИ НА ПЕРВОБЫТНОЙ ЗЕМЛЕ [c.131]

Исходя из этого, можно считать, что тепловая энергия вполне могла служить основным источником свободной энергии на первобытной Земле при условии, что поверхность Земли проходила через высокотемпературную фазу. Если же температура поверхности в среднем никогда не поднималась выше ее нынешнего значения (300 К), то рассматривать тепловую энергию как значительный источник свободной энергии для реакций, протекавших в ходе химической эволюции, уже неправомерно. Правда, и при этом возможно, конечно, что значительный вклад энергии в химическую эволюцию могли дать локальные зоны с повышенной температурой — вулканы и фумаролы [45]. ]Иы вернемся к обсуждению этого вопроса в разделе о специфических микроусловиях. Сейчас мы рассмотрим факты, касающиеся общей тепловой истории Земли. [c.135]

Мы подчеркивали, что, о какой бы предполагаемой особенности первобытной Земли ни шла речь, в основе наших выводов лежит сопоставление большого числа разнообразных фактов и соображений. Так, для того чтобы оценить адекватность (с геохимической точки зрения) экспериментов, обсуждаемых в последующих трех главах, необходимо привлечь сведения, относящиеся к различным областям — астрономии, астрофизике, геохимии, геофизике, атомной и молекулярной спектроскопии, химической кинетике и термодинамике. Впрочем, результаты всех проведенных к настоящему времени экспериментальных исследований приводят к поразительному выводу, что, хотя такая всеобъемлющая оценка и желательна, в ней, быть может, нет слишком настоятельной необходимости. Оказалось, что те виды реакций, имеющих отношение к химической эволюции, которые удалось провести в лаборатории, вопреки ожиданиям не зависят от специфических деталей экспериментальных условий (конечно, в определенных границах). Например, а-аминокислоты, из которых состоят современные белки, образуются в самых разных газовых смесях при участии самых разных источников свободной энергии. Это справедливо и для других классов биологических соединений, как это будет показано в гл. IV—VI. Мало того, и на более высоких уровнях сложности принципиальные регулирующие ограничения, накладываемые на ход реакций, по-видимому, определяются свойствами, присущими самим реагентам, а не какими-либо специфическими условиями сре- [c.145]

Исходным материалом для синтеза органических веществ служили щироко распространенные во Вселенной химические элементы углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор. Однако синтез биологически важных молекул из этих элементов мог происходить только при условии обеспечения реакций свободной энергией, источником которой на первобытной Земле (как и на современной) были солнечное излучение, электрические разряды, тепловая энергия земных недр и радиоактивное излучение. Наиболее мощный из них — солнечное излучение. Поскольку молекулярный кислород в первобытной атмосфере Земли практически отсутствовал, не было и озонового экрана, существующего в современной атмосфере на высоте примерно 25 км от поверхности Земли и сильно поглощающего коротковолновую часть УФ-излучения. Можно представить, что значительная часть коротковолнового УФ проникала через атмосферу первобытной Земли и достигала ее поверхности, поэтому в условиях древней Земли длинноволновая часть солнечного излучения ифала небольшую роль. [c.190]

Хотя по очевидным теперь для читателя причинам возможности экспериментального изучения процесса происхождения жизни весьма ограниченны, тем не менее гипотеза Холдейна — Опарина позволяет представить себе по крайней мере один тип экспериментов. Поскольку, согласно этой гипотезе, жизнь на примитивной Земле возникла через многочисленные промежуточ-1Н51С стадии, кажется разумным несколько принизить цели наших экспериментов. Вместо того чтобы пытаться эксперимент тальпо продемонстрировать процесс самопроизвольного зарождения полностью сформированного микроорганизма из стерильного органического вещества, можно сосредоточить свое внимание на какой-либо одной конкретной стадии гипотетического процесса молекулярной эволюции. Можно, например, изучать превращения простых восстановленных газов, составлявших, по всей видимости, вторичную примитивную атмосферу, под воздействием какого-либо определенного источника свободной энергии, имевшегося, вероятно, на первобытной Зе.мле. Такого рода эксперимент и был поставлен в 1953 г. в Чикагском университете Миллером [38] . [c.45]

Однако, прежде чем проводить модельные лабораторные эксперименты, необходимо решить вонрос о том, из каких простых газов состояла первобытная атмосфера Земли и каковы были здесь источники свободной энергии. Далее мы обсудим другие, не менее важные факторы, такие, как объем, температура и среднее значение pH первобытных океанов. Для того чтобы заложить некоторые основы, необходимые для понимания современных концепций о характере примитивной атмосферы, мы [c.104]

У нас нет особых причин исключить ту возможность, что минорные источники свободной энергии, имеющиеся в настоящее время на нашей планете (табл. 6), существовали также на первобытной Земле. Однако количество энергии, поставлявшееся этими источниками в первобытные времена, трудно поддается оценке. Мы можем, правда, представить себе количество энергии, доступной 4,5 млрд. лет назад за счет радиоактивности самого верхнего-СЛОЯ земной коры (толщиной 1 км), поскольку скорости распада-основных долгоживущих радиоактивных изотопов известны. Буллард [50] произвел соответствующий расчет для нестабильных изотопов урана, тория и калия, которые распадаются с испусканием а- и Р-частиц и 7-лучей. Согласно результатам Булларда [50], этот источник мог давать в 3—4 раза больше энергии за единицу времени, чем в настоящее время. Однако большая часть этой энергии поглощалась, вероятно, кристаллической решеткой, тех минералов, в которых находились эти изотопы, и, следовательно, превращалась в тепло, вместо того чтобы использоваться в химических реакциях, протекавших в первобытной атмосфере и океанах. Поскольку на примитивной Земле существовали, по-видимому, все условия для гроз, вполне вероятно, что электрические разряды могли послужить значительным источником свободной энергии для процессов химической эволюции (табл. 6). [c.138]

ЛИ, ЧТО значения определенных физических параметров в неко торых локальных зонах, возможно, сильно отличались от средних значений для всей Земли. В самом деле, разнообразие специфических микроусловий на современной Земле поразительно так> например, температура может варьировать от —71 (в Верхоянске) 152] до 645 °С (зарегистрирована в Долине Десяти Тысяч Дымов) 149]. Если и на первобытной Земле условия были столь же разнообразны, то немедленно возникает следующий вопрос правомерно ли ограничиваться в модельных экспериментах только общими геохимическими условиями или же следует расширить эти довольно узкие границы и рассматривать в экспериментах также специфические условия Фокс [53] утверждает, что возникновение жизни нельзя рассматривать как некий общий геохимический феномен. Он полагает, что жизнь возникает в весьма специфических, локально существующих условиях. Как предполагает Фокс, необходимые условия могли возникнуть в результате процессов, происходивших в самих вулканических пенловых конусах и вблизи них. В то же время Юри [17] утверждает, что тепловая энергия, источником которой служит вулканическая активность, играла лишь ничтожную роль в процессах химической эволюции при этом он исходит из того, что на современной Земле вулканы пространственно разобщены, а извержения случаются редко. Фокс [54] возражает на это, что лавовые покровы занимают 3% земной поверхности и что примерно в 10—15 см от поверхности пеплового конуса температура достигает 160 °С даже в тех слу чаях, когда изсержений не происходит в течение нескольких лет Если это выделение вулканического тепла на поверхность распро странить на геологические промежутки времени (взяв, например первые 0,5 млрд. лет земной истории и принимая вместе с Хол лендом [21], что на протяжении этого периода существовала маг матическая активность), то кумулятивный эффект этого тепла действительно может оказаться достаточным для того, чтобы влиять на процессы химической эволюции. Другие специфические источники тепла — горячие источники и фумаролы — могли поставлять дополнительные количества тепловой энергии. Несмотря на все эти соображения, многие исследователи склоняются, но-видимому, к той точке зрения, что в модельных экспериментах допустимо применять только такие источники энергии, которые распространены. более или менее равномерно и действуют в течение достаточно длительного промежутка времени. Эксперименты с использованием тепла в качестве источника свободной энергии будут подробно рассматриваться в гл. IV—VI. [c.141]

В главе, посвященной геохимии, мы отмечали, что ультрафиолетовое излучение Солнца было, по-видимому, главным источником свободной энергии на первобытной Земле. Хотя первые эксперименты по моделированию химической эволюции проводились с применением электрических разрядов (в осповпом из соображений удобства), в дальнейшем были пропсдеиы эксперименты с целью выяснить возможную роль ультрафиолета в синтезе биомономеров. [c.162]

Целью данной главы было рассмотрение различных подходов, разработанных для изучения тех путей, в результате которых в ходе химической эватюции возникали соединения, необходимые для появления биологических систем. Прежде всего каждый подход соответствует какой-либо частной модели первобытной Земли (с учетом природы доступных реагентов, источников свободной энергии и т. д.). Что касается синтеза аминокислот, то эксперименты оказались успешными при использовании самых разных смесей реагентов и источников энергии. После выяснения промежуточных и конечных продуктов этих реакций перед нами возникла довольно законченная картина. Тот факт, что в большом числе экспериментов по синтезу аминокислот из разнообразных реагентов и при участии самых разных источников энергии всегда образуются S качестве промежуточных продуктов нитрилы и альдегиды (в частности, H N и формальдегид), говорит о том, что Эти соединения играли весьма существенную роль в процессах химической эволюции. Таким образом, в тех условиях, которые почти наверняка были широко распространены па древней Земле, могли синтезироваться практически все основные классы биомономеров, Предполагаемая схема процессов, протекавших в условиях добиэлогической химической эволюции, представлена на фиг. 41. [c.189]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология