КАМЕННО-ЛЕДЯНЫЕ ТЕЛА КАМЕННО-ЛЕДЯНЫЕ ТЕЛА КАК ВОЗМОЖНЫЕ КАК ВОЗМОЖНЫЕ

ИНКУБАТОРЫ ПЕРВИЧНОЙ ИНКУБАТОРЫ ПЕРВИЧНОЙ ЖИЗНИЖИЗНИ

В. В. Бусарев

Междисциплинарный коллоквиумМеждисциплинарный коллоквиум Астрономического ОбществаАстрономического Общества

Москва Москва 21 мая 2014 г.21 мая 2014 г.

Основополагающие фактыОсновополагающие 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 Изучение химии облученного протононами формамида

при наличии катализаторов из земных минералов и при наличии катализаторов из земных минералов и

метеоритного вещества в земных условиях показало, что метеоритного вещества в земных условиях показало, что

происходит одновременный спонтанный синтез соединений, происходит одновременный спонтанный синтез соединений,

являющихся базисными для развития прегенетики (РНК и ДНК) являющихся базисными для развития прегенетики (РНК и ДНК)

и преметаболизма (обмена веществ).и преметаболизма (обмена веществ).

Распространенность Распространенность HCN HCN и и NHNH22CHOCHO

во Вселеннойво 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 ИК-источниках, 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 Были отобраны образцы всех метеоритов основных классов (железные, железокаменные, ахондриты и классов (железные, железокаменные, ахондриты и хондриты): Каньон Дьябло, Кампо дель Сьело, Сихотэ-хондриты): Каньон Дьябло, Кампо дель Сьело, Сихотэ-Алинь, Сеймчан, NWA 4482, Золотой бассейн, ДофарАлинь, Сеймчан, NWA 4482, Золотой бассейн, Дофар 959, 959, Мёрчисон, Оргель, NWA 1465, NWA 5357, Аль-Хагунья, Мёрчисон, Оргель, NWA 1465, NWA 5357, Аль-Хагунья, Челябинск.Челябинск. В присутствии земных минералов и метеоритов В присутствии земных минералов и метеоритов каталитические эффекты и количества ансамблей каталитические эффекты и количества ансамблей продуктов сильно различались продуктов сильно различались (Saladino+, 2012).(Saladino+, 2012).

• Ранее было показано, что воздействие повышенных Ранее было показано, что воздействие повышенных температур (100-200 температур (100-200 °°С), УФ-излучения и электрических С), УФ-излучения и электрических разрядов хотя и приводят к формированию сложных разрядов хотя и приводят к формированию сложных органических соединений, включая аминокислоты, но не органических соединений, включая аминокислоты, но не являются настолько эффективными. являются настолько эффективными. Можно предполагать, Можно предполагать, что потоки заряженных частиц порождают ионизованные что потоки заряженных частиц порождают ионизованные радикалы формамида, стимулирующие дальнейший радикалы формамида, стимулирующие дальнейший органический синтез.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).2013).

Результаты облучения протонамиРезультаты облучения протонами одногоодного формамида формамида

Результаты облучения протонамиРезультаты облучения протонами смеси формамида и углистого хондрита смеси формамида и углистого хондрита

Результаты облучения протонамиРезультаты облучения протонами смеси формамида и ахондрита смеси формамида и ахондрита

Результаты облучения протонамиРезультаты облучения протонами смеси формамида и железного метеорита смеси формамида и железного метеорита

Результаты облучения протонами смеси формамида и железо-каменного

метеорита

Предпосылки для самозарождения жизниПредпосылки 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?Но могла ли жизнь возникнуть в открытом космосе?Очевидно Очевидно – – нет. Условия, благоприятные для синтеза предбиологических нет. Условия, благоприятные для синтеза предбиологических соединений, являются неблагоприятными для биологических. Жизнь м. возникнуть, соединений, являются неблагоприятными для биологических. Жизнь м. возникнуть, напр., на защищенной от радиации и экстремальных температур земной поверхности, напр., на защищенной от радиации и экстремальных температур земной поверхности, в восстановительной атмосфере и при наличии жидкой воды, необходимой для в восстановительной атмосфере и при наличии жидкой воды, необходимой для поддержания обменных процессов, поддержания обменных процессов, при наличии органическихпри наличии органических «строительных «строительных блоков», кот., вероятно, б. доставлены метеороидными телами или космической блоков», кот., вероятно, б. доставлены метеороидными телами или космической пылью (напр., Опарин, пылью (напр., Опарин, 1924; 1924; Мухин, 2009). Не исключено, что в этом случае для Мухин, 2009). Не исключено, что в этом случае для переходного к биологическому синтезу комбинаторного отбора ушло бы много переходного к биологическому синтезу комбинаторного отбора ушло бы много времени. Но на Землю м. б. доставлены и готовые микроорганизмы, как следует из времени. Но на Землю м. б. доставлены и готовые микроорганизмы, как следует из теории панспермии (Рихтер – Аррениус, 1865-1895 гг.). Возможно, это теории панспермии (Рихтер – Аррениус, 1865-1895 гг.). Возможно, это подтверждается обнаружениями бактериальных микроокаменелостей в углистых подтверждается обнаружениями бактериальных микроокаменелостей в углистых CI CI и и COCO хондритах ( хондритах (Hoover, 1997Hoover, 1997; Розанов, 2009). ; Розанов, 2009). Но пока не удается с абсолютной Но пока не удается с абсолютной уверенностью доказать их внеземное происхождение в имеющихся метеоритных уверенностью доказать их внеземное происхождение в имеющихся метеоритных находкахнаходках. Эксперименты показывают, что бактер. микроокаменелости в метеоритах, . Эксперименты показывают, что бактер. микроокаменелости в метеоритах, попавших во влажные земные усл-я, образуются очень быстро попавших во влажные земные усл-я, образуются очень быстро –– за время порядка за время порядка нескольких дней нескольких дней ((Toporski+, 2002).Toporski+, 2002).

Но, как следует из вышеперечисленного, Но, как следует из вышеперечисленного, такая возможность существовала!такая возможность существовала!

• В ранней Солнечной системе условия, благоприятные для земной В ранней Солнечной системе условия, благоприятные для земной формы жизни (для анаэробных микроорганизмов) м. возникнуть в формы жизни (для анаэробных микроорганизмов) м. возникнуть в недрах планетезималей или протопланетных тел, поскольку планеты недрах планетезималей или протопланетных тел, поскольку планеты земного типа сформировались только через земного типа сформировались только через 50-100 млн. лет.50-100 млн. лет. На основе На основе наблюдений наблюдений ((напр., Бусарев, 2002, 2011) и расчетов (напр., Бусарев, 2002, 2011) и расчетов (Busarev+, 2003)Busarev+, 2003) автором б. показано, что такими «инкубаторами» первичной жизни м. автором б. показано, что такими «инкубаторами» первичной жизни м. стать каменно-ледяные тела (КЛТ) в течение первых стать каменно-ледяные тела (КЛТ) в течение первых ~~5-10 млн. лет.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 Протопланетные тела по обе стороны от границы конденсации водяного от границы конденсации водяного льдальда

• 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 водно-измен. 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: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 СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!ВНИМАНИЕ!