КАМЕННО-ЛЕДЯНЫЕ ТЕЛА КАК ВОЗМОЖНЫЕ ИНКУБАТОРЫ ПЕРВИЧНОЙ ЖИЗНИ

1. КАМЕННО-ЛЕДЯНЫЕ ТЕЛА КАК ВОЗМОЖНЫЕ ИНКУБАТОРЫ ПЕРВИЧНОЙ ЖИЗНИ В. В. Бусарев Междисциплинарный коллоквиум Астрономического Общества Москва 21 мая 2014 г.

2. Основополагающие 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 при наличии катализаторов из земных минералов и метеоритного вещества в земных условиях показало, что происходит одновременный спонтанный синтез соединений, являющихся базисными для развития прегенетики (РНК и ДНК) и преметаболизма (обмена веществ).

3. Распространенность HCN и NH2CHOво 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).

4. 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).

5. 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 классов (железные, железокаменные, ахондриты и хондриты): Каньон Дьябло, Кампо дель Сьело, Сихотэ-Алинь, Сеймчан, NWA 4482, Золотой бассейн, Дофар959, Мёрчисон, Оргель, NWA 1465, NWA 5357, Аль-Хагунья, Челябинск.В присутствии земных минералов и метеоритов каталитические эффекты и количества ансамблей продуктов сильно различались (Saladino+, 2012). • Ранее было показано, что воздействие повышенных температур (100-200 °С), УФ-излучения и электрических разрядов хотя и приводят к формированию сложных органических соединений, включая аминокислоты, но не являются настолько эффективными. Можно предполагать, что потоки заряженных частиц порождают ионизованные радикалы формамида, стимулирующие дальнейший органический синтез.

6. 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).

7. Результаты облучения протонамиодного формамида

8. Результаты облучения протонами смеси формамида и углистого хондрита

9. Результаты облучения протонами смеси формамида и ахондрита

10. Результаты облучения протонами смеси формамида и железного метеорита

11. Результаты облучения протонами смеси формамида и железо-каменного метеорита

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

13. Но, как следует из вышеперечисленного, такая возможность существовала! • В ранней Солнечной системе условия, благоприятные для земной формы жизни (для анаэробных микроорганизмов) м. возникнуть в недрах планетезималей или протопланетных тел, поскольку планеты земного типа сформировались только через 50-100 млн. лет. На основе наблюдений (напр., Бусарев, 2002, 2011) и расчетов (Busarev+, 2003) автором б. показано, что такими «инкубаторами» первичной жизни м. стать каменно-ледяные тела (КЛТ) в течение первых ~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.

14. Протопланетные тела по обе стороны от границы конденсации водяного льда 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).

15. 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).

16. 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).

17. 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.

18. СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!