КАМЕННО-ЛЕДЯНЫЕ ТЕЛА КАК ВОЗМОЖНЫЕ ИНКУБАТОРЫ ПЕРВИЧНОЙ ЖИЗНИ В. В. Бусарев Междисциплинарный коллоквиум Астрономического Общества Астрономического Общества. - презентация

1 КАМЕННО-ЛЕДЯНЫЕ ТЕЛА КАК ВОЗМОЖНЫЕ ИНКУБАТОРЫ ПЕРВИЧНОЙ ЖИЗНИ В. В. Бусарев Междисциплинарный коллоквиум Астрономического Общества 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 (NH 2 COH) лежат в основе зарождения жизни. Изучение химии облученного про тононами 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).Изучение химии облученного про тононами 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 NH 2 CHO во 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). NH 2 CHO (формамид) найден в ледяной составляющей межзвездной пыли, в плотных молекулярных облаках и про тозвездных 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 NH 2 CHO 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 пробиотических соединений из формамида в присутствии разных катализаторов ( десятков земных минералов и фрагментов 13 метеоритов различных химических групп ) при облучении их потоком про тонов. 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, Дофар 959, 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). Были отобраны образцы всех метеоритов основных классов ( железные, железокаменные, ахондриты и хондриты ): Каньон Дьябло, Кампо дель Сьело, Сихотэ - Алинь, Сеймчан, NWA 4482, Золотой бассейн, Дофар 959, 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 ( ° 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. Ранее было показано, что воздействие повышенных температур ( ° 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 про тонов с энергией 165 МэВ на фазотроне ОИЯИ в присутствии перечисленных катализаторов. 2013). 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 про тонами одного формамида

8 Результаты облучения про тонами смеси формамида и углистого хондрита

9 Результаты облучения про тонами смеси формамида и ахондрита

10 Результаты облучения про тонами смеси формамида и железного метеорита

11 Результаты облучения про тонами 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 NH 2 COH, наличию радиационных источников и катализаторов. Но могла ли жизнь возникнуть в открытом космосе?Но могла ли жизнь возникнуть в открытом космосе? Очевидно – нет. Условия, благоприятные для синтеза пред биологических 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, гг.). Возможно, это подтверждается обнаружениями бактериальных микро окаменелостей 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. микро окаменелости 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 про то планетных тел, поскольку планеты земного типа сформировались только через 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.В ранней Солнечной системе условия, благоприятные для земной формы жизни (для анаэробных микроорганизмов) м. возникнуть в недрах планетезималей или про то планетных тел, поскольку планеты земного типа сформировались только через 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. 26 Al, Т 1/2 = 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 про то планет. 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 26 Al 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, пред биолог. соединений и, возм., биолог. структур. Но H 2 O-C0 2 -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 26 Al) 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 про то-Юпитера достигла ~5-10 масс Земли, аккреция им меньших про то-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 про то-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

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 !