ИФХЭ РАН

Новости Масс-медиа Мы в СМИ Распад долгоживущих радиоактивных элементов в ранний период существования Земли создал условия для зарождения жизни

Распад долгоживущих радиоактивных элементов в ранний период существования Земли создал условия для зарождения жизни

07 февраля 2022 In Мы в СМИ

Человека с самых первых дней его появления на Земле интересовал вопрос: кто мы и откуда мы. Вопрос зарождения жизни можно назвать самым фундаментальным вопросом современной науки. Руководитель научного направления «Химия и технология радиоактивных  элементов, радиоэкология» ИФХЭ РАН член-корреспондент РАН Борис Григорьевич Ершов рассказал, как распад радиоактивных элементов на ранней Земле создал условия для химической эволюции вещества, появления кислорода и формирования первых органических молекул.

 

Распад долгоживущих радиоактивных элементов (калий-40, уран-235, уран-238 и торий-232) инициировал разложение воды Мирового океана и образование химически активных ионов и радикалов. Последующее взаимодействие этих активных частиц с растворенными в воде неорганическими веществами привело к появлению органических молекул,” кирпичиков” живых организмов (аминокислоты, сахара, основания и др.). Простейшие живые организмы возникли и развивались в среде этой органической «протоматерии» и эволюционировали в сложные многоклеточные организмы.

ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ ЗЕМЛИ

В первый период эволюции Земли, до зарождения жизни, на планете был очень высокий радиоактивный фон. Радиоактивных элементов было значительно больше. За 4.6 миллиарда лет распались многие долгоживущие изотопы, из-за чего изотопный состав земной коры сильно изменился. Например, уран U-235 (период полураспада 700 миллионов лет) сейчас почти полностью распался, но во времена зарождения Земли этот изотоп составлял почти половину от общего количества урана.

Период полураспада U-238 – почти равен современному возрасту Земли. Поэтому, примерно половина имевшегося во время рождения планеты урана-238 к настоящему времени распалась, породив цепочку дочерних изотопов с разным временем жизни, которая заканчивается образование стабильного изотопа свинца Pb-209.

Однако наибольший вклад в радиолиз Мирового океана на ранней Земле внес легкий элемент калий K-40. Его период полураспада 1,2 миллиарда лет, что примерно в 4 раза меньше предполагаемого возраста Земли. С времени образования Земли количество калия-40 уменьшилось примерно в 10 раз. Распад этого элемента может пойти по двум траекториям. Примерно 89% ядер калия-40 испускают электрон и образуют стабильное ядро кальция-40 (Ca-40). 11% ядер захватывают электрон с орбиты, в результате чего образуется ядро аргона-40 (Ar-40). Аргон — это третий по распространенности газ в атмосфере Земли (после азота и кислорода). Почти весь аргон в земной атмосфере представлен изотопом Ar-40 и является продуктом распада калия-40. Во Вселенной самым распространенным является другой стабильный изотоп аргона — аргон-36.

Зная содержание изотопов калия и урана в земной коре в настоящее время, можно посчитать, сколько вещества распалось за период земной эволюции. 4.6 миллиарда лет назад в земной коре присутствовало 810 миллиона тонн калия-40 (в 11 раз больше, чем сейчас), 9.2 миллиона тонн урана-238 (в 2 раза больше) и 2.84 миллиона тонн урана-235 (в 86 раз больше). При ядерных превращениях калия-40 выделилось больше всего энергии - окталлион (десять с двадцатью семью нулями) джоулей. Вклад урана значительно меньше. Выделившаяся в результате распада радиоактивных изотопов энергия огромна, и природная радиоактивность Земли, наряду с гравитационными силами, были основными причинами дифференциации земного вещества – образования ядра, мантии и коры. Поэтому понятно, что радиоактивность сыграла также определяющую роль в химической эволюции планеты.


ОБРАЗОВАНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ

В океане распад радиоактивных элементов вызывал сильнейшую ионизацию — на каждые 100 молекул воды приходился один свободный радикал. В такой ситуации неизбежны были многочисленные химические реакции с растворенными веществами.

Методом импульсного радиолиза уже воссозданы многие промежуточные реакции, которые могли происходить на ранней Земле. Оксид углерода CO, вполне вероятно, при радиолизе в водной среде приводил к образованию формальдегида HCHO, полимеризация которого в воде вела к появлению различных сахаров, включая рибозу и деоксирибозу. Простейшая аминокислота, глицин C2H5NO2, например, может собираться из радикалов •CHO и HN=C•H и молекулы воды. С цианистого азота (он же синильная кислота) HCN начинался, по-видимому, синтез аденина C5H5N5. Радикальные частицы рибозы -•C5H9O5 и аденина -•C5H5N5 при добавлении фосфорной группы формировали аденозинтрифосфат (АТФ) — многофункциональный источник энергии для биохимических процессов.

Поскольку радиолиз продолжался в течение сотен миллионов лет, за это время успевали сформироваться многочисленные поколения аминокислот, сахаров, фрагментов ДНК, РНК и АТФ.

Долгое время считалось, что первые органические молекулы образовались в атмосфере, состоящей из метана, аммиака, водорода и водяного пара, под действием ультрафиолетового излучения и грозовых разрядов. Миллер и Юри ещё в 50е годы XX века воссоздали эти условия в лаборатории и получили основные компоненты белков: глицин, аланин, аспарагиновую и амино-н-масляную кислоты. Впоследствии, меняя параметры эксперимента, удалось синтезировать 20 наиболее распространенных аминокислот.

Мировой океан с растворенными в нем природными радиоактивными изотопами представляется более удачной средой для биохимического синтеза. Химические реакции в водной среде могли идти при естественных для Земли температурах. Они протекали по всему объему океана, и их интенсивность зависела от распределения радиоактивных изотопов. Более того, вода не позволяла электрическим разрядам и ультрафиолету разрушать появившиеся молекулы.


ОКСИГЕНАЦИЯ ЗЕМЛИ

Важно также отметить, что концепция о важной роли радиоактивности в химической эволюции ранней Земли объясняет раннее насыщение атмосферы кислородом (приблизительно 3,8 млрд лет назад), который возникал при радиолизе воды. Это способствовало тому, что анаэробная атмосфера ранней планеты постепенно трансформировалась в аэробную. Расчеты показывают, что решающий вклад в оксигенацию вносил распад ионов 40К. Их распад дал 3,2 × 1017 кг кислорода ко времени 3,8 млрд лет назад, и 8,5•1017 кг - к настоящему времени. Это количество соизмеримо с современным содержанием кислорода в атмосфере планеты (1,2×1018 кг).

«Океан был одновременно конвертором и резервуаром для формирования пребиотических молекул, - объясняет Борис Григорьевич. - Также он оказался благоприятной средой и «колыбелью» для возникающей жизни».

 

По материалам: Boris G.Ershov. "Important role of seawater radiolysis of the World Ocean in the chemical evolution of the early Earth". Radiation Physics and Chemistry (2022). https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2022.109959

В других источниках: «Коммерсантъ». Наука 08/02/2022


Материал подготовлен: Ольга Макарова / пресс-служба ИФХЭ РАН

Публикуется в рамках Дня российской науки

Читать 985 times

Новостная рассылка

Чтобы быть в центре событий, присоединяйтесь к нашим новостям.

Наши контакты

Вы можете задать интересующий вопрос, удобным для Вас способом.

  • Тел.: +7 495 955 44 87

Поиск

Яндекс.Метрика