В книге излагается актуальная проблема современного естествознания - происхождение жизни. Она написана на основе самых современных данных геологии, палеонтологии, геохимии и космохимии, которые опровергают многие традиционные, но устаревшие представления о происхождении и развитии жизни на нашей планете. Глубокая древность жизни и биосферы, соизмеримая с возрастом самой планеты, позволяет автору сделать вывод: происхождение Земли и жизни - единый взаимосвязанный процесс.
Для читателей, интересующихся науками о Земле.
Книга:
| <<< Назад
|
Вперед >>>
|
Я удивляюсь только, что этот невероятно сложный механизм еще вообще работает. Когда думаешь о Жизни, становится ясно, как жалка и примитивна наша наука. Очевидно, что свойства живого существа предопределяются оплодотворенной клеткой, так и жизнь предопределена существованием атома, и таинство всего сущего заключается в самой низшей ступени,
А. ЭйнштейнВзаимоотношение зародышей жизни и ее предшественников - сложных соединений углерода - представляет собой первостепенную научную задачу. Первые опыты Л. Пастера, поставленные во второй половине XIX в., показали невозможность в современных условиях Земли зарождения жизни - простейших живых организмов. Это в какой-то мере привело к возникновению идей панспермии , согласно которым жизнь на Земле вообще никогда не зарождалась, а была занесена из космического пространства, где она существовала в виде зародышей. Наиболее характерными сторонниками этих представлений выступили Г. Гельмгольц и С. Аррениус, хотя ранее подобные идеи высказывались Ю. Либихом. По С. Аррениусу, частицы живого вещества - споры или бактерии, осевшие на микрочастицах космической пыли, силой светового давления переносятся с одной планеты на другую, сохраняя свою жизнеспособность. При попадании спор на планету с подходящими условиями для жизни они прорастают и дают начало биологической эволюции.
В несколько иных формах эти представления возрождаются в наше время. Например, Ф. Хойл выдвинул идею о возможности существования микроорганизмов в межзвездном пространстве. Согласно его представлениям, облака космической пыли сложены преимущественно бактериями и спорами. Предполагается, что в промежутке времени 4,6-3,8 млрд лет назад на Земле были возможны два события - или зарождение жизни на самой планете, или привнес микроорганизмов из космического пространства. Ф. Хойл и С. Викрамасинг в 1981 г. допустили, что последнее более вероятно. Согласно их расчетам, ежегодно в верхнюю атмосферу Земли поступает 10 18 космических спор, как остаток твердого материала, рассеянного в Солнечной системе. Таким образом, кометы являются переносчиками зародышей жизни, которые образовались ранее в межзвездном пространстве и лишь затем попали в облако Оорта.
Следует отметить крайнюю фантастичность высказанных представлений, которые не согласуются с известными экспериментальными данными. Однако несомненно, что жизнь связана с космосом по атомному составу и в энергетическом отношении. Это можно видеть из табл. 6, в которой даны величины относительного распространения элементов в космосе, в летучей фракции комет, в бактериях и млекопитающих. Обращает на себя внимание большая близость, а в отдельных случаях и тождественность космического вещества и живого вещества Земли. Главные элементы живого вещества - это широко распространенные элементы космоса. При этом Н, С, N, О - типичные биофильные элементы - наиболее широко распространены в природе.
Нетрудно сделать вывод, что живые организмы в первую очередь используют наиболее доступные атомы, которые, кроме того, способны образовывать устойчивые и кратные химические связи. Известно, что углерод может формировать длинные цепи, что приводит в возникновению бесчисленных полимеров. Сера и фосфор также могут образовывать кратные связи. Сера входит в состав белков, а фосфор - в состав нуклеиновых кислот.
В соответствующих условиях наиболее распространенные атомы соединяются друг с другом, образуя молекулы, которые обнаружены в космических облаках методами современной радиоастрономии. Большая часть известных космических молекул относится к органическим, включая наиболее сложные 8- и 11-атомные. Таким образом, в отношении состава космохимия Вселенной создает обширные возможности для различных комбинаций углерода с другими элементами по законам химической связи.
Однако проблема образования молекул в космических условиях относится к труднейшим проблемам космохимии. Собственно в межзвездной среде, даже в наиболее плотных ее участках, элементы находятся в условиях, далеких от термодинамического равновесия. В силу низкой концентрации вещества химические реакции в межзвездном пространстве крайне маловероятны. Поэтому было высказано предположение, что в построении межзвездных молекул принимают участие частицы космической пыли. В наиболее простом случае могут возникать молекулы водорода при контакте его атомов с твердыми частицами, Наиболее распространенные молекулы космоса СО, вероятно, способны зарождаться в условиях звездных атмосфер при достаточной плотности вещества и затем выбрасываться в космическое пространство.
В настоящее время все более четко вырисовывается роль твердой фазы в формировании молекул органических веществ в космическом пространстве. Наиболее вероятные модели этого процесса разработаны Дж. Гринбергом . По мнению ученого, частицы космической пыли имеют сложное строение и состоят из ядра преимущественно силикатного состава, окруженного оболочкой из органических веществ. В оболочке, по-видимому, происходят различные химические процессы, ведущие к усложнению строения первоначального вещества. Структура подобных пылевых частиц после первой стадии аккреции подтверждается путем экспериментального моделирования на смеси воды, метана, аммиака и других простых молекул, облученных ультрафиолетовой радиацией при температуре примерно 10 К. Каждая пылинка ведет свое начало от силикатного ядра, возникшего в атмосфере холодной звезды-гиганта. Вокруг ядра формируется ледяная оболочка. Под действием ультрафиолетового излучения некоторые молекулы оболочки (H 2 O СН 4 , NH 3) диссоциируют с образованием радикалов - реакционноспособных фрагментов молекул. Эти радикалы могут рекомбинировать с образованием других молекул. В результате длительного облучения может появиться более сложная смесь молекул и радикалов (HN 2 HCO, HOCO, СН 3 ОН, СН 3 С и др.). При разрушении пылинок под влиянием космических факторов возникшие на их поверхности соединения образуют молекулярные облака.
Если судить по огромным массам молекулярных облаков, то именно они - главные резервуары органического вещества в космосе. Однако найденные в них органические соединения оказываются относительно простыми и еще далекими от тех молекулярных систем, которые смогли бы обеспечить начало жизни на любом благоприятном планетном теле.
Особого внимания заслуживает нахождение органических веществ в метеоритах. Это очень важно для понимания процессов зарождения высокомолекулярных систем как предшественников жизни. Следует отметить, что метеориты совместно со своими родительскими телами - астероидами принадлежат к Солнечной системе. Далее возраст метеоритов, по данным ядерной геохронологии, 4,6-4,5 млрд лет, что в основном совпадает с возрастом Земли и Луны. Следовательно, метеориты, несомненно, являются свидетелями формирования различных химических соединений, в том числе и органических, на самых ранних этапах развития Солнечной системы.
В метеоритах найдены углеводороды, углеводы, пурины, пиримидины, аминокислоты, т.е. те химические соединения, которые входят в состав живого вещества, составляя его основу. Они встречены в углистых хондритах и астероидах определенных структуры и состава. Больше всего астероидов движется в поясе между Марсом и Юпитером. Если исходить из данных по космохимии комет, то Можно полагать, что область формирования органических соединений охватывала обширное пространство в пределах большей части объема первичной солнечной туманности. Естественно, что в освещении общей проблемы происхождения жизни мы не имеем права игнорировать данные о составе метеоритов. Это обстоятельство в различной степени учитывалось разными авторами гипотез о происхождении жизни. Таким образом, мы вправе сейчас рассматривать известные метеориты в качестве исторических документов - подлинных свидетелей ранней истории Солнечной системы, охватывающей также процессы формирования органических веществ.
Любой метеорит представляет собой твердое тело, состоящее из ряда минеральных фаз. Главными являются силикатная (каменная), металлическая (железоникелевая) и сульфидная (троилитовая). Встречаются также и другие фазы, но они имеют второстепенное значение по своему распространению. В метеоритах встречены различные минералы, число которых превышает 100, но главными породообразующими являются немногие (оливин, пироксен, полевые шпаты, никелистое железо, троилит и др.). Кроме того, в метеоритах встречено 20 минералов, которых нет в земной коре. К ним относятся карбиды, сульфиды и др., образование которых связано с резко восстановительными условиями. Наиболее существенны концентрации углерода, связанные с органическим веществом, в углистых хондритах.
Принципиально важные сведения об органическом веществе в метеоритах изложены в работах Г. П. Вдовыкина, Э. Авдерса, Р, Хаятсу, М. Штудира. Впервые органическое вещество в составе метеоритов выделил знаменитый химик И. Берцелиус при анализе углистого хондрита Алаис в 1834 г. Результаты его анализа были настолько впечатляющими, что сам он считал это вещество биологического происхождения. В течение XIX столетия химическими анализами было обнаружено присутствие в метеоритах твердых углеводородов, сложных соединений органики с серой и фосфором. Наиболее тщательно и обстоятельно изучались углистые хондриты, значительная часть углерода которых находится в виде органических соединений. Общее содержание углерода и некоторых других летучих веществ в углистых хондритах характеризуется следующими величинами (в вес. %):
Отсюда видно, что содержание углерода (а также серы и воды) максимально в углистых хондритах типа C1, a минимально в хондритах С3. Таким образом, в настоящее время не подлежит сомнению то обстоятельство что в родоначальных телах углистых хондритов в результате самих процессов их формирования возникли сложные органические соединения как закономерный итог химической эволюции ранней Солнечной системы.
Элементарный химический состав углистых хондритов за вычетом летучих веществ очень близок к составу обычных хондритов. Главные особенности различных типов углистых хондритов заключаются в следующем.
Тип C1 представлен непрочными черными камнями, при растирании пальцами рассыпающимися в пыль. Мелкозернистая масса составляет в них примерно 95%. В нее вкраплены хондры (микрохондры), состоящие из оливина и магнетита (размером 1-50 мкм). Минеральный состав метеорита этого типа представлен на рис. 9. Углистые хондриты типа C1 наиболее богаты органическими веществами абиогенного происхождения.
Тип С2 - это серовато-черные камни, значительно более плотные, чем C1. В основную мелкозернистую массу, составляющую 60% объема, вкраплены значительно более крупные хондры, чем у типа C1. Наблюдаются срастания первичных микрохондр в единый кристалл.
Тип С3 представляет собой твердые камни темно-серого, зеленовато-серого или серого цвета. Мелкозернистая масса занимает 35%. Хондры довольно крупные и хорошо выражены.
Распространенность многих химических элементов в углистых хондритах типа C1 обнаруживает ряд характерных отношений, сближающих их с веществом Солнца. Иначе говоря, эти углистые хондриты представляют собой застывшее солнечное вещество, лишенное легких газов.
Органические вещества, найденные в метеоритах, перечислены в табл. 7. Как видно, их список довольно внушительный. Большинство из этих соединений в той или иной степени соответствует универсальным звеньям обмена веществ , известных в живых организмах: аминокислот, белковоподобных полимеров, моно- и полинуклеотидов, порфиринов и других соединений. Близость к составу органических комплексов биологического происхождения оказалась настолько большой, что некоторые авторы стали даже допускать, что в прошлом живые организмы встречались непосредственно в самих метеоритах. По данному вопросу возникла оживленная дискуссия в 60-х годах. Однако тщательные исследования органических соединений из метеоритов не подтвердили наличия оптической активности, что свидетельствует о их абиогенном происхождении.
Сравнение органических веществ метеоритного происхождения с продуктами искусственных реакций типа Фишера-Тропша и ископаемыми органическими веществами биологического происхождения показывает их большую близость, в частности в отношении содержания некоторых углеводородов. Например, в метеоритах преобладают углеводороды с 16 атомами в молекуле, что также наблюдается в земных объектах и продуктах лабораторных экспериментов.
Метеориты являются осколками более крупных тел - астероидов, большая часть которых находится в астероидном поясе на расстоянии 2,3-3,3 а. е. от Солнца. За последние 10 лет в результате астрофизических наблюдений астероидов в области видимой части спектра и инфракрасных волн получены данные, имеющие первостепенное значение для установления генетических взаимоотношений между астероидами и метеоритами. Путем сравнения отражательной способности метеоритов и астероидов удалось установить, что почти все известные классы метеоритов имеют своих аналогов среди изученных астероидов.
В зависимости от отражательной способности астероиды подразделяются на две основные большие группы - темные, или С-астероиды, и относительно светлые, или S-астероиды. Для первых характерно низкое альбедо - менее 0,05, для вторых - свыше 0,1. По спектральным отражательным способностям группа С близка к углистым хондритам, a S - к железокаменным метеоритам и обычным хондритам. Последние фотометрические измерения в общем подтверждают единство материала метеоритов и астероидов. Поэтому все минеральные, химические и структурные особенности метеоритов, полученные и изученные в земных лабораториях, могут быть перенесены на астероиды.
В результате проведенных исследований удалось установить, что в разных областях астероидного пояса состав астероидов разный. В пределах Солнечной системы выявлена принципиально важная космохимическая закономерность: состав астероидов зависит от гелиоцентрического расстояния. Во внутренней части пояса астероидов находятся тела, близкие к обычным хондритам, но по мере увеличения расстояния от Солнца, в пределах 2,5-3,3 а. е., их становится меньше, а число астероидов типа углистых хондритов, которые занимают господствующее положение в середине и краевых частях астероидного пояса, увеличивается. В целом, по данным современных наблюдений, в астероидном поясе даже преобладают углисто-хондритовые тела.
Если действительно большинство астероидов имеет состав углистых хондритов, то вполне естественно, что они содержат много органического вещества, которое определяет их темную окраску и низкую отражательную способность. Так, самую низкую отражательную способность имеет астероид Бамберга (альбедо 0,03). Это темный и довольно крупный объект в астероидном поясе, имеющий поперечник около 250 км.
За последнее время большой интерес вызывают кометы. Были высказаны предположения, что они участвовали в возникновении жизни на Земле или во всяком случае могли внести определенный вклад в состав ее ранней атмосферы. Они могли и доставить на поверхность зарождавшейся планеты первые органические молекулы. Установилось мнение, что кометы лучше всего отражают первичные условия в Солнечной системе.
Большинство комет располагается на самой периферии Солнечной системы, в так называемом облаке Оорта. Они имеют чрезвычайно вытянутые орбиты и находятся в сотни и тысячи раз дальше от Солнца, чем Плутон. Из далекой области к Солнцу приближаются долгопериодические кометы. В целом комета представляет собой ком грязного снега. «Снег» в комете сложен обычным водяным льдом с примесью углекислого газа и других замерзших газов неизвестного состава. «Грязь» представляет собой частицы силикатных пород разного размера, вкрапленные в кометный лед. Можно полагать, что в связи с отсутствием химических взаимодействий кометы являются нетронутыми образцами первоначального вещества, из которого образовалась Солнечная система.
По мере приближения к Солнцу летучее вещество комет испаряется и отбрасывается световым давлением, образуя гигантский хвост. Все наблюдаемые кометные явления определяются процессами, связанными с выделением газов и пыли. Входящие в состав кометных хвостов ионы H + , OH - , O - и H 2 O + происходят в основном от молекул воды, хотя, по всей вероятности, присутствуют и другие соединения водорода. Атомы, радикалы, молекулы и ионы представляются в следующем виде: в кометах - C, C 2 , C 3 , CH, CN, CS, CH 3 CN, HCN, NH, NH 2 , O, OH, H 2 , O 2 , Na, S, Si; вблизи Солнца - Ca, CO, Cr, Cu, Fe, V; в хвосте - CH + , CO + , CO 2 + , CN + , N 2 + .
Всюду в кометах обнаруживаются биофильные элементы, в основном С, О, N и Н. В настоящее время о большой долей вероятности установлено, что кометные молекулы близки к тем, которые необходимы для пред-биологической эволюции. Они могут быть представлены молекулами аминокислот, пуринов, пиримидинов. Как отмечает А. Дельсемм , существует несколько групп данных, указывающих на то, что кометная пыль имеет природу хондритовых метеоритов. Во-первых, она состоит преимущественно из силикатов и соединений углерода. Во-вторых, соотношения металлов, испарившихся из комет при прохождении вблизи Солнца, соответствуют типичным для хондритов соотношениям. В-третьих, пылевые частицы космического происхождения, отражающие, вероятно, вещество комет, очень близки к составу материала углистых хондритов. И в самом деле, анализ образцов космической пыли указывает на то, что 80% или более пылевых частиц размером меньше 1 мм состоит из вещества, подобного углистым хондритам. Некоторые ученые сравнили содержание углерода в кометах и углистых хондритах и пришли к заключению, что не менее 10% вещества комет представляет собой органические соединения. Природа обнаруженных в кометах химических соединении указывает на большую вероятность того, что порождающие их молекулы по своей сложности сравнимы по крайней мере с молекулами межзвездного пространства.
Таким образом, все данные по космохимии метеоритов, астероидов и комет свидетельствуют о том, что образование органических соединений в Солнечной системе на ранних стадиях ее развития было типичным и массовым явлением. Наиболее интенсивно оно проявилось в пространстве будущего кольца астероидов, но охватывало в разной степени и другие области протопланетной солнечной туманности, включая, вероятно, ту область, из которой возникла Земля. Однако химическая эволюция вещества протосолнечной туманности, дойдя до определенного этапа формирования сложных органических соединений, оказалась как бы замороженной в большинстве тел Солнечной системы, и лишь на Земле она продолжалась, достигнув невероятной сложности в виде живого вещества.
| <<< Назад
|
Вперед >>>
|
Природа щедро разбросала свои материальные ресурсы по нашей планете. Но нетрудно заметить зависимость: чаще всего человек использует те вещества, запасы сырья которых ограничены, и наоборот, крайне слабо использует такие химические элементы и их соединения, сырьевые ресурсы которых почти безграничны. В самом деле, 98,6% массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов: железо (4,6%) , кислород (47%), кремний (27,5%), магний (2,1%), алюминий (8,8%), кальций (3,6%), натрий (2,6%), калий (2,5%), никель. Более 95% всех металлических изделий, конструкций самых разнообразных машин и механизмов, транспортных путей производятся из железорудного сырья. Ясно, что такая практика расточительна с точки зрения как исчерпания ресурсов железа, так и энергетических затрат на первичную обработку железорудного сырья.
Глядя на приведенные здесь данные о распространенности восьми названных химических элементов, можно смело утверждать о больших возможностях в использовании алюминия, а затем магния и, может быть, кальция в создании металлических материалов ближайшего будущего,но для этого должны быть разработаны энергоэкономичные методы производства алюминия с целью получения хлорида алюминия и восстановления последнего до металла. Этот метод был уже опробован в ряде стран и дал основание для проектирования алюминиевых заводов большой мощности. Но выплавка алюминия в масштабах, сопоставимых с производством чугуна, стали и ферросплавов, еще не может быть реализована в самое ближайшее время, потому что эта задача должна решаться параллельно с разработкой соответствующих алюминиевых сплавов, способных конкурировать с чугуном, сталью и другими материалами из железорудного сырья.
Широкая распространенность кремния служит постоянным укором человечеству в смысле чрезвычайно низкой степени использования этого химического элемента в производстве материалов. Силикаты составляют 97% всей массы земной коры. И это дает основание утверждать, что именно они должны быть основным сырьем для производства практически всех строительных материалов и полуфабрикатов при изготовлении керамики, способной конкурировать с металлами. Надо, кроме того, принимать во внимание еще и огромные скопления промышленных отходов силикатного характера, таких, как "пустая порода" при добыче угля, "хвосты" при добыче металлов из руд, зола и шлаки энергетического и металлургического производства. И как раз эти силикаты необходимо в первую очередь превращать в сырье для строительных материалов. С одной стороны, это обещает большие выгоды, так как сырье не надо добывать, оно в готовом виде ждет своего потребителя. А с другой - его утилизация является мерой борьбы с загрязнением окружающей среды.
В космосе наиболее широко распространены лишь два элемента - водород и гелий, все остальные элементы можно рассматривать только как дополнение к ним.
Вопрос 54. Развитие представлений о химическом строение вещества. Химические соединения.
Химией называют науку о химических элементах и их соединениях.
История развития химических концепций начинается с древних времен. Демокрит, Эпикур высказывали гениальные мысли о том, что все тела состоят из атомов различной величины и разной формы, что и обусловливает их качественное различие. Аристотель и Эмпедокл считали, что в телах сочетаются
Первый по-настоящему действенный способ определения свойств вещества был предложен во второй половине XVII в. английским ученым Р. Бойлем (1627-1691).Результаты экспериментальных исследований Р. Бойля показали, что качества и свойства тел зависят от того, из каких материальных элементов они состоят.
В 1860 г. выдающимся русским химиком А.М. Бутлеровым (1828-1886) была создана теория химического строения вещества - возник более высокий уровень развития химических знаний - структурная химия.
В этот период зарождалась технология органических веществ.
Под влиянием новых требований производства возникло учение о химических процессах, в котором учитывалось изменение свойств вещества под влиянием температуры, давления, растворителей и других факторов, заменяющих дерево и металл в строительных работах, пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных материалов.
В 1960-1970 гг. появился следующий, более высокий, уровень химических знаний - эволюционная химия. В основе ее лежит принцип самоорганизации химических систем, т. е. принцип применения химического опыта высокоорганизованной живой природы.
До недавнего времени химики считали ясным, что следует относить к химическим соединениям, а что - к смесям. Еще в 1800-1808 гг. французский ученый Ж. Пруст (1754-1826) установил закон постоянства состава: любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом, прочным притяжением составных частей (атомов) и тем отличается от смесей
С конца XIX в. возобновились исследования, подвергавшие сомнению абсолютизацию закона постоянства состава. Выдающийся русский химик Н.С. Курнаков (1860-1941) в результате исследований интерметаллических соединений, т. е. соединений, состоящих из двух металлов, установил образование настоящих индивидуальных соединений переменного состава и нашел границы их однородности на диаграмме "состав-свойство", отделив от них области существования соединений стехиометрического состава. Химические соединения переменного состава он назвал бертоллидами , а за соединениями постоянного состава оставил названиедальтониды .
Как показали результаты физических исследований, суть проблемы химических соединений состоит не столько в постоянстве или непостоянстве химического состава, сколько в физической природе химических связей, объединяющих атомы в единую квантово-механическую систему - молекулу.
Число химических соединений огромно. Они отличаются как составом, так и химическими и физическими свойствами. Но все же химическое соединение - качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов.
Современным астрономам известно около трех с половиной тысяч экзопланет, которые находятся от нас на расстоянии от четырех до двадцати восьми тысяч световых лет. Некоторые из них очень . Попасть на какую-нибудь из них в обозримом будущем будет сложно - разве что человечество совершит огромный технологический скачок. Тем не менее, экзопланеты уже сегодня представляют собой огромный интерес с точки зрения астрохимии. Об этом - наш новый материал, написанный в партнерстве с Уральским федеральным университетом .
Основную часть вещества Вселенной (если говорить о барионном веществе) составляет водород - около 75 процентов. На втором месте идет гелий (около 23 процентов). Однако в космосе можно найти самые разнообразные химические элементы и даже сложные молекулярные соединения, включая органические. Изучением процессов образования и взаимодействия химических соединений в космосе занимается астрохимия . Представителям этой специальности очень интересно исследовать экзопланеты, потому что на них могут реализоваться самые разные сценарии, которые приведут к появлению необычных соединений.
Радуга на службе у астрономов
Основным инструментом получения информации о химическом составе отдаленных объектов является спектроскопия . Она использует тот факт, что атомы химических элементов (или молекулы соединений) могут излучать или поглощать свет только на определенных частотах, отвечающих переходам системы между различными уровнями энергии. В результате формируется спектр излучения (или поглощения), по которому можно однозначно определить вещество. Это как отпечатки пальцев, только для атомов.
Наглядным примером разложения света в спектр является радуга. Нам переходы от одного цвета к другому кажутся плавными и непрерывными, а на самом деле некоторых цветов в радуге нет, потому что определенные длины волн поглощаются содержащимися в Солнце водородом и гелием. Кстати, гелий впервые открыли именно по наблюдению за спектром Солнца (поэтому он и называется «гелий», от др.-греч. ἥλιος - «солнце»), а в лаборатории его выделили только через 27 лет. Это был первый успешный пример использования спектроскопии для изучения звезд.
Фраунгоферовы линии поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы Солнца.
Wikimedia commons
В простейшем случае атома водорода спектр излучения представляет собой серию линий, отвечающих переходам между уровнями с различными значениями главного квантового числа n (эта картина хорошо описывается формулой Ридберга). Самой известной и удобной для наблюдений является линия Бальмера Hα, имеющая длину волны 656 нанометров и лежащая в области видимого спектра. Например, на этой линии астрономы наблюдают за далекими галактиками и распознают облака молекулярного газа, которые в большинстве своем как раз состоят из водорода. Следующие серии линий (Пашена, Брэкета, Пфунда и так далее) целиком лежат в инфракрасном диапазоне, а серия Лаймана расположена в области ультрафиолетового излучения. Это несколько усложняет наблюдения.
В то же время у молекул сложных соединений есть другой способ излучать кванты света, в каком-то смысле даже более простой. Связан он с тем, что вращательная энергия молекулы квантуется, что также позволяет им излучать в линиях (кроме того, они могут излучать и непрерывный спектр). Энергия таких квантов света не очень большая, поэтому их частота лежит уже в радиодиапазоне. Один из самых простых вращательных спектров принадлежит молекуле угарного газа CO, по ней астрономы тоже часто распознают облака холодного газа, когда не могут разглядеть в них водород. Методы радиоастрономии позволили найти в молекулярных облаках также метанол, этанол, формальдегид, синильную и муравьиную кислоту, а также другие элементы. Например, именно с помощью радиотелескопа ученые алкоголь в хвосте кометы Лавджоя.
Что можно найти в космосе
Проще всего методы спектроскопии применять для изучения химического состава звезд. В этом случае астрономы исследуют спектры поглощения, а не излучения элементов. В самом деле, свет от них легко наблюдать, особенно в видимом диапазоне. Правда, химический состав звезд сам по себе обычно не очень интересен: по большей части они состоят из водорода и гелия с небольшой примесью тяжелых элементов.
Более тяжелые элементы образуются во вспышках сверхновых, и их тоже можно наблюдать. Например, некоторые ученые утверждают, что после недавно слияния двух нейтронных звезд должны были образоваться огромные количества золота, платины и других элементов из последних строк таблицы Менделеева. Но так или иначе, очень сложные или органические соединения в звездах существовать не могут, поскольку они обязательно распадаются из-за больших температур.
Другое дело - облака холодного межзвездного газа. Они очень сильно разрежены и излучают гораздо слабее, чем звезды, зато сами по себе гораздо больше. И состав у них более интересный. В них можно найти огромное число самых разных молекул - начиная от простых двухатомных и заканчивая относительно сложными многоатомными органическими соединениями. Среди сложных молекул особенно стоит выделить «пребиотические» соединения, например, аминоацетонитрил , который может участвовать в образовании глицина, простейшей аминокислоты. Некоторые ученые предполагают, что в молекулярных облаках может образоваться и рибоза, один из основных кирпичиков органической жизни. Если такие соединения попадут в благоприятные условия, это уже будет ступенькой для возникновения жизни.
Изображение туманности Ориона M42, полученное Коуровской астрономической обсерваторией УрФУ. Красный цвет - это результат рекомбинации в линии излучения Hα на длине волны 656,3 нанометра.
Чуть ближе к планетам
К сожалению, для определения химического состава экзопланет метод спектроскопии применить сложно. Все-таки для этого нужно зарегистрировать свет от них, а звезда, вокруг которой вращается планета, мешает это сделать, поскольку она светит намного ярче. Пытаться наблюдать за такой системой - все равно что смотреть на свет спички на фоне прожектора.
Тем не менее, некоторую информацию об экзопланете можно получить, не измеряя спектр ее излучения напрямую. Хитрость заключается в следующем. Если у планеты есть атмосфера, она должна поглощать часть излучения звезды, причем в разных спектральных диапазонах по-разному. Грубо говоря, на одной длине волны планета будет казаться чуть меньше, а на другой длине - чуть больше. Это позволяет строить предположения о свойствах атмосферы, в частности, о ее химическом составе. Такой способ наблюдений особенно хорошо работает на горячих, близко расположенных к звездам планетах, потому что их радиус проще измерять.
Кроме того, химический состав планеты должен быть связан с составом газопылевого облака, из которого она образовалась. Например, в облаках с большим отношением концентраций атомов углерода к атомам кислорода образующиеся планеты будут состоять преимущественно из карбонатов. С другой стороны, химический состав звезды, образовавшейся из такого облака, также должен отражать его состав. Это позволяет строить некоторые предположения, основываясь на изучении спектра одной только звезды. Так, астрономы из Йельского университета проанализировали данные о химическом составе 850 звезд и обнаружили, что в 60 процентах систем концентрации магния и кремния в звезде указывают на то, что рядом с ней могут находиться каменистые планеты, похожие на Землю. В оставшихся 40 процентах химический состав звезд говорит нам о том, что состав планет вокруг них должен существенно отличаться от земного.
Вообще говоря, в последнее время прямая спектроскопия особенно горячих планет на фоне тусклых звезд все-таки стала возможна благодаря возросшей точности измерительных приборов. В этом случае уже можно искать в их свете следы различных химических элементов и сложных соединений. Например, с помощью ИК-спектрографа CONICA, установленного на телескопе VLT и объединенного с системой адаптивной оптики NAOS, ученым удалось измерить спектр экзопланеты HR 8799 c, которая вращается вокруг белого карлика и разогрета так сильно, что сама излучает свет. В частности, из анализа ее спектра следовало, что в атмосфере планеты содержится меньше, чем ожидалось, метана и угарного газа. Также совсем недавно астрономы измерили спектр другого «горячего юпитера», в его атмосфере оксид титана. Тем не менее, непосредственные измерения спектра менее горячих каменистых планет (на которых существование жизни более вероятно) до сих пор представляет большую сложность.
Изображение системы HR 8799. Планета HR 8799 c находится в правом верхнем углу
Jason Wang et al / NASA NExSS, W. M. Keck Observatory
Состав планеты можно также определить косвенно, рассчитав ее плотность. Для этого нужно знать радиус и массу планеты. Массу можно найти, наблюдая за гравитационным взаимодействием планеты со звездой или другими планетами, а радиус оценить по изменению блеска звезды при прохождении планеты по ее диску. Очевидно, газовые планеты должны иметь меньшую плотность по сравнению с каменистыми. Например, средняя плотность Земли равна примерно 5,5 грамма на кубический сантиметр, и для поиска обитаемых планет астрономы ориентируются именно на это значение. В то же время плотность «самого рыхлого горячего юпитера» составляет 0,1 грамма на кубический сантиметр.
«Невозможные» соединения
С другой стороны, экзопланеты можно изучать и вовсе не выходя из лаборатории, как бы странно это ни звучало. Речь идет о моделировании (в основном численном) химических и физических процессов, которые должны на них происходить. Из-за того что условия на экзопланетах могут быть самые экзотические (простите за каламбур), вещества на них могут образоваться тоже самые необычные, «невозможные» в привычных для нас условиях.
Большинство открытых экзопланет относится к «горячим юпитерам» - сильно разогретым из-за небольшого расстояния до звезды газовым гигантам. Конечно, это не обязательно означает, что такие планеты преобладают в звездных системах, просто их легко найти. Температура атмосферы таких гигантов может превышать тысячу градусов по Цельсию, и состоит она в основном из паров силикатов и железа (при такой температуре оно начинает испаряться, но еще не кипит). В то же время, давление внутри этих планет должно достигать огромных значений, при которых водород и другие привычные для нас газы переходят в твердые агрегатные состояния. Эксперименты по моделированию подобных экстремальных условий проводятся давно, однако впервые металлический водород только в январе этого года.
С другой стороны, в недрах каменистых планет также могут достигаться большие давления и температуры, а «зоопарк» химических элементов там может быть даже больше. Например, по некоторым оценкам, давление внутри каменистых планет с массами в несколько земных масс может достигать значений до 30 миллионов атмосфер (внутри Земли давление не превышает четырех миллионов атмосфер). С помощью компьютерного моделирования удалось выяснить , что в таких условиях начинают образовываться экзотические соединения магния, кремния и кислорода (которых в составе каменистых планет должно быть много). Например, при давлениях более 20 миллионов атмосфер стабильными становится не только привычный для нас оксид кремния SiO 2 , но и «невозможные» SiO и SiO 3 . Также интересно, что в недрах особенно массивных планет (до 20 масс Земли) может образоваться MgSi 3 O 12 - оксид, обладающий свойствами электрического проводника.
Нестандартные условия можно моделировать не только на компьютере, но и в лаборатории, пусть и не для такого большого диапазона давлений и температур. С помощью алмазной наковальни можно получить давления до 10 миллионов атмосфер, как раз соответствующие условиям в недрах планет, а разогреть образец до высоких температур можно лазером. Эксперименты по моделированию таких условий действительно активно проводятся в последнее время. Например, в 2015 году группа ученых, в состав которой входили российские исследователи, экспериментально наблюдали образование пероксида магния MgO 2 уже при давлениях около 1,6 тысяч атмосфер и температурах больше двух тысяч градусов Цельсия. Подробно об исследованиях поведения вещества при больших давлениях вы можете прочитать в .
Рентгеновская спектроскопия образца, состоящего из атомов магния и кислорода, при давлении около десяти тысяч атмосфер и температуре около двух тысяч Кельвин. Пунктиром выделена область с повышенным содержанием кислорода.
S. Lobanov et al / Scientific Reports
***
В УрФУ есть группа ученых, которые занимаются изучением протопланетного вещества в дальнем космосе и Солнечной системе. Мы попросили ведущего специалиста Коуровской астрономической обсерватории УрФУ Вадима Крушинского более подробно рассказать об изучении экзопланет.
N +1: Зачем мы изучаем экзопланеты?
Вадим Крушинский: Еще 25 лет назад нам было известно о существовании единственной планетной системы - Солнечной. Теперь же мы уверены в том, что планеты есть у огромного числа звезд, возможно, почти у каждой звезды во Вселенной. Прогресс технологий получения и обработки данных привел к тому, что найти свою экзопланету может даже продвинутый любитель астрономии. Открытие очередного «горячего юпитера» - это открытие целой планетной системы, просто мы видим только самую заметную ее часть. Планеты меньшего размера или находящиеся дальше от родительской звезды открываются гораздо реже, это эффект наблюдательной селекции.
Вадим Крушинский в составе группы ученых Уральского федерального университета работает над проектом по исследованию протопланетного вещества в дальнем космосе, Солнечной системе и на Земле.
Это один из шести прорывных научных проектов университета, им занимается стратегическая академическая единица (САЕ) - Институт естественных наук и математики УрФУ - вместе с академическими и индустриальными партнерами из России и других стран. От успеха исследователей зависят позиции университета в российских и международных рейтингах, прежде всего в предметных.
Единичный эксперимент не позволяет делать выводы о наблюдаемом явлении. Эксперимент должен быть повторен многократно и независимо. Каждая открытая экзопланетная система - это отдельный независимый эксперимент. И чем больше их известно, тем надежнее прослеживаются общие законы происхождения и эволюции планетных систем. Нам необходимо набирать статистику!
Что же можно узнать об экзопланетах, наблюдая за ними с таких больших расстояний?
Прежде всего нужно определить свойства родительской звезды. Это позволяет вычислить размеры планет, их массу и радиусы орбит. Зная светимость родительской звезды и радиус орбиты, можно оценить температуру поверхности экзопланеты. Кроме того, атмосферы планет имеют разную прозрачность в разных спектральных диапазонах (об этом писал еще Ломоносов). Для наблюдателя это выглядит как разный диаметр планеты при наблюдении в разных фильтрах. Это позволяет обнаружить атмосферу и оценить ее толщину и плотность. Свет родительской звезды, прошедший через атмосферу планеты во время транзита, несет информацию о составе ее атмосферы. А во время вторичного затмения, когда планета прячется за свою звезду, мы можем наблюдать изменения спектра, связанные с отражением от атмосферы и поверхности планеты. Так же, как и у Луны, у экзопланет можно наблюдать фазы. Если изменения блеска системы, вызванные этим эффектом, не постоянны, то это говорит о том, что альбедо планеты (способность отражать свет) меняется. Например, вследствие движения облаков в ее атмосфере.
Свойства экзопланет должны быть связаны со свойствами родительских облаков. Изучая материю на стадии звездообразования, мы вносим вклад в понимание эволюции планетных систем. К сожалению, Земля претерпела значительные изменения в ходе истории, и уже мало напоминает то протопланетное вещество, из которого когда-то родилась. Но совсем рядом с нами летают метеориты и кометы. Некоторые из них даже падают на Землю и попадают в лаборатории. До каких-то из них могут долететь космические аппараты. Прямо перед нами отличный объект исследования! Остается только доказать, что и другие планетные системы эволюционировали так же, как наша.
Можно ли найти жизнь на других планетах?
Для этого нужно обнаружить биомаркеры - проявления жизнедеятельности организмов. Лучшим биомаркером были бы передачи условного «Первого канала», но сойдет и наличие кислорода. Без жизни кислород на Земле был бы связан и исчез из атмосферы за десяток тысяч лет. Обнаружив кислород в атмосферах экзопланет, мы сможем утверждать, что не одиноки во Вселенной. Как его найти, было рассказано выше. Но вот только приборов с достаточной чувствительностью пока нет. Прорыв в этом направлении ожидается после запуска космического телескопа им. Джеймса Вебба (JWST).
Что могут сделать в этой области ученые из России и, в частности, из УрФУ?
Несмотря на то, что в плане изучения экзопланет Россия отстает от остального научного сообщества, у нас есть возможность сократить это отставание. Относительно малобюджетные программы по поиску экзопланетных систем (пилотный проект KPS Коуровской обсерватории УрФУ) позволят сделать первый шаг и помогут в наборе данных для статистического анализа. Высокоточные фотометрические измерения можно проводить и на имеющемся оборудовании, это позволяет искать атмосферы у некоторых экзопланет. Спектральные наблюдения во время транзитов и вторичных затмений относительно доступны для крупнейших телескопов России. Что нужно сделать для старта этих программ - найти заинтересованных людей и оплатить их работу. Немного вложиться в оборудование.
Второе направление - моделирование и интерпретация наблюдаемых эффектов. Это может быть как теоретическая работа, так и экспериментальная - исследование поведения и свойств образцов в условиях космоса и сравнение с наблюдаемыми эффектами. Для этого необходимо создание установки, имитирующей условия космического пространства. В качестве образцов можно использовать метеориты из коллекции УрФУ.
Дмитрий Трунин
В то время как «горячими» ядерными процессами в космосе - плазменным состоянием , нуклеогенезом (процессом элементов) внутри звёзд и др. - в основном занимается физика. - новая область знания, получившая значительное развитие во 2-й половине 20 в. главным образом благодаря успехам космонавтики. Ранее исследования химических процессов в космическом пространстве и состава космических тел осуществлялись в основном путём излучения Солнца, звёзд и, отчасти, внешних слоев планет. Этот метод позволил открыть элемент на Солнце ещё до того, как он был обнаружен на Земле. Единственным прямым методом изучения космических тел был и фазового состава различных метеоритов, выпадавших на Землю. Так был накоплен значительный материал, имеющий фундаментальное значение и для дальнейшего развития . Развитие космонавтики, полёты автоматических станций к планетам Солнечной системы - Луне, Венере, Марсу - и, наконец, посещение человеком Луны открыли перед совершенно новые возможности. Прежде всего - это непосредственное исследование Луны при участии космонавтов или путём забора образцов автоматическими (подвижными и стационарными) аппаратами и доставка их на Землю для дальнейшего изучения в химических лабораториях. Кроме того, автоматические спускаемые аппараты сделали возможным изучение и условий его существования в и на поверхности др. планет Солнечной системы, прежде всего Марса и Венеры. Одна из важнейших задач изучение на основе состава и распространённости космических тел, стремление объяснить на химической основе их происхождение и историю. Наибольшее внимание в уделяется проблемам распространённости и распределения . Распространённость в космосе определяется нуклеогенезом внутри звёзд. Химический состав Солнца, планет земного типа Солнечной системы и метеоритов, по-видимому, практически тождествен. Образование ядер связано с различными ядерными процессами в звёздах. Поэтому на разных этапах своей различные звёзды и звёздные системы имеют неодинаковый химический состав. Известны звёзды с особенно сильными спектральными линиями Ва или Mg или Li и др. Распределение по фазам в космических процессах исключительно разнообразно. На агрегатное и фазовое состояние в космосе на разных стадиях его превращений оказывают разностороннее влияние:1) огромный диапазон , от звёздных до абсолютного нуля; 2) огромный диапазон , от миллионов в условиях планет и звёзд до космического ; 3) глубоко проникающие галактическое и солнечное излучения различного состава и интенсивности; 4) излучения, сопровождающие превращения нестабильных в стабильные; 5) магнитное, гравитационное и др. физические поля. Установлено, что все эти факторы влияют на состав внешней коры планет, их газовых оболочек, метеоритного , космической и др. При этом процессы фракционирования в космосе касаются не только атомного, но и изотопного состава. Определение изотопных , возникших под влиянием излучений, позволяет глубоко проникать в историю процессов образования планет, астероидов, метеоритов и устанавливать возраст этих процессов. Благодаря экстремальным условиям в космическом пространстве протекают процессы и встречаются состояния , не свойственные Земле: плазменное состояние звёзд (например, Солнца); конденсирование Не, На, CH 4 , NH 3 и др. легколетучих в больших планет при очень низких ; образование нержавеющего в космическом при на Луне; хондритовая структура каменных метеоритов; образование сложных органических в метеоритах и, вероятно, на поверхности планет (например, Марса). В межзвёздном пространстве обнаруживаются в крайне малых и многих элементов, а также ( , и т. д.) и, наконец, идёт синтез различных сложных (возникающих из первичных солнечных Н, CO, NH 3 , O 2 , N 2 , S и других простых соединений в равновесных условиях при участии излучений). Все эти органические в метеоритах, в межзвёздном пространстве - оптически не активны.
С развитием астрофизики и некоторых др. наук расширились возможности получения информации, относящейся к . Так, поиски в межзвёздной среде ведутся посредством методов радиоастрономии. К концу 1972 в межзвёздном пространстве обнаружено более 20 видов , в том числе несколько довольно сложных органических , содержащих до 7 . Установлено, что наблюдаемые их в 10-100 млн. раз меньше, чем . Эти методы позволяют также посредством сравнения радиолиний изотопных разновидностей одной (например, H 2 12 CO и H 2 13 CO) исследовать изотопный состав межзвёздного и проверять правильность существующих теорий происхождения .
Исключительное значение для познания космоса имеет изучение сложного многостадийного процесса низкотемпературной , например перехода солнечного в твёрдое планет Солнечной системы, астероидов, метеоритов, сопровождающегося конденсационным ростом, аккрецией (увеличением массы, «нарастанием» любого путём добавления частиц извне, например из газопылевого облака) и агломерацией первичных агрегатов (фаз) при одновременной потере летучих в космического пространства. В космическом , при относительно низких (5000-10000 °С), из остывающей последовательно выпадают твёрдые фазы разного химического состава (в зависимости от ), характеризующиеся различными энергиями связи, окислительными потенциалами и т. п. Например, в хондритах различают силикатную, металлическую, сульфидную, хромитную, фосфидную, карбидную и др. фазы, которые агломерируются в какой-то момент их истории в каменный метеорит и, вероятно, подобным же образом и в планет земного типа.
Далее в планетах происходит процесс дифференциации твёрдого, остывающего на оболочки - металлическое ядро, силикатные фазы (мантию и кору) и - уже в результате вторичного разогревания планет теплотой радиогенного происхождения, выделяющейся при распаде радиоактивных , и и, возможно, других элементов. Такой процесс выплавления и при вулканизме характерен для Луны, Земли, Марса, Венеры. В его основе лежит универсальный принцип зонного , разделяющего легкоплавкое (например, коры и ) от тугоплавкого мантии планет. Например, первичное солнечное CaSiO 3 + CO 2 достигает равновесного состояния, при котором в ней содержится 97% CO 2 при 90 атм. Пример Луны говорит о том, что вторичные (вулканические) не удерживаются небесным телом, если его масса невелика.
Соударения в космическом пространстве (либо между частицами метеоритного , либо при налёте метеоритов и др. частиц на поверхность планет) благодаря огромным космическими скоростям движения могут вызвать тепловой , оставляющий следы в структуре твёрдых космических тел, и образование метеоритных кратеров. Между космическими телами происходит . Например, по минимальной оценке, на Землю ежегодно выпадает не меньше 1× в другие, а в общем случае - к изменению изотопного или атомного состава »,1971, в. 11; Аллер Л. Х., пер. с англ., М., 1963; Сиборг Г. Т., Вэленс Э. Г., Элементы Вселенной, пер. с англ., 2 изд., М., 1966; Merrill P. W., Space chemistry, Ann Arbor, 1963; Spitzer L., Diffuse matter in space, N. Y.,1968; Snyder L. E., Buhl D., Molecules in the interstellar medium, «Sky and Telescope», 1970, v. 40, p. 267, 345.
В окружающей нас земной обстановке нет ничего, что хотя бы в отдаленной степени напоминало сверхразреженную межзвездную среду. Самым легким веществом обычно принято считать воздух. Однако по сравнению с любой межзвездной туманностью воздух выглядит образованием необычно плотным.
Кубический сантиметр комнатного воздуха имеет массу, близкую к одному миллиграмму; масса туманности Ориона в том же объеме в 100 000 000 000 000 000 (10 17) раз меньше. Прочесть это число нелегко. Но еще труднее наглядно представить себе столь большую степень разреженности вещества.
Плотность межзвездных газовых туманностей (10-20 г/см З) так ничтожна мала, что массой в один миллиграмм будет обладать газовое облако объемом в 100 кубических километров!
В технике стремятся в некоторых случаях получить вакуум - весьма разреженное состояние газов. Путем довольно сложных ухищрений удается уменьшить плотность комнатного воздуха в 10 миллиардов раз. Но и такая «техническая пустота» все же оказывается в миллион раз более плотной, чем любая газовая туманность!
В комнатном воздухе молекул так много, что им приходится непрерывно сталкиваться друг с другом. Ни одной из них не у дается пролететь более чем тысячную долю сантиметра, чтобы не столкнуться с какой-нибудь из своих соседок. В газовых туманностях простора куда больше. Каждый из атомов может здесь спокойно лететь миллионы километров, не опасаясь столкновения с другим атомом.
Не только на Земле, но и в пределах Солнечной системы мы не знаем образований, которые по своей разреженности могли бы соперничать с газовыми туманностями. Даже кометы выглядят рядом с туманностями столь же плотными, как сталь по сравнению с воздухом. Плотность газов в головах комет в тысячи раз больше плотности межзвездных туманностей.
Может показаться странным, почему столь разреженная среда на фотографиях кажется сплошным и даже плотным светящимся облаком, тогда как воздух настолько прозрачен, что почти не искажает наблюдаемую сквозь него картину Вселенной. Причина заключается, конечно, в размерах туманностей. Они так грандиозны, что представить себе объем, ими занимаемый, нисколько не легче, чем ничтожную их плотность.
В среднем туманности имеют поперечники, измеряемые световыми годами или даже десятками световых лет. Это означает, что если Землю уменьшить до размеров булавочной головки, то в таком масштабе туманность Ориона должна быть изображена облаком величиной с земной шар! Поэтому, несмотря на ничтожную плотность составляющих её газов, вещества туманности Ориона все же вполне хватило бы на «изготовление» нескольких сотен таких звезд, как наше Солнце.
Мы находимся от туманности Ориона на расстоянии, которое свет преодолевает за 1800 лет. Благодаря этому мы видим её всю целиком. Если же в будущем при межзвездных перелетах путешественники окажутся внутри туманности Ориона, то заметить это будет нелегко - рассматриваемая «изнутри» эта замечательная туманность покажется почти идеально прозрачной.
Свечение газовых туманностей может быть вызвано разными причинами. В тех случаях, когда соседняя с туманностью звезда весьма горяча (с температурой поверхности, большей 20000 К), атомы туманности переизлучают энергию, получаемую от звезды, и процесс свечения носит характер люминесценции. С другой стороны, постоянно движущиеся газовые облака иногда сталкиваются друг с другом и энергия столкновения частично преобразуется в излучение. Разумеется, эти причины могут действовать и совместно.
Как ни эфемерны по своей плотности газовые туманности, межзвездная среда еще в десять тысяч раз более разрежена. Согласитесь, что межзвездной газовой среде название «видимое ничто» подходит в гораздо большей степени, чем кометам.