Синтез простых низкомолекулярных органических соединений

Химическая эволюция

Органический синтез мог начаться еще в газово-пылевом протопланетном облаке из водорода, азота, угарного газа и цианистого водорода вполне обычных в космосе. Непременным условием является присутствие твердых частиц катализаторов, содержащих железо, никель и кремний. Абиогенный синтез органики продолжался уже на Земле - энергия была в изобилии. Во-первых, ультрафи­олетовые лучи, испускаемые Солнцем. Сейчас они лишь в небольшом количестве доходят до поверх­ности Земли, потому что «застрева­ют» в озоновом слое атмосферы. Озон — это газ, со­стоящий из атомов кислорода, только не из двух, а из трех. Озоновый слой находится над Зем­лей на высоте 25 км. Вторым источником энергии на первозданной Земле были вулканы, которые имелись в изобилии и извергались, по-видимому, непрерывно, давая теп­ловую энергию. Третьим источником энергии являлась, соб­ственно говоря, погода, которая в те времена на всем земном шаре оставляла желать лучшего; ины­ми словами, это была нескончаемая гроза. Грозовые разряды — молнии — обеспечивали Землю элект­рической энергией. Четвертым видом энергии была радиация, интен­сивность которой в те времена была гораздо выше, чем теперь. Ведь значительная часть первоначаль­ного запаса радиоактивных веществ распалась за миллиарды лет, прошедшие с момента образования Земли. Таким образом, энергии на молодой Земле было с избытком. Поэтому на ней могли происходить сложные химические реакции: простые молеку­лы атмосферных газов и воды превращались в мономеры.

Рис.16. Этапы возникновения жизни на Земле

На начальных этапах своей истории Земля представляла собой раскаленную

планету. Вследствие вращения при постепенном снижении температуры атомы

тяжелых элементов перемещались к центру, а в поверхностных слоях - атмосфере

концентрировались атомы лег­ких элементов - водорода, углерода, азота, а из них газы

первичной атмосферы (рис.16).

Когда температура поверхности Земли опустилась ниже 100°С произошло сгущение водяных паров. Дли­тельные ливни с частыми грозами привели к образованию боль­ших водоемов. В результате активной вулканической деятельно­сти из внутренних слоев Земли на поверхность выносилась раска­ленная масса, в том числе карбиды — соединения металлов с углеродом. При взаимодействии карбидов с водой выделялись уг­леводородные соединения. Горячая дождевая вода как хороший растворитель имела в своем составе растворенные углеводороды, газы первичной атмосферы (аммиак, углекислый газ, цианистый водород и др.), соли и другие соединения, которые могли вступать в химические реакции. Так постепенно на поверхности молодой планеты Земля накапли­вались, причем в больших количествах, простейшие органиче­ские соединения (мономеры будущих полимерных молекул – аминокислоты, моносахара, нуклеотиды). Подсчеты показывают, что только в результате вулканической деятельности на поверхности Земли могло образо­ваться около 10¹⁶ кг о рганических молекул. Это всего на 2—3 по­рядка меньше массы современной биосферы (рис. 17).

  Рис. 17. Возникновение мономеров из первичной атмосферы Земли

Вместе с тем астрономическими исследованиями установле­но, что и на других планетах, и в космической газопылевой мате­рии имеются углеродные соединения.

Некоторым ученым удалось отчасти воспроизвес­ти этот этап в лабораторных опытах. В 1953 г. амери­канский химик Стэнли Миллер добавил в стерили­зованную воду смесь газов: водорода, водяного пара, аммиака и метана, то есть возможную «атмосферу» первозданной Земли. В замкнутой системе при температуре 80°С пропускались через смесь газов электрические разряды, имитируя грозовые разряды, которые происходят в природе. Через неделю он исследовал, что у него по­лучилось, и обнаружил, что в этом водном растворе об­разовались новые органические соединения, в основ­ном очень простые, но среди них оказалось несколько аминокислот (глицин, аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты). В дальнейшем (при использовании других соотношений ис­ходных газов и видов энергии) были получены сахара и нуклеотиды (рис.18).

Рис. 18. Эксперимент Миллера

Анализ возможных оценок количества органического вещест­ва, которое накопилось неорганическим путем на ранней Земле, впечатляет: по некоторым расчетам за 1млрд лет над каждым квадратным сантиметром земной поверхности образовалось не­сколько килограммов органических соединений. Если их все рас­творить в мировом океане, то концентрация раствора была бы приблизительно 1%. Таким образом, воды первичного океана постепенно насы­щались разнообразными органическими веществами, образуя «первичный бульон». Насыщению его в немалой степени способ­ствовала и деятельность подводных вулканов. Где при высоких температурах (80-120°С) из угарного газа и цианистого водорода в присутствии катализаторов (твердых частиц, содержащих железо и никель) могли образоваться различные простые органические молекулы.

Дата добавления: 2015-06-04