Происхождение жизни
реклама
Астрокатализ - добиологические этапы возникновения жизни в Солнечной системе и на экзопланетах. Снытников В.Н. Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН Новосибирский государственный университет Научный совет по астробиологии при Президиуме РАН [email protected] 1 ГАИШ, 12 февраля 2016, Москва BIC SB RAS ИК СО РАН Развитие теорий зарождения жизни Гипотеза панспермии - рассеянные во Вселенной споры микроорганизмов переносятся с одной планеты на другую метеоритами или космической пылью. Жизнь вечна в вечной Вселенной. Жизнь проявляется как фундаментальное свойство материи. (Г.Э. Рихтер, 1865 г., С.А. Аррениус , 1901 г.) Возраст Вселенной – 13,6 млрд лет, Солнечной системы – 4,56 млрд лет. Гипотеза первичного "бульона" органических веществ в океане ранее 3,5 млрд лет. (Опарин А.И., 1924). ЖВХО им. Д.И.Менделеева» Т. XXV, в.3-4, 1980 год Современная астрофизика, астрохимия, астробиология Программа Президиума РАН «Происхождение и эволюция биосферы» 2004 – 2014 г. (Галимов Э.М., Розанов А.Ю.) 2 BIC SB RAS ИК СО РАН Программа Президиума РАН «Происхождение и эволюция биосферы» 2004 – 2014 гг. Космофизика Физическая химия и катализ Биохимия Биогеохимия – Геология и геохимия Микробиология Палеонтология Генетика Биология и биоинформатика - М.Я. Маров, Л.М. Зеленый В.Н. Пармон А.С. Спирин, В.В. Власов, Н.П. Юшкин, М.А. Федонкин Н.Л. Добрецов, Э.М. Галимов Г.А. Заварзин А.Ю. Розанов, С.Г. Инге-Вечтомов, С.В. Шестаков В.К. Шумный, Н.А. Колчанов Зарождения жизни на Земле НЕ ОБНАРУЖЕНО!!! 3 BIC SB RAS ИК СО РАН Развитие теорий зарождения жизни Г.А. Заварзин Лекции по природоведческой микробиологии. М., 2004 Г.А. Заварзин – Происхождение жизни – это проблема происхождения цельной системы биоценоза, а не отдельной клетки, организма, тем более белка, молекул РНК, АТФ или ДНК. «Происхождение жизни окончательно вытеснено в Космос» 2009 г. В книге «Проблемы происхождения жизни», ПИН РАН, М. / Под ред. А.Ю. Розанова, А.В. Лопатина, В.Н. Снытникова Г.А. Заварзин (1933—2011) Содержание книги не сводится к набору отдельных предложений. Предложения – к словам. Слова – к приставкам, корням, суффиксам, окончаниям. Они, в свою очередь, - к отдельным буквам. С точки зрения проблемы происхождения жизни мы в химии находимся в положении людей, которые, занимаясь отдельными буквами, пытаются понять содержание книги. 4 BIC SB RAS ИК СО РАН Гипотезы зарождения жизни «Космические периоды» (1921-1927) Жизнь на Земле геологически вечна La Géochimie, 1924 Биосфера, 1926 Очерки геохимии, 1927 «Живое вещество и биосфера» – М.:Наука, 1994. Стр. 277: Не зная научно [космического прошлого Земли], очевидно, мы не можем научно решить вопрос о генезисе в нем жизни, если он произошел в космические периоды земной истории. Другого времени для этого нет, ибо в геологических временах зарождения жизни не было. В.И. Вернадский (1863—1945) 5 Стр. 277: …Возможно стремиться к опытному воссозданию абиогенеза в наших лабораториях и институтах. Вполне мыслимо, что особые условия «случая» или особой космической среды могут быть найдены и воссозданы человеческим разумом. BIC SB RAS ИК СО РАН Внеземная жизнь: Звезды старше 100 млн лет - Экзопланеты Звезды моложе 100 млн лет - Околозвездные диски Солнечная система (СС) 4,56 млрд лет – Тела СС Что мы хотим обнаружить для Внеземной жизни? Добиологические этапы эволюции Возникновение Жизни Отдельные организмы Экосистему (биоценоз) Свидетельства существования Жизни в прошлом 6 BIC SB RAS ИК СО РАН Круговорот вещества в галактиках. Околозвездные протопланетные диски. Свыше 1900 звезд с экзопланетами. 7 . BIC SB RAS ИК СО РАН Main stages of protostellar disk evolution Pre-stellar phase Class 0 and I phases T Tauri phase 8 BIC SB RAS ИК СО РАН Околозвездные диски – Телескоп Хаббл Robberto et al. 2013, HST TW Hya, HST, Debes et al, 2013 9 BIC SB RAS ИК СО РАН Современные телескопы HST (Hubble Space Telescope) Газопылевой диск вокруг звезды Бета Живописца Дата открытия: 24 апреля 1990 Высота орбиты: 559 км Стоимость: 2.5 млрд USD, общие расходы на проект - 6 млрд USD и 593 млн Euro 10 Фотография осколочного диска вокруг Фомальгаута (Наблюдения с HST). BIC SB RAS ИК СО РАН Современные телескопы ALMA (Atacama Large Millimeter Array) Дата открытия: 13 марта 2013 Расположение: пустыня Атакама, Чили Стоимость: 2.5 млрд Euro 11 Околозвездный диск (протопланетный газопылевой диск вокруг звезды HL Tauri, наблюдение с ALMA) BIC SB RAS ИК СО РАН Современные телескопы VLT (Very Large Telescope) Дата открытия: май 1998 Расположение: пустыня Атакама, Чили 12 Околозвездный диск (пылевой диск вокруг звезды HR 4796A, наблюдение с VLT) BIC SB RAS ИК СО РАН Современные телескопы (астрономический проект) JWST (James Webb Space Telescope) Дата запуска: запланирован на 2018 Mecтонахождение: точка Лагранжа L2 cистемы Солнце — Земля (1,5 млн км от Земли в противоположную Солнцу сторону) Стоимость: может составить 6.8 млрд USD 13 BIC SB RAS ИК СО РАН Элементный состав (металличность) 14 BIC SB RAS ИК СО РАН Структура диска Трехфазная среда плазма – газ – твердая фаза Газ: концентрация от 103 cm-3 до 1021 cm-3 Температура от 20 K до 100 000 K Давление до 10-3 атм и выше (?) 15 BIC SB RAS ИК СО РАН Моделирование формирования звезд с околозвездными дисками Изменения по шкале длины - 7 порядков от 1012 км (100 пс) молекулярное облако и до радиуса Солнца 105 км Шкала времени - 11 порядков от миллиона лет до 10 минут Изменение плотности – 16 - 18 порядков от плотности в молекулярном облаке с массой в 104 масс Солнца до плотности Солнца (или плотности твердого тела, жидкой воды) Физические процессы Самогравитация, (турбулентная) многофазная газодинамика, динамика твердой фазы, неидеальная магнитогазодинамика, перенос излучения, плазмохимические реакции, газофазные химические реакции, химические реакции на поверхности пыли, коагуляция … 16 BIC SB RAS ИК СО РАН Математическая модель для газа div v 0 t v v v grad p grad t E div Ev div pv ( grad , v ) t 4 Re = 1010 - 1014 p 1 Характерные параметры обезразмеривания: линейный масштаб R0, масса M0, гравитационная постоянная G GM 0 0 V R0 2 0 17 R0 V0 cs V0 BIC SB RAS ИК СО РАН Корректность задачи о коллапсе Модельное уравнение 2 d y ( x) 2 y ( x) y ( x) dx y ( 0) 0.000050 > 4/3 0 10 < 4/3 - нет коллапса - коллапс возможен 10 Red =0.0005 Blue y ( x) Решение неустойчиво в линейном и нелинейном приближении z ( x) 0 X0=A-1 ln (1+A/y(0)) 18 5 0 2 2 4 6 x 8 10 10 BIC SB RAS ИК СО РАН Линейный дисперсионный анализ Дисперсионное соотношение 0 0 0 2 2 2 cs k 40 i 4 0 k 1 Дисперсионное соотношение для 3D Рабинович, Трубецков, 1992 1 0.5 imw4( y ) imw5( y ) 0 0.5 1 1 0 0.01 20 40 60 80 y Зависимость Im(ω) от волнового числа k 100 100 Распространение гравитационных волн 1 3 10 Im Физическая, а значит и численная модель неустойчива в линейном приближении. Однако для нестационарных решений интегрально выполняются законы сохранения (закон сохранения энергии). 19 BIC SB RAS ИК СО РАН Облако «горячего» самогравитирующего вещества Lgas 20 > L BIC SB RAS ИК СО РАН DISK – SUBDISK Astrocatalysis Density in meridional plane Axial lengths - 2000 АU Protostar’s and its disk mass change Times about 1 Million Years 12 10 8 Core 6 Disk 4 2 0 1 0.0 101 0.2 201 0.4 301 0.6 401 0.8 501 1.0 Time, million years Disk of Beta-Pictures, Hubble Telescope Gas/condence phase density >0.1 Temperature in massive disk – firstly increases from 10К up to over 300К, then falls 21 BIC SB RAS ИК СО РАН Джеты (струи) от протозвезд. ALMA Звезда-младенец CARMA-7 расположена примерно в 1400 световых лет от Земли в звездном скоплении Serpens South. Это плотное скопление в созвездии Змеи (Serpens). 22 BIC SB RAS ИК СО РАН Особые условия в околозвездном диске RNA World Creation of primary bodies with size about 1 and more kilometers Catalysts and organics compounds Drastic change of physical and chemical conditions The HL Tau disk 0.′′05, or ∼7AU 870 μm Gravitational instability Time of the Clump was 1-10 years 20 AU ALMA Partnership et al. 2015 23 BIC SB RAS ИК СО РАН МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОБЛАКА Астрохимия Распространенность элементов в космосе H, He, O, C, Ne, N, Mg, Si, Fe, S, Ar,… H + He – 98%, Another elements – 1-2%, among them II. Organics (H, O, C, N,…) > 90% III. Inorganics (Mg, Si, Fe, O, …) < 10% I. H2, He, H2O, CH4, Ne, NH3, MgH2, SiH4, FeH, H2S, Ar,… H2, He, H2O, CH4, Ne, Ar - пробники гравитации, температуры, давления H, O, C, N, S, … - элементы для синтеза органики O, MgH2, SiH4, FeH,… – соединения для синтезов неорганики MgH2 + SiH4 + FeH + H2O --> (Mg,Fe)2SiO4 and (Mg,Fe)6Si4O10(OH)8 (CH2O)106(NH3)16H3PO4 and Organics —> CO2 +H2O +N2+CH4 +[PO3]324 BIC SB RAS ИК СО РАН Example of simple organic and inorganic compounds observed in molecular clouds Stars Formation 25 BIC SB RAS ИК СО РАН 26 BIC SB RAS ИК СО РАН Астрокатализ. Воссоздание физических условий химической эволюции в допланетных околозвездных дисках. Логарифм плотности газа в диске. Сгустки. Периодическое повышение давления над поверхностью тела из (Mg,Fe)2SiO4 и (Mg,Fe)6Si4O10(OH)8 при его движении из одного сгустка к другому в первый миллион лет. Волновые реактора высокого давления P > 1 атм по H2 и He для «мира РНК». Коллапс газа и сборка тел в одном сгустке Поверхностные плотность газа (синий) и плотность твердой фазы (красный) Двухфазная модель диска из газа и твердых тел. Расчеты на ССКЦ и кластере ИК СО РАН. Сетка 80 000 000 ячеек. Снытников В.Н. Палеонтологический журнал, 2010, и др. 27 BIC SB RAS ИК СО РАН СУБДИСК ГАЗ – ПЫЛЬ И БУЛЫЖНИКИ МИР РНК Формирование километровых и бОльших тел Катализаторы и органические соединения Изменение физических и химических условий в гигантских пределах Концентрации от 10^5 до 10 ^22 (см ^-3) Давление газа до 100 атм Температура от 50 до 5000 К Обмен веществом между сгустками Гравитационная неустойчивость Времена существования сгустков от 1 до 100 лет МИР РНК мог длиться свыше 1 миллиона лет 28 Размеры сгустков – реакторов могли превышать диаметр Солнца МИР РНК и ЖИЗНЬ в СС!!! BIC SB RAS ИК СО РАН Характеристика космического каталитического реактора - солитона Реактор с псевдоожиженной кипящей твердой фазой Восстановительная Водород-Гелиевая Атмосфера Давление газа до 100 атмосфер Твердая фаза – SiO2 – MgO – Fe каталитически активная огромная поверхность связанных наночастиц (составы глинистых минералов), на определенных расстояниях - с конденсированной Н2О Размеры «гранул» твердой фазы – порядка 1 – 10 метров Размеры реактора на разных временных этапах – от 107 км (0.1AU) до десятков диаметров Солнца (0.01AU) и меньше Ввод энергии – излучение протоСолнца с поступлением в среду посредством атомарного Н и метастабильного Не на всю поверхность протопланетного диска и - Съем энергии Конечное состояние – высокомолекулярные органические соединения, Н2О и другие гидриды элементов 29 BIC SB RAS ИК СО РАН Carbonaceous chondrites Allende CV3 Murchison CM Orguel (CI) 30 ПИН РАН, Март 2012, Москва В память академика Г.А.Заварзина. Конференция. BIC SB RAS ИК СО РАН Comets, Carbonaceous Meteorites, and Origin of the Biosphere 1996: McKay et al. Report Discovery of Possible Microfossils in 3.2 Gya Mars Meteorite ALH84001. Microfossils discounted as being too small for life and too simple to be conclusively Biogenic. 2004: Hoover et al. Report Evidence for Complex Mats of Mineralized Morphotypes of Filamentous Cyanobacteria in Orgueil CI Carbonaceous Meteorite 31 BIC SB RAS ИК СО РАН Rhodococcus sp. on Sibunite (C – material) Kovalenko G. and Rudina N. (BIC SBRAS) 32 BIC SB RAS ИК СО РАН Arthrobacter nicotianae into SiO2 xerogel SiO2 xerogel Arthrobacter nicotianae Kovalenko G. and Rudina N. (BIC SBRAS) Size of cells 1 mcm Applied Biochemistry and Microbiology, 2010, Vol. 46, No. 7, pp. 697-705. 33 BIC SB RAS ИК СО РАН МЕТЕОРИТЫ Микрофоссилии в углистых хондритах CM Mighei(Sample SB Museum) Murchison (Samples by Hoover R.) Staroye Boriskino Schungites (Sample SB Museum) (Samples by Rozanov A.Yu.) Scanning Electron Microscope, BIC SB RAS (Study by N.A. Rudina) 34 BIC SB RAS ИК СО РАН Получение наноматериалов испарением образцов лазерным излучением A.C. Levasseur-Regourd, Science, 2004 УСТАНОВКА СИНТЕЗА НАНОЧАСТИЦ МЕТОДОМ LVD СО2 ЛАЗЕР 10.6 мкм,120 Вт СИСТЕМА НАПУСКА ГАЗА ЭОП-66 СИСТЕМА СКАНИРОВАНИЯ ОБРАЗЦА СИСТЕМА УЛАВЛИВАНИЯ НАНОЧАСТИЦ ОТКАЧКА -7 ДАВЛЕНИЕ Р=10 ...3 Атм ПОЛУЧЕНЫ НАНОЧАСТИЦЫ: ZrO2 , Fex Oy, TiO2 , C, SiO2 ,Al O3 , … Определена каталитическая активность наноматериалов Формирование в диске малых тел 35 BIC SB RAS ИК СО РАН “FT” Synthesis -Slurry reactor and fixed bed reactor Catalytic active nanomaterials Products distribution of FT-Synthesis over Meteorite Tsarev, T=642 K Meteorite Tsarev Dolerit Yield of olefins distribution Yield of paraffins distribution Number of Carbon atoms 36 BIC SB RAS ИК СО РАН Происхождение жизни как процесс самоорганизации «Холодная предыстория жизни» Околозвездный Протозвезда с околозвездным диском Молекулярное облако 10-20 К <106 см-3 Водород, гелий и пыль 0,1 мкм Время, лет 0 105 Взрыв ПротозвездаСверхновой кокон 4,56 млрд лет назад 37 100-1000 K 10-4 – 10-6 атм диск 300-400 K <100 атм Солнечная система Рой тел 300-400 K 300-400 К 1-100 атм «Допланетный хемоценоз» Газ и первичные тела 1 м «Мир РНК» Реактор уединенной волны,<10 лет Газ, планетезимали и зародыши планет 100 км Клетка Первичные биоценозы ЖИЗНЬ ПротоЗемля > 1000 км ПротоСолнце с аккреционным диском 106 Солнце «Планета бактерий» Земля 12800 км 6.107 6,6.108 Планеты Начало геологической летописи Земли, 3,9 млрд лет назад BIC SB RAS ИК СО РАН Атмосферы планет Солнечной системы H2 (2), He (4), CH4 (16), NH3 (17), H2O (18), Ne (20), N2 (28), О2 (32), H2S (34), Ar (40), СО2 (44), … Pi /P0 ~ exp(- mGM/TR); R - радиус тела, T - температура Венера. Температура 460 - 480 С Давление 93 бар Состав атмосферы 97% СО2, 3% N2 Земля. Температура, средняя 20 С Давление 1 бар Состав атмосферы 80% N2, 20% О2, H2О (ж!) СО2 – в карбонатах !!! Марс. Температура, средняя – 50 С Давление 6 мбар Состав атмосферы 95,3% СО2, 2,7% N2 Юпитер Температура −107 °C (1атм) +153 °C (22 атм) Состав атмосферы H2, Hе, CH4, NH3, H2S, PH3 ……………………………. 38 BIC SB RAS ИК СО РАН !!!??? Венера - биосфера ???!!! Миссии ВЕНЕРА -9,-10, -13,-14 Л.В. Ксанфомалити «Астрономический вестник», 2012 г. , №1 Наука и жизнь 2012, №5, стр. 14-20, №6 стр. 60-66 Температура - 462ºС, давление 87 – 90 атмосфер, Газовая оболочка - плотность 65 кг/м3, Углекислый газ - 96,5%, азот - 3,5%. Полимеры на основе азота? 39 BIC SB RAS ИК СО РАН Основные этапы Этапы Длительность Начало – Физический этап Химикобиологический этап Ключевой фактор в смене этапов Зарождение протозвезды Астрохимия Сжатие газа с пылью Массивный диск Астрокатализ Синтез катализаторов конец I 100 тыс. лет II 100 тыс. лет – 1 млн. лет III 400 тыс. лет – 1,2 млн. лет IV 1 млн лет Субдиск конденсированного вещества Гравитационно неустойчивый диск Звезда Среднемассивный диск Допланетная биосфера. Клетка с мембраной Излучение звезды Протопланетный диск Депрессивная биосфера. Первичные биоценозы Потеря газа из диска и с тел Высокоскоростн ые столкновения Планета бактерий Биоценозы планет Геохимические циклы 10 млн лет V 5 млн лет 60 (100) млн лет Геологически недокументированн ые времена 100 млн лет Геологически документированные времена 600 млн лет 4,56 млрд лет 40 Мир РНК Высокое давление газа в сгустках Планеты Конец бомбардировки 600 млн лет Окислительная атмосфера, океаны, осадочные породы . BIC SB RAS ИК СО РАН 41 BIC SB RAS ИК СО РАН
