Проблема ранней атмосферы
Метану и аммиаку неоткуда взяться в большом количестве на Земле, считают специалисты. К тому же эти соединения очень неустойчивы и разрушаются под действием солнечного света, метаново-аммиачная атмосфера не могла бы существовать, даже если бы эти газы выделялись из недр планеты. По данным геологов, в атмосфере Земли 4,5 миллиарда лет назад преобладали углекислый газ и азот, что в химическом отношении создает нейтральную среду. Об этом свидетельствует состав древнейших горных пород, которые в тот период были выплавлены из мантии. Самые древние породы на планете возрастом 3,9 миллиарда лет обнаружили в Гренландии. Это так называемые серые гнейсы — сильно измененные магматические породы среднего состава. Изменение этих горных пород шло миллионы лет под влиянием углекислых флюидов мантии, которые одновременно насыщали и атмосферу. В таких условиях абиогенный синтез невозможен.
Проблему ранней атмосферы Земли пытается решить академик Э.М. Галимов, директор Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН. Он рассчитал, что земная кора возникла очень рано, в первые 50—100 миллионов лет после образования планеты, и была по преимуществу металлической. В таком случае мантия действительно должна была выделять метан и аммиак в достаточном количестве для создания восстановительных условий. Американские ученые К. Саган и К. Чайба предложили механизм самозащиты метановой атмосферы от разрушения. По их схеме разложение метана под действием ультрафиолета могло привести к созданию в верхних слоях атмосферы аэрозоля из частиц органики. Эти частицы поглощали солнечную радиацию и защищали восстановительную среду планеты. Правда, этот механизм разработали для Марса, но он применим и к ранней Земле.
Подходящие условия для образования предбиологической органики не сохранялись на Земле долго. В течение следующих 200—300 миллионов лет мантия начала окисляться, что привело к выделению из нее углекислого газа и смене состава атмосферы. Но к тому времени среда для зарождения жизни уже была подготовлена.
Мир РНК
В теории абиогенеза поиски первоначала жизни приводят к идее о более простой, нежели клетка, системе. Современная клетка необычайно сложна, ее работа держится на трех китах: ДНК, РНК и белки. ДНК хранит наследственную информацию, белки осуществляют химические реакции по схеме, заложенной в ДНК, информацию от ДНК к белкам передает РНК. Что может входить в упрощенную систему? Какая-то одна из составных частей клетки, которая умеет, как минимум, воспроизводить себя и регулировать обмен веществ.
Поиски наиболее древней молекулы, с которой, собственно, и началась жизнь, продолжаются почти столетие. Подобно геологам, восстанавливающим историю Земли по пластам горных пород, биологи открывают эволюцию жизни по строению клетки. Череда открытий XX века привела к гипотезе спонтанно зародившегося гена, который стал прародителем жизни. Естественно думать, что таким первогеном могла быть молекула ДНК, ведь она хранит информацию о своей структуре и об изменениях в ней. Постепенно выяснили, что ДНК не может сама передать информацию другим поколениям, для этого ей нужны помощники — РНК и белки. Когда во второй половине XX века открыли новые свойства РНК, то оказалось, что эта молекула больше подходит на главную роль в пьесе о происхождении жизни.
Молекула РНК проще по своему строению, чем ДНК. Она короче и состоит из одной нити. Эта молекула может служить катализатором, то есть проводить избирательные химические реакции, например соединять между собой аминокислоты, и в частности осуществлять собственную репликацию, то есть воспроизведение. Как известно, избирательная каталитическая активность — одно из основных свойств, присущих живым системам. В современных клетках эту функцию выполняют только белки. Возможно, эта способность перешла к ним со временем, а когда-то этим занималась РНК.
Чтобы выяснить, на что еще способна РНК, ученые стали разводить ее искусственно. В насыщенном молекулами РНК растворе кипит собственная жизнь. Обитатели обмениваются частями и воспроизводят сами себя, то есть идет передача информации потомкам. Спонтанный отбор молекул в такой колонии напоминает естественный отбор, а значит, им можно управлять. Как селекционеры выращивают новые породы животных, так же стали выращивать РНК с заданными свойствами. Например, молекулы, которые помогают сшивать нуклеотиды в длинные цепочки; молекулы, устойчивые к высокой температуре, и так далее.
Колонии молекул в чашках Петри — это и есть мир РНК, только искусственный. Натуральный мир РНК мог возникнуть 4 миллиарда лет назад в теплых лужах и мелких озерцах, где шло спонтанное размножение молекул. Постепенно молекулы стали собираться в сообщества и соревноваться между собой за место под солнцем, выживали наиболее приспособленные. Правда, передача информации в таких колониях происходит неточно, и вновь приобретенные признаки отдельной «особи» могут теряться, но этот недостаток покрывается большим количеством комбинаций. Отбор РНК шел очень быстро, и за полмиллиарда лет могла возникнуть клетка. Дав толчок возникновению жизни, мир РНК не исчез, он продолжает существовать внутри всех организмов на Земле.
Мир РНК — почти живой, до полного оживления ему остается всего один шаг — произвести клетку. Клетка отделена от окружающей среды прочной мембраной, значит, следующий этап эволюции мира РНК — заключение колоний, где молекулы связаны между собой родством, в жировую оболочку. Такая протоклетка могла получиться случайно, но, чтобы стать полноценной живой клеткой, мембрана должна была воспроизводиться от поколения к поколению. С помощью искусственного отбора в колонии можно вывести РНК, которая отвечает за рост мембраны, но произошло ли это на самом деле? Авторы экспериментов из Массачусетсского технологического института США подчеркивают, что результаты, полученные в лаборатории, не обязательно будут похожи на реальную сборку живой клетки, а может быть, и вовсе далеки от истины. Впрочем, создать живую клетку в пробирке пока не удалось. Мир РНК не раскрыл до конца своих тайн.
Глиняный ген
В первичном бульоне должно было находиться нечто, что помогло родиться живой системе, ускорило процесс и снабдило энергией. Английский кристаллограф Джон Бернал в 50-х годах XX века предположил, что таким помощником могла служить обычная глина, которой в изобилии устлано дно любого водоема. Минералы глины способствовали образованию биополимеров и возникновению механизма наследственности. Гипотеза Бернала с годами окрепла и привлекла много последователей. Оказалось, что облученные ультрафиолетом глинистые частицы хранят полученный запас энергии, который расходуют на реакцию сборки биополимеров. В присутствии глины мономеры собираются в самореплицирующиеся молекулы, нечто вроде РНК.
Большинство глинистых минералов похоже по своей структуре на полимеры. Они состоят из огромного числа слоев, соединенных между собой слабыми химическими связями. Такая минеральная лента растет сама собой, каждый следующий слой повторяет предыдущий, а иногда случаются дефекты — мутации, как в настоящих генах. Шотландский химик А.Дж. Кернс-Смит утверждал, что первым организмом на Земле был именно «глиняный ген». Попадая между слоями глинистых частиц, органические молекулы взаимодействовали с ними, перенимали способ хранения информации и роста, можно сказать, обучались. Какое-то время минералы и протожизнь мирно сосуществовали, но вскоре произошел разрыв, или генетический захват, по Кернс-Смиту, после чего жизнь покинула минеральный дом и начала свое собственное развитие.
Биография Уильяма Фаулера (1911-1995 гг.)
Краткая биография:
Имя: Уильям Фаулер
Дата рождения: 9 августа 1911 г.
Дата смерти: 14 марта 1995 г.
Образование: Калифорнийский технологический институт и Университет штата Огайо
Место рождения: Питтсбург, Пенсильвания,США
Место смерти: Пасадина, Калифорния,США
Уильям Альфред Фаулер – американский физик и астрофизик: биография с фото, исследование ядерных реакций, модель создания энергии в Солнце, взрыв сверхновых.
Уильям Альфред Фаулер — американский физик и астрофизик, лауреат Нобелевской премии. Фаулер родился 9 августа 1911 в городе Питсбург (штат Пенсильвания). В 1933 году, закончив учёбу в университете штата Огайо, он поступил в аспирантуру при Калифорнийском технологическом институте. Здесь же в 1936 году Фаулер начал работать. С 1946 года в качестве профессора, а в период с 1963 по 1967 годы в должности президента. В разные периоды своей жизни: с 1954 по 1955 и с 1961 по 1962 годы, работал в Кавендишской Лаборатории при Кембриджском Университете в Великобритании.
Свои первые шаги в науке Фаулер начал с экспериментального изучения прохождения ядерных реакций с участием ядер лития, бериллия, бора, азота и фтора. В следующие годы (с 1947 по 1954) занимался исследованиями реакций, приводящими к образованию гелия из водорода, которые происходят в недрах звёзд. В итоге сложной и кропотливой работы по измерениям и уточнению количества тяжёлых элементов, находящихся в звёздном веществе, были получены сведения, позволившие создать количественную модель образования энергии в глубинах Солнца.
С 1955 по 1957 годы Фаулер в совместной работе с английскими учёными-астрофизиками (их группу называли «четверка B2FH»: Джефри и Элинор Бербидж, Уильям Фаулер и Фред Хойл) осуществил разработку теории синтеза тяжелых элементов. Ими было выявлено, что такой синтез может осуществляться захватом свободных нейтронов 2-я путями: в ходе s- и r-процессов.
В 1960 году Фаулером был сформулирован механизм взрыва сверхновых. Такие процессы насыщают межзвёздную среду тяжелыми элементами, впоследствии включающимися в состав звёзд и планет.
В 1962 году Фаулером, Гринстейном и Хойлом были проведены подробные расчёты, которые помогли понять механизм образования лития, бериллия, бора и дейтерия в тот момент, когда происходила ранняя эволюция Солнечной системы.
Многочисленными премиями были отмечены труды Фаулера по теориям происхождения различных химических элементов и термоядерных источников энергии звёзд, которые легли в основу современных представлений ядерной астрофизики. В 1965 году учёным была получена медаль Барнарда от Колумбийского университета, а в 1977 году Лондонское королевское общество присудило ему медаль Эддингтона. Также Фаулер был награжден в 1979 году медалью Брюса от Тихоокеанского астрономического общества.
Но, наверное, величайшей наградой и знаком признания для Фаулера стала Нобелевская премия по физике, присужденная ему совместно с Субраманьяном Чандрасекаром в 1983 году.
Скончался Фаулер в городе Пасадена 14 марта 1995 в возрасте 83 лет.
Решающий эксперимент
Нет никакой надежды, что однажды клетка получилась сама собой из атомов химических элементов. Это невероятный вариант. Простая клетка бактерии содержит сотни генов, тысячи белков и разных молекул. Фред Хойл шутил, что синтез клетки так же невероятен, как сборка «Боинга» ураганом, пронесшимся над свалкой запчастей. И все же «Боинг» существует, значит, он был каким-то образом «собран», точнее «самособран». По нынешним представлениям, «самосборка» «Боинга» началась 4,5 миллиарда лет назад, процесс шел постепенно и был растянут во времени на миллиард лет. По крайней мере 3,5 миллиарда лет назад живая клетка уже существовала на Земле.
Для синтеза живого из неживого на начальном этапе в атмосфере и водоемах планеты должны присутствовать простые органические и неорганические соединения: C, C2, C3, CH, CN, CO, CS, HCN, CH3CH, NH, O, OH, H2O, S. Стэнли Миллер в своих знаменитых опытах по абиогенному синтезу смешал водород, метан, аммиак и водяные пары, потом пропускал нагретую смесь через электрические разряды и охлаждал. Через неделю в колбе образовалась коричневая жидкость, содержащая семь аминокислот, и в том числе глицин, аланин и аспарагиновую кислоту, входящие в состав клеточных белков. Эксперимент Миллера показал, как могла образоваться предбиологическая органика — вещества, которые участвуют в синтезе более сложных компонентов клетки. С тех пор биологи считают этот вопрос решенным, несмотря на серьезную проблему. Дело в том, что абиогенный синтез аминокислот идет только в восстановительных условиях, вот почему Опарин полагал атмосферу ранней Земли метаново-аммиачной. Но геологи не согласны с таким выводом.
Путь к успеху
В послевоенный период руководитель научной лаборатории Лауритсен вместе со своим сыном продолжили исследовать природу ядерных реакций в небесных телах. Заключение Ханса Бете (физика-теоретика) в 1939 году о том, что превращения ядер водорода в ядра гелия и есть источник энергии, приоткрыло завесу к открытию процесса образования звезд.
ЛАУРИТСЕН Чарлз Кристиан
Путем лабораторных исследований Фаулер вместе с коллегами опровергает теорию “большого взрыва”, выдвинутую космологом Георгием Гамовым, основывая свои выводы на том, что слияние ядер водорода и гелия не приводит к возникновению атомов элементов большей массы из-за распада до процесса взаимодействия между ядрами элементарных частиц.
Пришедший в лабораторию в 1951 году физик Салпетер путем длительных исследований обнаружил, что три ядра гелия с атомной массой 4 способны образовать ядра углерода с атомной массой 12 в условиях красных гигантских звезд. Поверхность небесных тел, пребывающих в промежуточной стадии эволюционирования, имеют относительно невысокую температуру в отличие от участвующих в “большом взрыве”.
В 1953 году Фред Хойл (британский астроном) приглашает в Келлоговскую лабораторию Уорда Вейлинга для проведения экспериментальных исследований, которые впоследствии подтверждают способность гелия при сгорании к перевоплощению в углерод в определенных условиях.
В период 1954 – 1955 годов Фаулер находится в качестве фулбрайтовского стипендиата в Кембридже, и работает вместе с Хойлом и четой Бербидж, находясь в так называемом “творческом отпуске”. Ученому удается вывести теорию суммирования ядерных реакций. Позже, в 1957 году выходит совместная статья под названием “Синтез элементов в звездах”.
В этот же период аналогичную теорию выдвигает физик А. Камерон, чьи исследования никак не связаны с работой коллектива Келлоговской лаборатории.
Основоположником модели образования Вселенной по праву считают Уильяма Фаулера, который сумел найти объяснение возникновения небесных тел, комбинируя положения теории структуры небесных тел с данными астрофизики. Согласно его теории, облако газа, состоящее из гелия и водорода, подвергается сжатию под воздействием гравитации; при достижении определенных условий водород трансформируется в гелий, и образуется звезда.
Уильям Фаулер получил Нобелевскую премию в 1983 году
Ученый описал циклы развития небесных тел и природу реакций, происходящих в ядрах химических элементов. Заслуженным итогом длительной кропотливой работы Уильяма Альфреда Фаулера стало присуждение ему в 1983 году Нобелевской премии. Научное сообщество высоко оценило труды Фаулера, единогласно присудив ему награду «за исследование ядерных реакций, которым принадлежит глобальное значение в природе возникновения химических элементов в масштабе Вселенной».
Эту награду ученый разделил с астрофизиком Субрахманьяном Чандрасекаром. Слушатели его Нобелевской лекции запомнили, что кроме положений по созданию теорий природы звезд, Фаулер говорил о составе физического тела человека: «Кроме водорода и кислорода в организме присутствуют тяжелые химические элементы». И добавил к этому вывод о том, что каждый из людей представляет собой частичку звездной пыли.
Звездный нуклеосинтез
Схема эволюции недр звезд под действием ядерных реакций
Краткая схема нуклеосинтеза в звездах — в условиях с увеличивающейся температурой и плотностью при приближении к центру звезды формируются всё более тяжелые химические элементы
После образования первых химических элементов во Вселенной началась аккумуляция вещества в плотные скопления. Это произошло по причине того, что уже даже на стадии появления реликтового излучения (400 тысяч лет после наступления Большого взрыва) во Вселенной существовали неоднородности в плотности распределения материи). Из неоднородностей возникли первые звезды и галактики. Предполагается, что первые звезды во Вселенной обладали массой около 100 масс Солнца, состояли из водорода и гелия, и жили только несколько миллионов лет. За счет большой массы в недрах этих звезд формировалась высочайшая плотность, что приводило к росту температуры до нескольких миллионов или даже миллиардов градусов. Такие условия позволяют проходить термоядерным реакциям превращения водорода и гелия в более тяжелые элементы (вплоть до железа).
Большинство энергии, которая выделяется в звездах в термоядерных реакциях связана с двумя реакциями: протон-протон цикл и CNO-цикл. Первый вид ядерных реакций характерен для звезд небольшой массы, как наше Солнце и легче. Второй вид ядерных реакций характерен для массивных звезд. Кроме того теоретиками выделяется тройная гелиевая реакция (тройной альфа процесс, в котором три атома гелия объединяются в атом углерода) и реакция горения углерода (в ходе неё атомы углерода объединяются в атомы неона, натрия, марганца или кислорода). Эти реакции выделяют намного меньше энергии, в связи с ростом удельной энергии связи атомных ядер при приближении к железному пику.
Важно отметить, что реакции, происходящие в недрах звезд за 14.8 миллиардов лет существования нашей Вселенной сгенерировали намного меньше химических элементов (по массе), чем кратковременная реакция первичного нуклеосинтеза. Так, если масса гелия в нашей Вселенной составляет около 25%, то общая масса более тяжелых химических элементов не превысила 2% от общей массы обычного вещества во Вселенной
Удельная энергия связи ядер атомов различных химических элементов в зависимости от количества протонов (порядковый номер в периодической таблице химических элементов)
Считается, что, если у звезды массой около 25 масс нашего Солнца процесс горения водорода занимает около 7 миллионов лет, то процесс горения гелия 500 тысяч лет, углерода 600 лет, кислорода 6 месяцев, а кремния только одни сутки. В процессе подобных реакций средняя плотность в ядре звезды вырастает с одной сотой грамма до одной тонны на каждый кубический сантиметр, а температура с нескольких миллионов до нескольких миллиардов Кельвинов. Факт того, что финальной стадией термоядерных реакций в звездах является образование железа вызван тем, что на этот элемент приходится максимум удельной энергии связи ядер атомов для различных химических элементов. В результате этого после железа в ядерных реакциях энергия не выделяется, а поглощается. Аналогично дефицит легких элементов (лития, бериллия и бора) объясняется минимумом в удельной энергии связи. По этой причине эта тройка элементов активно сгорает в термоядерных реакциях.
Теоретические расчеты говорят, что образование железа возможно только у достаточно массивных звезд, у менее массивных звезд ядерные реакции не доходят до этого элемента. Так у звезд с массой около 5 масс Солнца происходит образование только водорода, гелия и углерода. Образование гелия начинается у звезд с массой не менее 70% от массы нашего Солнца. В целом же термоядерные реакции горения водорода способны начинаться лишь у объектов с массой не меньше 8% от массы нашего Солнца (предел Кумара).
Первые шаги в науке
Работа в электронной лаборатории доставляла удовольствие пытливому студенту. Многое из того, что он почерпнул в этой деятельности, вошло в дипломную работу Фаулера “Фокусировка электронных пучков”.
Калифорнийский Технологический Институт
По окончании университета Уильям Альфред становится аспирантом Калифорнийского технологического института. Молодому человеку повезло быть принятым в Келлоговскую радиационную лабораторию под руководством блестящего датского физика Чарльза Лауретсена.
Фаулер навсегда остался уверенным, что именно в этой лаборатории его научили тому, “как делать физику и получать от этой деятельности огромное удовольствие”.
В возрасте 25 лет (в 1936 году) Уильям после успешной защиты диссертации на тему “Радиоактивные элементы с малым атомным весом” получает степень доктора наук и место научного сотрудника Келлогоской лаборатории. Забегая вперёд, отметим, что в 1970 году, ученый займет в Калифорнийском технологическом институте место первого профессора физики.
Уильям Фаулер в лаборатории
А пока в исследовательскую деятельность учреждения внесла коррективы Вторая мировая война. Вся работа была направлена на военные разработки. Будучи гражданским человеком Фаулер оказывал помощь в разрабатывании конструкции взрывателей, торпед, и принимал участие в проектировании атомного оружия. За свою деятельность в военные годы правительство Америки наградило ученого медалью “За заслуги” (1948 год).
Детство
В 1911 году 9 августа в городе Питсбург (штат Пенсильвания) в семье простого бухгалтера появился на свет первый ребенок, которому дали имя Уильям Альфред.
Когда старшему сыну исполнилось 2 года, семейство Фаулеров перебирается в штат Огайо. Город Лима, где обосновалась семья, на тот момент был крупной железнодорожной развязкой. Этим объясняется интерес учёного к технике, в частности, к паровозам. Интерес, который он сохранит до конца жизни.
Университет Огайо
Со школьной скамьи Уильям Альфред интересовался техническим дисциплинам, что поощрялось со стороны педагогов. В возрасте 18 лет молодой человек поступил в университет Огайо, выбрав для себя направление — производство керамических изделий.
Однако уже на втором году обучения в университете Огайо возобновили специализацию “Прикладная физика”, куда Фаулер переводится без промедления.
Одновременно с учёбой он вынужден много работать, чтобы помочь семье, где на тот момент было ещё двое детей и родители еле сводили концы с концами. Однако трудился студент в лаборатории электротехнического факультета, что несомненно «убивало двух зайцев». Он мог позволить себе вносить посильный вклад в семейный бюджет и одновременно шёл к своей цели заниматься наукой.
Проблема полимеров
Клеточные белки, ДНК, РНК — все это полимеры, очень длинные молекулы, наподобие нитей. Строение полимеров довольно простое, они состоят из частей, повторяющихся в определенном порядке. К примеру, целлюлоза — самая распространенная молекула в мире, которая входит в состав растений. Одна молекула целлюлозы состоит из десятков тысяч атомов углерода, водорода и кислорода, но вместе с тем это не что иное, как многократное повторение более коротких молекул глюкозы, сцепленных между собой, как в ожерелье. Белки — это цепь аминокислот. ДНК и РНК — последовательность нуклеотидов. Причем суммарно это очень длинные последовательности. Так, расшифрованный геном человека состоит из 3 миллиардов пар нуклеотидов.
В клетке полимеры производятся постоянно с помощью сложных матричных химических реакций. Чтобы получить белок, у одной аминокислоты нужно отсоединить гидроксильную группу OH с одного конца и атом водорода с другого, и только после этого «приклеить» следующую аминокислоту. Нетрудно видеть, что в этом процессе образуется вода, причем снова и снова. Освобождение от воды, дегидратация, — очень древний процесс, ключевой для зарождения жизни. Как он происходил, когда еще не было клетки с ее фабрикой по производству белков? Возникает проблема и с теплым мелким прудом — колыбелью живых систем. Ведь при полимеризации вода должна удаляться, но это невозможно, если ее полно вокруг.