8. Силлен; "миф о предбиологическом бульоне"

Рассмотренная модель устойчивого химизма океанских вод не изменяется при уменьшении парциального давления кислорода [19]. Значит, химизм морской воды сам по себе не может служить основой для реконструкции состава древней атмосферы. Однако, зная реакционную способность отдельных компонентов силленовской модели, мы можем попытаться рассчитать, при какой концентрации свободного кислорода станет невозможным существование в океане свободных "органических" молекул, иными словами, при каком содержании кислорода в атмосфере молекулы типа СН₄ в океане окисляются.

Необходимые расчеты выполнил сам Силлен, распространив свои выводы о равновесии между твердой, жидкой и газообразной фазами на равновесие соединений углерода и морской воды. Расчеты показали, что СН₄, например, будет иметь "разумную "химическую активность" (на языке химиков это означает - сможет существовать) только при крайне низких давлениях кислорода (фиг. 83). Согласно этим расчетам, СН₄ мог бы присутствовать в морской воде в значительных количествах только при log р(О₂) = -75. В наше время в атмосфере содержится 6 o 1023 моль свободного кислорода, т. е. парциальное давление кислорода р (О₂) составляет 0,21 атм. Умножив число молей на число Авогадро, получим число молекул свободного кислорода на Земле: 3,6⋅10⁴³. Парциальное давление, соответствующее llog р (O₂) = -75, означает 6/10²³ частей молекулы кислорода на всей Земле. Такую атмосферу, конечно, можно назвать бескислородной.

Фиг. 83. Зависимость логарифмов активности (l) для С_тверд., СН_4газ, СО_2газ, и Н_2газ от log p(O₂) и рЕ в силленовской модели морской воды [47]. Можно выделить следующие области: I - присутствует СаСO_3тверд.; Iа - переходная между I и II, присутствуют и СаСO_3тверд., и Стверд.; II - присутствует С_тверд.; III - нет ни СаСО₃, ни С. Показана только восстановительная часть области I. В современных условиях log р(О₂) равен 7⋅10^-1, а рЕ = ±12,5. СН, имеет нулевую химическую активность (т. е. может существовать) только при падении парциального давления кислорода ниже log p(О₂) = -75

Таковы расчеты химика. Они основаны на экстраполяции констант равновесия и активности, найденных в растворах с поддающейся измерению концентрацией исследуемых ионов. Такая экстраполяция формально допустима, но для нашей проблемы она не имеет смысла. Конечно, химическое равновесие в реакциях с участием свободного кислорода еще недостаточно изучено. Так, Силлен [47] разбирает равновесие между гематитом и магнетитом:

В зависимости от активности участвующих в реакции веществ равновесие может быть достигнуто при парциальных давлениях кислорода от р(О₂) = 10^-1,1 (что близко к современному значению р(О₂) = (10^-0,7) до р(О₂) = 10^-117. Конечно, неясные исходные Данные будут еще уточняться.

Но даже независимо от этой неопределенности приходится признать, что такая экстраполяция равновесных реакций совершенно бессмысленна. Задолго до того, как будут достигнуты эти низкие концентрации, на первый план выступит кинетика, а настоящее равновесие не достигается. Другими словами, как уже было отмечено, настоящего равновесия между литосферой и бескислородной первичной атмосферой в целом не было. Как мы уже говорили, состав осадочных пород, формировавшихся в ранние периоды геологической истории, не зависел от равновесий (или зависел не только от них). Главным фактором была кинетика процессов, т. е. определяющую роль играла скорость окисления, выветривания, переноса и осаждения. Впрочем, все вышесказанное отнюдь не обесценивает работу Силлена, с интересом принятую и поддержанную всеми геохимиками, интересующимися этим предметом. Я только предостерегаю от слишком прямолинейного распространения этих вполне разумных выводов на другие проблемы.

Как станет ясно из следующих двух глав, вопрос о том, что именно играет преобладающую роль - кинетика или равновесие, для нас особенно важен при рассмотрении ситуации, при которой содержание свободного кислорода составляет от 0,001 до 0,1 его содержания в современной атмосфере; это соответствует парциальным давлениям примерно от 0,0002 до 0,02 атм, т. е. р(О₂) от 7⋅10^-4 до 7⋅10^-3. Вопрос о возможности образования океанического "первичного бульона" решается, видимо, скоростью диффузии молекул кислорода в морской воде, которая и определяла возможность существования соединений углерода в первобытном океане. Но мы до сих пор не знаем, каково относительное значение кинетики и равновесия при этих уровнях содержания кислорода.

Чтобы придать смысл результатам своих расчетов, Силлен предложил несколько согласующихся с ними гипотез. Две из них мы рассмотрим. Первая состоит в том, что жизнь могла начаться с появления "органических" соединений, синтезированных в равновесных реакциях, протекавших в необычных условиях, например в очень кислых вулканических водах, или в смеси веществ, адсорбированных на глинах первобытных озер и лагун, или в сильно выпаренных растворах. В таких частично изолированных системах отпадают ограничения, связанные с количеством компонентов и другие, свойственные системе в целом. Другая гипотеза такова: "органические" вещества могли возникать в неравновесных реакциях, например в результате неорганического фотосинтеза под действием ультрафиолета, создававших эти вещества быстрее, чем они разрушались в других реакциях.

Мы уже говорили и будем говорить еще о первом предложенном здесь способе уйти от строгих ограничений, накладываемых константами равновесия. Пример подобных процессов мы видим в наши дни в лагунах, где вследствие испарения происходит отложение гипса и соли, хотя соленость океанской воды неизменна (3,5%). Из гл. X мы уже знаем, что такие "необычные" условия среды были, очевидно, более распространены в спокойные геосинклинальные периоды, когда материки были нивелированы эрозией и окружены мелководными шельфовыми морями. Вот почему я, как геолог, предпочитаю думать, что если уж выбирать наиболее вероятную среду возникновения жизни из предлагаемых Силленом "необычных" сред, то это должны были быть именно подобные районы, а не кислые вулканические воды. К тому же в озерах и лагунах имеются пласты глин, на которых могли идти процессы адсорбции. Таким образом, берналовское "возникновение жизни на берегах океанов" [7] (гл. X, разд. 4) превращается скорее в "возникновение жизни в озерах и лагунах". Итак, рассмотренные выше равновесные реакции указывают, что "бульон" был, вероятнее всего, "озерным" или "лагунным", а не океаническим.

Вторая гипотеза (т. е. формирование "органических" веществ в неравновесных реакциях) кажется мне не менее важной, чем первая. Она означает, что преджизнь могла сохраняться, не будучи в равновесии со своей средой. Конечно, жизнь тоже не находится в равновесии с окружающей средой, но это неравновесное состояние поддерживается биохимическими реакциями в клетке, отделенной от внешнего мира полупроницаемыми мембранами. Преджизнь, не имея таких мембран, могла существовать лишь потому, что скорость образования свойственных ей соединений была выше, чем скорость их распада. Это вполне возможно: во-первых, от Солнца шел мощный поток квантов света, а во-вторых, окисление возникших за счет этой энергии веществ в бескислородной атмосфере было затруднено. Как видите, здесь мы вновь приходим от равновесных реакций к относительным скоростям синтеза и распада, а это уже область кинетики.

Подведем итог. В условиях равновесия "первичный бульон" не мог образоваться в обычных океанских водах, даже если океан соприкасался с бескислородной атмосферой. Но этот "бульон" мог возникать в необычных условиях вроде тех, которые создаются в озерах и лагунах. Впрочем, и здесь он, по-видимому, не находился в состоянии равновесия со средой. Следовательно, изучая проблему-происхождения жизни, нельзя целиком полагаться на расчеты химического равновесия.