Хімічні елементи космосу. Космохімія: що це? Чорні дірки у Всесвіті
Природа щедро розкидала свої матеріальні ресурси нашою планетою. Але неважко помітити залежність: найчастіше людина використовує ті речовини, запаси сировини яких обмежені, і навпаки, дуже слабко використовує такі хімічні елементи та їх сполуки, сировинні ресурси яких майже безмежні. Справді, 98,6% маси фізично доступного шару Землі становлять лише вісім хімічних елементів: залізо (4,6%), кисень (47%), кремній (27,5%), магній (2,1%), алюміній (8,8%), кальцій (3,6%), натрій (2,6%), калій (2,5%), нікель. Більше 95% всіх металевих виробів, конструкцій найрізноманітніших машин та механізмів, транспортних шляхів виготовляються із залізорудної сировини. Зрозуміло, що така практика марнотратна з погляду як вичерпання ресурсів заліза, і енергетичних витрат за первинну обробку залізорудної сировини.
Дивлячись на наведені тут дані про поширеність восьми названих хімічних елементів, можна сміливо стверджувати про великі можливості використання алюмінію, а потім магнію і, можливо, кальцію у створенні металевих матеріалів найближчого майбутнього, але для цього повинні бути розроблені енергоекономічні методи виробництва алюмінію з метою отримання хлориду алюмінію та відновлення останнього до металу. Цей метод був вже випробуваний у низці країн і дав основу для проектування алюмінієвих заводів великої потужності. Але виплавка алюмінію в масштабах, порівнянних з виробництвом чавуну, сталі та феросплавів, ще не може бути реалізована найближчим часом, тому що це завдання має вирішуватися паралельно з розробкою відповідних алюмінієвих сплавів, здатних конкурувати з чавуном, сталлю та іншими матеріалами із залізорудного .
Широка поширеність кремнію служить постійним докором людству у сенсі надзвичайно низького ступеня використання цього хімічного елемента у виробництві матеріалів. Силікати становлять 97% усієї маси земної кори. І це дає підстави стверджувати, що саме вони мають бути основною сировиною для виробництва практично всіх будівельних матеріалів та напівфабрикатів під час виготовлення кераміки, здатної конкурувати з металами. Треба, крім того, брати до уваги ще й величезні скупчення промислових відходів силікатного характеру, таких як "порожня порода" при видобутку вугілля, "хвости" при видобутку металів із руд, зола та шлаки енергетичного та металургійного виробництва. І саме ці силікати необхідно насамперед перетворювати на сировину для будівельних матеріалів. З одного боку, це обіцяє великі вигоди, оскільки сировину не треба добувати, вона у готовому вигляді чекає на свого споживача. А з іншого - його утилізація є мірою боротьби із забрудненням довкілля.
У космосі найбільш поширені лише два елементи - водень і гелій, решта елементів можна розглядати лише як доповнення до них.
Питання 54. Розвиток уявлень про хімічну будову речовини. Хімічні сполуки.
Хімієюназивають науку про хімічні елементи та їх сполуки.
Історія розвитку хімічних концепцій починається з давніх часів. Демокріт, Епікур висловлювали геніальні думки про те, що всі тіла складаються з атомів різної величини та різної форми, що і зумовлює їх якісну різницю. Аристотель та Емпедокл вважали, що в тілах поєднуються
Перший по-справжньому дієвий спосіб визначення властивостей речовини було запропоновано у другій половині XVII ст. англійським вченим Р. Бойлем (1627-1691). Результати експериментальних досліджень Р. Бойля показали, що якості та властивості тіл залежать від того, з яких матеріальних елементів вони складаються .
У 1860 р. видатним російським хіміком А.М. Бутлерова (1828-1886) була створена теорія хімічної будови речовини - виник більш високий рівень розвитку хімічних знань - структурна хімія.
У цей час зароджувалася технологія органічних речовин.
Під впливом нових вимог виробництва виникло вчення про хімічні процеси , в якому враховувалася зміна властивостей речовини під впливом температури, тиску, розчинників та інших факторів, що замінюють дерево та метал у будівельних роботах, харчову сировину у виробництві оліфи, лаків, миючих засобів та мастильних матеріалів.
У 1960-1970 pp. з'явився наступний, вищий рівень хімічних знань - еволюційна хімія . В її основі лежить принцип самоорганізації хімічних систем, тобто принцип застосування хімічного досвіду високоорганізованої живої природи.
Донедавна хіміки вважали зрозумілим, що слід відносити до хімічних сполук, а що – до сумішей. Ще в 1800-1808 роках. французький вчений Ж. Пруст (1754-1826) встановив закон сталості складу: будь-яка індивідуальна хімічна сполука має строго певний, незмінний склад, міцне тяжіння складових частин (атомів) і тим відрізняється від сумішей
З кінця ХІХ ст. відновилися дослідження, які ставили під сумнів абсолютизацію закону сталості складу. Визначний російський хімік Н.С. Курнаков (1860-1941) в результаті досліджень інтерметалевих сполук, тобто з'єднань, що складаються з двох металів, встановив утворення справжніх індивідуальних сполук змінного складу і знайшов межі їх однорідності на діаграмі "склад-властивість", відокремивши від них області існування з'єднань стехиометр складу. Хімічні сполуки змінного складу він назвав бертолідами, а за з'єднаннями постійного складу залишив назву дальтоніди.
Як показали результати фізичних досліджень, суть проблеми хімічних сполук полягає не так у сталості чи непостійності хімічного складу, скільки у фізичній природі хімічних зв'язків, що поєднують атоми в єдину квантово-механічну систему - молекулу.
Число хімічних сполук величезне. Вони відрізняються як складом, так і хімічними та фізичними властивостями. Але все ж хімічне з'єднання -якісно певну речовину, що складається з одного або кількох хімічних елементів.
Яка найпоширеніша речовина у Всесвіті? Підійдемо до цього питання логічно. Начебто відомо, це водень. Водень Hстановить 74% маси речовини Всесвіту.
Не будемо тут лізти в нетрі непізнаного, не будемо вважати Темну Матерію і Темну Енергію, поговоримо лише про звичайну речовину, про звичні хімічні елементи, розміщені в (на сьогодні) 118 клітинах таблиці Менделєєва.
Водень, як він є
Атомарний водень H 1 це те, з чого складаються всі зірки в галактиках, це основна маса нашої звичної матерії, яку вчені називають баріонної. Баріонна матеріяскладається із звичайних протонів, нейтронів та електронів і є синонімом слова речовина.
Але одноатомарний водень не зовсім хімічна речовина у нашому рідному, земному розумінні. Це – хімічний елемент. А під речовиною ми маємо на увазі якусь хімічну сполуку, тобто. поєднання хімічних елементів. Зрозуміло, що найпростіша хімічна речовина це з'єднання водню з воднем, тобто. звичайний газоподібний водень H 2 який ми знаємо, любимо і яким наповнюємо дирижаблі-цепеліни, від чого вони потім красиво вибухають.
Двотомний водень H 2 заповнює більшість газових хмар та туманностей космосу. Коли під дією власної гравітації вони збираються в зірки, температура, що піднялася, розриває хімічний зв'язок, перетворюючи його в атомарний водень H 1 , а все збільшується температура відриває електрон e- від атома водню, перетворюючи на іон водню або просто протон p+. У зірках вся речовина знаходиться у вигляді таких іонів, що утворюють четвертий стан матерії – плазму.
Знову ж таки, хімічна речовина водень не дуже цікава штука, воно надто просте, давайте шукаємо щось складніше. Сполуки, складені з різних хімічних елементів.
Наступним за поширеністю у Всесвіті йде хімічний елемент гелій He, його у Всесвіті 24% від загальної маси. За ідеєю, найпоширенішим складним хімічною речовиноюмає бути з'єднання водню і гелію, тільки ось біда, гелій - інертний газ. У звичайних і навіть дуже звичайних умовах гелій не з'єднаються з іншими речовинами і сам із собою. Шляхом хитрих хитрощів його можна змусити вступати в хімічні реакції, але такі сполуки рідкісні й зазвичай не живуть.
Отже, потрібно шукати сполуки водню з наступними за поширеністю хімічними елементами.
На частку залишиться лише 2% маси Всесвіту, коли 98% становлять згадані водень і гелій.
Третім за поширенням іде не літій LiЯк могло б здатися, дивлячись на таблицю Менделєєва. Наступний за кількістю елемент у Всесвіті це кисень O, який ми всі знаємо, любимо і дихаємо у вигляді двоатомного газу без кольору та запаху O 2 . Кількість кисню у космосі далеко обганяє й інші елементи з тих 2%, що залишилися з відрахуванням водню і гелію, практично половина залишку, тобто. приблизно 1%.
Отже, найпоширенішою речовиною у Всесвіті виявляється (ми вивели цей постулат логічно, але це так само підтверджується експериментальними спостереженнями) звичайнісінька вода H 2 O.
Води (в основному в замороженому стані у вигляді льоду) у Всесвіті більше ніж будь-чого. За вирахуванням водню та гелію, звичайно.
З води складається все, буквально все. Наша Сонячна Система теж складається із води. Ну, в сенсі Сонце, звичайно, складається в основному з водню та гелію, з них зібрані газові планети гіганти на кшталт Юпітера і Сатурна. Але решта речовини Сонячної Системи зосереджено над кам'яноподібних планетах з металевим ядром типу Землі чи Марса і над кам'яному поясі астероїдів. Основна маса Сонячної Системи в крижаних уламках, що залишилися від її утворення, з льоду складаються комети, більшість астероїдів другого поясу (пояси Койпера) та хмара Оорта, що ще далі.
Наприклад, відома колишня планетаПлутон (нині карликова планетаПлутон) на 4/5 частин складається з льоду.
Зрозуміло, якщо вода знаходиться далеко від Сонця або будь-якої зірки, вона замерзає і перетворюється на лід. А якщо надто близько, випаровується, стає водяною парою, яка відноситься сонячним вітром (потоком заряджених частинок Сонцем) у віддалені регіони зіркової системи, де він замерзає і знову-таки перетворюється на лід.
Але навколо будь-якої зірки (повторюю, навколо будь-якої зірки!) є зона, де ця вода (яка, знову повторюся, є найпоширенішою речовиною у Всесвіті) знаходиться в рідкій фазі води власне.
Зона навколо зірки, оточена зонами, де дуже гаряче і занадто холодно
Рідкої води у Всесвіті до біса. Навколо будь-якої зі 100 мільярдів зірок нашої галактики Чумацький шляхє зони, звані Зоною Проживання, в яких існує рідка водаякщо там знаходяться планети, а вони повинні там перебувати, хай не у кожної зірки, то у кожної третьої, або навіть у кожної десятої.
Скажу більше. Лід може танути не лише від світла зірки. У нашій Сонячній Системі існує маса місячних супутників, що обертаються навколо газових гігантів, де занадто холодно від нестачі сонячного світлаАле на які зате діють потужні приливні сили відповідних планет. Доведено, що рідка вода існує на супутнику Сатурна Енцеладе, передбачається, що вона є на супутниках Юпітера Європі та Ганімеді, і напевно багато де ще.
Водяні гейзери на Енцеладі, зняті зондом Кассіні, що пролітає.
Навіть на Марсі вчені припускають, чи може існувати рідка вода в підземних озерах і кавернах.
Ви думаєте, я зараз почну говорити про те, що якщо вода є найпоширенішою речовиною у Всесвіті, значить привіт інші форми життя, привіт інопланетяни? Ні, саме навпаки. Мені смішно, коли я чую заяви деяких надто захоплених астрофізиків – "шукайте воду, знайдете життя". Або - "на Енцеладі/Європі/Ганімеді є вода, а значить, напевно, там має бути і життя". Або - в системі Глізі 581 виявлено екзопланету, що знаходиться в населеній зоні. Там є вода, терміново споряджаємо експедицію у пошуках життя!"
Води у Всесвіті маса. А ось із життям за сучасними науковими даними поки що якось не дуже.
У книзі викладається актуальна проблема сучасного природознавства- Походження життя. Вона написана на основі найсучасніших даних геології, палеонтології, геохімії та космохімії, які спростовують багато традиційних, але застарілих уявлень про походження та розвиток життя на нашій планеті. Глибока давнина життя та біосфери, порівнянна з віком самої планети, дозволяє автору зробити висновок: походження Землі та життя – єдиний взаємопов'язаний процес.
Для читачів, які цікавляться науками про Землю.
Книга:
<<< Назад
|
Вперед >>> |
Я дивуюсь лише, що цей неймовірно складний механізм ще взагалі працює. Коли думаєш про Життя, стає ясно, як жалюгідна і примітивна наша наука. Очевидно, що властивості живої істоти зумовлюються заплідненою клітиною, так і життя зумовлене існуванням атома, і таїнство всього сущого полягає в найнижчому ступені,
А. ЕйнштейнВзаємини зародків життя та її попередників - складних сполук вуглецю - є першорядне наукове завдання. Перші досліди Л. Пастера, поставлені у другій половині ХІХ ст., показали неможливість у сучасних умовахЗемлі зародження життя – найпростіших живих організмів. Це певною мірою призвело до виникнення ідей панспермії, згідно з якими життя на Землі взагалі ніколи не зароджувалася, а була занесена з космічного простору, де вона існувала у вигляді зародків. Найбільш характерними прихильниками цих уявлень виступили Г. Гельмгольц та С. Арреніус, хоча раніше подібні ідеї висловлювалися Ю. Лібіхом. За С. Арреніус, частинки живої речовини - суперечки або бактерії, що осіли на мікрочастинках космічного пилу, Силою світлового тиску переносяться з однієї планети на іншу, зберігаючи свою життєздатність. При попаданні суперечка на планету з відповідними умовами для життя вони проростають і дають початок біологічної еволюції.
У інших формах ці уявлення відроджуються в наш час. Наприклад, Ф. Хойл висунув ідею про можливість існування мікроорганізмів у міжзоряному просторі. Згідно з його уявленнями, хмари космічного пилу складені переважно бактеріями та спорами. Передбачається, що в проміжку часу 4,6-3,8 млрд. років тому на Землі були можливі дві події - або зародження життя на самій планеті, або привніс мікроорганізмів з космічного простору. Ф. Хойл і С. Вікрамасінг в 1981 р. припустили, що останнє ймовірніше. Згідно з їх розрахунками, щорічно у верхню атмосферу Землі надходить 1018 космічних суперечок, як залишок твердого матеріалу, розсіяного в Сонячній системі. Таким чином, комети є переносниками зародків життя, які утворилися раніше у міжзоряному просторі і лише потім потрапили до хмари Оорта.
Слід зазначити крайню фантастичність висловлених уявлень, які узгоджуються з відомими експериментальними даними. Однак безсумнівно, що життя пов'язане з космосом по атомного складута в енергетичному відношенні. Це можна побачити з табл. 6, в якій дано величини відносного поширення елементів в космосі, летючої фракції комет, в бактеріях і ссавців. Привертає увагу велика близькість, а окремих випадках і тотожність космічного речовини і живої речовини Землі. Головні елементи живої речовини – це поширені елементи космосу. У цьому Н, З, N, Про - типові біофільні елементи - найпоширеніші у природі.
Неважко зробити висновок, що живі організми в першу чергу використовують найбільш доступні атоми, які, крім того, здатні утворювати стійкі та кратні хімічні зв'язки. Відомо, що вуглець може формувати довгі ланцюги, що призводить до виникнення незліченних полімерів. Сірка та фосфор також можуть утворювати кратні зв'язки. Сірка входить до складу білків, а фосфор – до складу нуклеїнових кислот.
У відповідних умовах найпоширеніші атоми поєднуються один з одним, утворюючи молекули, які виявлені в космічних хмарах методами сучасної радіоастрономії. Більшість відомих космічних молекул відноситься до органічних, включаючи найбільш складні 8- і 11-атомні. Таким чином, щодо складу космохімія Всесвіту створює великі можливості для різних комбінацій вуглецю з іншими елементами законів хімічного зв'язку.
Однак проблема утворення молекул у космічних умовах відноситься до найважчих проблем космохімії. Власне, у міжзоряному середовищі, навіть у найбільш щільних її ділянках, елементи знаходяться в умовах, далеких від термодинамічної рівноваги. Через низьку концентрацію речовини хімічні реакції в міжзоряному просторі вкрай малоймовірні. Тому було висловлено припущення, що у побудові міжзоряних молекул беруть участь частки космічного пилу. У найпростішому випадку можуть виникати молекули водню при контакті його атомів з твердими частинками. Найбільш поширені молекули космосу, ймовірно, здатні зароджуватися в умовах зіркових атмосфер при достатній щільності речовини і потім викидатися в космічний простір.
Нині дедалі чіткіше вимальовується роль твердої фази у формуванні молекул органічних речовин, у космічному просторі. Найбільш ймовірні моделі цього процесу розроблені Дж. Грінбергом. На думку вченого, частинки космічного пилу мають складну будову та складаються з ядра переважно силікатного складу, оточеного оболонкою з органічних речовин. В оболонці, мабуть, відбуваються різні хімічні процеси, що ведуть до ускладнення будови первинної речовини. Структура подібних пилових частинок після першої стадії акреції підтверджується шляхом експериментального моделювання на суміші води, метану, аміаку та інших простих молекул, опромінених ультрафіолетовою радіацією при температурі приблизно 10 К. Кожна порошинка веде свій початок від силікатного ядра, що виникло в атмосфері холодної зірок. Навколо ядра формується крижана оболонка. Під дією ультрафіолетового випромінювання деякі молекули оболонки (H 2 O СН 4 NH 3) дисоціюють з утворенням радикалів - реакційноздатних фрагментів молекул. Ці радикали можуть рекомбінувати із заснуванням інших молекул. В результаті тривалого опромінення може з'явитися складніша суміш молекул і радикалів (HN 2 HCO, HOCO, СН 3 ВІН, СН 3 С та ін). При руйнуванні порошинок під впливом космічних факторів з'єднання, що виникли на їх поверхні, утворюють молекулярні хмари.
Якщо судити з величезних мас молекулярних хмар, саме вони - головні резервуари органічного речовини у космосі. Проте знайдені у них органічні сполукивиявляються відносно простими і ще далекими від тих молекулярних систем, які б забезпечити початок життя будь-якому сприятливому планетному тілі.
На особливу увагу заслуговує знаходження органічних речовин у метеоритах. Це дуже важливо розуміння процесів зародження високомолекулярних систем як попередників життя. Слід зазначити, що метеорити спільно зі своїми батьківськими тілами – астероїдами належать до Сонячної системи. Далі вік метеоритів, за даними ядерної геохронології, 4,6-4,5 млрд років, що переважно збігається з віком Землі та Місяця. Отже, метеорити, безперечно, є свідками формування різних хімічних сполук, у тому числі й органічних, на ранніх етапах розвитку Сонячної системи.
У метеоритах знайдено вуглеводні, вуглеводи, пурини, піримідини, амінокислоти, тобто. ті хімічні сполуки, які входять до складу живої речовини, становлячи її основу. Вони зустрінуті в кутистих хондритах і астероїдах певних структур та складу. Найбільше астероїдів рухається у поясі між Марсом та Юпітером. Якщо виходити з даних з космохімії комет, можна вважати, що область формування органічних сполук охоплювала широке місце у межах більшої частини обсягу первинної сонячної туманності. Природно, що у висвітленні загальної проблеми походження життя ми маємо права ігнорувати дані про складі метеоритів. Ця обставина різною мірою враховувалося різними авторами гіпотез про походження життя. Таким чином, ми маємо право зараз розглядати відомі метеорити як історичні документи - справжніх свідків ранньої історії Сонячної системи, що охоплює також процеси формування органічних речовин.
Будь-який метеорит є тверде тіло, що складається з ряду мінеральних фаз. Головними є силікатна (кам'яна), металева (железонікелева) і сульфідна (троілітова). Зустрічаються також інші фази, але вони мають другорядне значення за своїм поширенням. У метеоритах зустрінуті різні мінерали, число яких перевищує 100, але головними породоутворюючими є небагато (олівін, піроксен, польові шпати, нікелісте залізо, троїліт та ін.). Крім того, у метеоритах зустрінуто 20 мінералів, яких немає у земній корі. До них відносяться карбіди, сульфіди та ін, освіта яких пов'язана з різко відновними умовами. Найбільш істотними є концентрації вуглецю, пов'язані з органічною речовиною, в кутистих хондритах.
p align="justify"> Принципово важливі відомості про органічну речовину в метеоритах викладені в роботах Г. П. Вдовікіна, Е. Авдерса, Р, Хаятсу, М. Штудіра. Вперше органічна речовинау складі метеоритів виділив знаменитий хімік І. Берцеліус при аналізі кутистого хондриту Алаїс у 1834 р. Результати його аналізу були настільки вражаючими, що сам він вважав цю речовину біологічного походження. Протягом XIX століття хімічними аналізами було виявлено присутність у метеоритах твердих вуглеводнів, складних сполук органіки із сіркою та фосфором. Найбільш ретельно й ґрунтовно вивчалися кутасті хондрити, значна частина вуглецю яких знаходиться у вигляді органічних сполук. Загальний вміст вуглецю та деяких інших летких речовин в кутистих хондритах характеризується наступними величинами (у ваг. %):
Звідси видно, що вміст вуглецю (а також сірки та води) максимально у кутистих хондритах типу C1, a мінімально в хондритах С3. Таким чином, в даний час не підлягає сумніву та обставина, що в родоначальних тілах кучерявих хондритів в результаті самих процесів їх формування виникли складні органічні сполуки як закономірний підсумок хімічної еволюції ранньої Сонячної системи.
Елементарний хімічний склад кулистих хондритів за вирахуванням летких речовин дуже близький до складу звичайних хондритів. Основні особливості різних типів кутистих хондритів полягають у наступному.
Тип C1 представлений неміцним чорним камінням, при розтиранні пальцями розсипаються в пил. Дрібнозерниста маса становить приблизно 95%. У неї вкраплені хондри (мікрохондри), що складаються з олівіну та магнетиту (розміром 1-50 мкм). Мінеральний склад метеориту цього представлений на рис. 9. Кутисті хондрити типу C1 найбільш багаті на органічні речовини абіогенного походження.
Тип С2 - це сірувато-чорне каміння, значно щільніше, ніж C1. В основну дрібнозернисту масу, що становить 60% обсягу, вкраплені значно більші хондри, ніж у типу C1. Спостерігаються зрощення первинних мікрохондр у єдиний кристал.
Тип С3 являє собою тверде каміння темно-сірого, зеленувато-сірого або сірого кольору. Дрібнозерниста маса займає 35%. Хондр досить великі і добре виражені.
Поширеність багатьох хімічних елементів у вуглистих хондритах типу C1 виявляє ряд характерних відносин, які зближують їх із речовиною Сонця. Інакше кажучи, ці кутасті хондрити є застиглою сонячною речовиною, позбавленою легких газів.
Органічні речовини, знайдені у метеоритах, перераховані у табл. 7. Як видно, їх список досить значний. Більшість з цих сполук у тій чи іншій мірі відповідає універсальним ланкам обміну речовин, відомих у живих організмах: амінокислот, білковоподібних полімерів, моно- та полінуклеотидів, порфіринів та інших сполук. Близькість до складу органічних комплексів біологічного походження виявилася настільки великою, деякі автори стали навіть припускати, що у минулому живі організми зустрічалися у самих метеоритах. З цього питання виникла жвава дискусія у 60-х роках. Проте ретельні дослідження органічних сполук із метеоритів не підтвердили наявності оптичної активності, що свідчить про їхнє абіогенне походження.
Порівняння органічних речовин метеоритного походження з продуктами штучних реакцій типу Фішера-Тропша та викопними органічними речовинами біологічного походження показує їхню велику близькість, зокрема щодо вмісту деяких вуглеводнів. Наприклад, у метеоритах переважають вуглеводні з 16 атомами в молекулі, що також спостерігається у земних об'єктах та продуктах лабораторних експериментів.
Метеорити є уламками більших тіл - астероїдів, більша частинаяких знаходиться в астероїдному поясі з відривом 2,3-3,3 а. е. від Сонця. За останні 10 років в результаті астрофізичних спостережень астероїдів в області видимої частини спектра та інфрачервоних хвиль отримані дані, що мають першорядне значення для встановлення генетичних взаємин між астероїдами та метеоритами. Шляхом порівняння відбивної спроможності метеоритів та астероїдів вдалося встановити, що майже всі відомі класи метеоритів мають своїх аналогів серед вивчених астероїдів.
Залежно від відбивної здатності астероїди поділяються на дві основні великі групи- темні або С-астероїди, і відносно світлі, або S-астероїди. Для перших характерно низьке альбедо – менше 0,05, для других – понад 0,1. За спектральними відбивними здібностями група Зблизька до кутистих хондритів, a S -до залізокам'яних метеоритів та звичайних хондритів. Останні фотометричні виміри загалом підтверджують єдність матеріалу метеоритів та астероїдів. Тому всі мінеральні, хімічні та структурні особливості метеоритів, отримані та вивчені у земних лабораторіях, можуть бути перенесені на астероїди.
В результаті проведених досліджень вдалося встановити, що в різних сферах астероїдного поясу склад астероїдів різний. У межах Сонячної системи виявлено принципово важливу космохімічну закономірність: склад астероїдів залежить від геліоцентричної відстані. У внутрішній частині пояса астероїдів знаходяться тіла, близькі до звичайних хондритів, але з збільшенням відстані від Сонця, в межах 2,5-3,3 а. е., їх стає менше, а число астероїдів типу кутистих хондритів, які займають панівне становище в середині та крайових частинах астероїдного поясу, збільшується. Загалом, за даними сучасних спостережень, в астероїдному поясі навіть переважають куто-хондритові тіла.
Якщо дійсно більшість астероїдів має склад кутистих хондритів, то цілком природно, що вони містять багато органічної речовини, яка визначає їх темне забарвлення та низьку відбивну здатність. Так, найнижчу відбивну здатність має астероїд Бамберга (альбедо 0,03). Це чорний і великий об'єкт в астероїдному поясі, що має діаметр близько 250 км.
За Останнім часомвеликий інтерес викликають комети. Були висловлені припущення, що вони брали участь у виникненні життя на Землі або принаймні могли зробити певний внесок до її ранньої атмосфери. Вони могли і доставити на поверхню планети, що зароджувалась, перші органічні молекули. Встановилася думка, що комети найкраще відображають первинні умови у Сонячній системі.
Більшість комет знаходиться на самій периферії Сонячної системи, в так званій хмарі Оорта. Вони мають надзвичайно витягнуті орбіти і перебувають у сотні і тисячі разів далі від Сонця, ніж Плутон. З далекої області до Сонця наближаються довгоперіодичні комети. Загалом комета є грудкою брудного снігу. «Сніг» у кометі складний звичайним водяним льодом із домішкою Вуглекислий газта інших замерзлих газів невідомого складу. «Бруд» є частинками силікатних порід різного розміру, вкраплені в кометний лід. Можна вважати, що у зв'язку з відсутністю хімічних взаємодій комети є незайманими зразками початкової речовини, з якої утворилася Сонячна система.
У міру наближення до Сонця летюча речовина комет випаровується та відкидається світловим тиском, утворюючи гігантський хвіст. Всі кометні явища, що спостерігаються, визначаються процесами, пов'язаними з виділенням газів і пилу. Іони H + , OH - , O - і H 2 O +, що входять до складу кометних хвостів, походять в основному від молекул води, хоча, ймовірно, присутні й інші сполуки водню. Атоми, радикали, молекули та іони подаються в наступному вигляді: 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; поблизу Сонця - Ca, CO, Cr, Cu, Fe, V; в хвості - CH +, CO +, CO 2 +, CN +, N 2 +.
Усюди в кометах виявляються біофільні елементи, в основному С, Про, N і Н. В даний час про велику частку ймовірності встановлено, що кометні молекули близькі до тих, які необхідні для передбіологічної еволюції. Вони можуть бути представлені молекулами амінокислот, пуринів, піримідинів. Як зазначає А. Дельсемм, існує кілька груп даних, що вказують на те, що кометний пил має природу хондритових метеоритів. По-перше, вона складається переважно із силікатів та сполук вуглецю. По-друге, співвідношення металів, що випарувалися з комет під час проходження поблизу Сонця, відповідають типовим для хондритів співвідношенням. По-третє, пилові частинки космічного походження, що відбивають, ймовірно, речовину комет, дуже близькі до складу матеріалу вуглистих хондритів. І справді, аналіз зразків космічного пилу вказує на те, що 80% або більше пилових частинок розміром менше 1 мм складається з речовини, подібної до углистих хондритів. Деякі вчені порівняли вміст вуглецю в кометах і вуглистих хондритах і дійшли висновку, що не менше 10% речовини комет є органічними сполуками. Природа виявлених в кометах хімічних сполуки вказує на велику ймовірність того, що молекули, що їх породжують, за своєю складністю порівняні принаймні з молекулами міжзоряного простору.
Таким чином, усі дані щодо космохімії метеоритів, астероїдів та комет свідчать про те, що утворення органічних сполук у Сонячній системі на ранніх стадіях її розвитку було типовим та масовим явищем. Найбільш інтенсивно воно проявилося в просторі майбутнього кільця астероїдів, але охоплювало різного ступенята інші області протопланетної сонячної туманності, включаючи, ймовірно, ту область, з якої виникла Земля. Однак хімічна еволюція речовини протосонячної туманності, дійшовши до певного етапу формування складних органічних сполук, виявилася ніби замороженою у більшості тіл Сонячної системи, і лише на Землі вона тривала, досягнувши неймовірної складності у вигляді живої речовини.
<<< Назад
|
Вперед >>> |
У 1806 р., у розпал наполеонівських воєн, поблизу французького містечка Але впав незвичайний метеорит. Це було лише через три роки після того, як метеорити були офіційно "визнані" паризькою академією наук. Але була просто втрачена, і лише один з них через 28 років потрапив до лабораторії знаменитого шведського хіміка Йєнса Якоба Берцеліуса.
Спочатку вчений подумав, що сталася помилка – метеорит Але не був ні кам'яним, ні залізним, ні залізо – мінним. Кора плавлення (поверхневий шар), однак, свідчила про космічне походження незвичайного каменю, родоначальника найрідкіснішого і тоді ще невідомого типу метеоритів – кулистих хондритів.
Метеорит Але містив органічну масу, розчинну у питній воді. При нагріванні його частинки буріли та обвугливалися. явна ознакаприсутності органічних сполук, сполук вуглецю. (Ми нагадаємо, що такі прості вуглецевмісні сполуки, як з, з 2, вугільна кислота Н 2 з 3 та її солі, - це сполуки неорганічні.) Хоча подібність із земними речовинами того ж типу була очевидною, берцеліус резонно зазначив, що цей факт "ще не є Доказом Присутності Організм у Початковому Джерелу".
Робота берцеліуса започаткувала вивчення органічних сполук у метеоритах. На жаль, досі матеріал, доступний дослідженню, дуже рідкісний. Вугілі хондрити дуже неміцні - їх легко навіть пальцями розтерти в порошок (і при цьому, повторюємо, з'являється характерний запах нафти. Взагалі рідкісні серед метеоритів, вугілі хондрити до того ж легко руйнуються при польоті в атмосфері землі. Та й потрапивши на земну поверхню. , як правило, безслідно пропадають, змішавшись із земними породами, тому що в усьому світі знайдено і збережено поки що лише два десятки вуглистих хондритів.
Через чотири роки після того, як були опубліковані роботи берцеліуса, в 1838 р. в південній Африці впав ще один кучерявий хондрит, досліджений потім відомим німецьким хіміком Фрідріхом велером - тим самим велером, якому за кілька років до цього вдалося отримати речовину тваринного походження - сечовину - із неорганічної речовини.
Велер виділив з метеорита нафтоподібну маслянисту речовину "з сильним бітумінозним запахом" і, на відміну від берцеліуса, дійшов висновку, що такі речовини, "якщо спиратися на сучасний рівень знань", можуть бути синтезовані тільки живими організмами. Зауважимо, що кількість органічного матеріалу, що виділяється з кутистих хопдритів, невелика – близько одного відсотка. Але й цього цілком достатньо, щоб зробити важливі висновки.
У 1864 р., знову у Франції, поблизу села ор - гейль, випав метеоритний дощ із вуглистих хондритів - випадок винятковий історія астрономії. Французький хімік клець суворо довів, що нерозчинна у воді чорна речовина метеорита оргейль є органічними сполуками, а зовсім не графіт або аморфний вуглець. Його вразила подібність цих органічних сполук з подібними ж речовинами, що знаходяться в торфі або бурому вугіллі. У доповіді, поданій паризькій академії наук, клець стверджував, що органічні речовини в метеоритах, "Мабуть, можуть вказувати на існування організованої матерії на небесних тілах".
З того часу протягом майже століття вивчення органіки метеоритів велося епізодично, час від часу, без будь-яких суттєвих узагальнень. Серед цих нечисленних робіт слід згадати дослідження метеориту мігеї, виконані 1889 р. Ю. в. симашко. Російський вчений також виявив у цьому кулистому хондриті органічні речовини бітумінозного типу.
Фото кучерявий хондрит.
Не слід думати, що це органічні речовини неодмінно пов'язані з життям чи, більше, є приналежністю живих істот. Астрономам відомі численні найпростіші вуглецевмісні утворення, які безумовно не мають безпосереднього відношення до життя. Такі, скажімо, радикали СН та CN, що спостерігаються у міжзоряному просторі та атмосферах холодних зірок. Більше того, в умовах космосу, мабуть, постійно йде синтез складних органічних сполук до амінокислот включно. У цьому переконують, зокрема, цікаві експерименти американського дослідника Р. берджера. За допомогою прискорювача елементарних частинок він бомбардував протонами суміш метану, аміаку та води, охолоджену до - 230 с. всього через кілька хвилин у цій крижаній суміші вчений виявив сечовину, ацетамід, ацетон. У цих дослідах берджер по суті моделював умови міжпланетного простору. Потік протонів імітував первинні космічні промені, а суміш метаноаміачних і звичайних льодів– це, по суті, типова модель кометного ядра.
Інший відомий американський біохімік М. Калвін бомбардував потоком швидких електронів суміш водню, метану, аміаку та водяної пари. У цих експериментах був отриманий аденін - одна з чотирьох азотистих основ, що входять до складу нуклеїнових кислот. Чи не такі процеси відбувалися у первинній атмосфері землі та деяких інших планет?
Складається враження, що в космосі з неорганічних речовин та неорганічним шляхом створюються білковоподібні сполуки - "напівфабрикати" можливого майбутнього життя.
Таким чином, наявність органічних речовин у метеоритах сама по собі ще ніяк не може свідчити про існування життя небесних тілах. Ці речовини могли виникнути і абіогенно, без будь-якого безпосереднього зв'язку з життям. Для доказу протилежного потрібні більш вагомі аргументи.
Саме в такому плані ведеться дискусія в сучасній науці про метеорити. Суперечка ще не закінчена, але отримані результати становлять величезний інтерес.
Ще в 1951-1952 роках. англійський біохімік Мюллер виділив з вуглистого хондрнта бітумінозні сполуки. По суті, він повторив роботи берцеліуса, велера і клеца, але на незрівнянно вищому рівні. У метеоритних бітумах набагато більше сірки, хлору та азоту, ніж у подібних земних сполуках, ця обставина спонукала Мюллера зробити висновок, що бітуми в метеоритах мають абіогенне походження.
З інших позицій до тієї ж проблеми підійшли вже згаданий М. Калвін та с. он. Доповідь, представлена ними у 1960 р. на міжнародний симпозіум із вивчення космічного простору, була озаглавлена багатозначно: "позаземне життя. Деякі органічні складові метеоритів та їх значення для можливої біологічної еволюції поза землею". Американські дослідники виділяли із зразків кулистого хондриту леткі речовини, які потім пропускали через мас-спектрометр. У цих експериментах визначалася відносна маса уламків невідомих молекул і, крім того, досліджувалися інфрачервоні та ультрафіолетові спектри екстрактів вуглець, що містять сполук метеориту. Результати приголомшливі вийшли.
З кутистого хондриту вдалося виділити речовину, як дві краплі води схоже на цитозин, - ще одна з чотирьох азотистих основ. Знайшли у метеориті і суміш вуглеводнів, схожу на нафту земного походження.
Наступного, 1961 р., у нью-йоркській академії наук жваво обговорювалася робота трьох американських хіміків - Г. Надя, Д. Хенессі та у. майнтайну. З кутистих хондритів вони виділили набір парафінів, дуже схожий на той, який входить до складу шкірки яблук або бджолиного воску. У зв'язку з цим загострилися суперечки й довкола проблеми походження нафти.
Ми досі точно не знаємо, звідки взялася нафта - джерело пального для літаків, кораблів та автомобілів, найцінніша сировина для нафтохімії. Чи утворилася нафта в результаті розкладання організмів, що колись жили, або "Чорне Золото" є продуктом якогось складного абіогенного синтезу? Якщо правильна перша гіпотеза, бітуми в метеоритах можна розглядати як сліди позаземного життя. Тільки в тому випадку, якщо нафта - неорганічного походження, то метеоритні бітуми не мають жодного прямого відношення до життя поза землею, а, мабуть, виникли внаслідок абіогенних процесів.
Ми вже говорили про експерименти, що моделюють утворення органічних сполук за умов міжпланетного простору. Ще легше уявити собі подібний абіогенний синтез у надрах земноподібної планети. Органічні речовини у метеоритах виникли абіогенно – ось головна теза тих, хто не вважає метеорити носіями залишків якихось позаземних організмів. Таку позицію відстоюють Андерс, Бріггс, у нас у радянському союзі - дослідник кулистих хондритів Г. П. Вдовикін. На його думку, "вивчення спектрів різних небесних тіл показує, що вуглець є одним, з найбільш поширених елементів в них: він виявляється у вигляді елемента (з 2, з 3) і у вигляді сполук (СН 2, CN, з 2 та ін .) У всіх типах небесних тіл ці складові атмосфер і зоряного простору могли полімеризуватися з утворенням складних органічних молекул "(Л. Кузнєцова. Тринадцять загадок неба. М., сов. Росія, 1967 вогник."
Найбільш жваві дискусії нині довкола загадкових "Організованих Елементів ідуть". Вперше ці дивні включення діаметром від 5 до 50 мкм виявили в 1961 р. Н. Надь та Д. Клаус при дослідженні зразків чотирьох кулистих хондритів. Зовні вони нагадували земні копалини мікроскопічні водорості. Серед них американські дослідники виділили за морфологічними ознакамип'ять типів об'єктів, причому деякі з об'єктів виявилися спареними, як би загиблими в процесі клітинного поділу. Майже всі з "Організованих Елементів" були схожі на найпростіші рослини, що живуть тільки у воді, і ця обставина, на думку Надя та Клауса, виключала можливість забруднення метеориту з ґрунту. Пізніше Ф. стаплін та інші виявили "Організовані Елементи" в ряді кулистих хондритів, причому всі дослідники відзначали їхню подібність з деякими одноклітинними водоростями.
У 1962 р. ленінградський геолог б. в. Тимофєєв із метеоритів Саратов та мигея виділив дивні спороподібні утворення. Їх було більше двох десятків - жовтувато-сірих, крихітних, порожнистих, майже сферичних оболонок, що мають у діаметрі від 10 до 60 мкм. Оболонки виявилися одношаровими, різними по товщині, іноді зім'ятими у чітко окреслені складки. За словами дослідника, "поверхня оболонок гладка, рідше дрібнобугорчаста. На одній з форм видно круглий отвір - продих, характерний для деяких одноклітинних водоростей. Багато з зазначених Знахідок можуть бути порівняні з найдавнішими на землі викопними одноклітинними водоростями, що жили більше 600 млн. років тому тому, але їх не можна віднести до жодної групи рослинного світунашої планети "(вогник, 1962, номер 4, с. 12."
Нуклеїнові кислоти
Нуклеїнові кислоти
Дезоксирибонуклеїнові та рибонуклеїнові кислоти, універсальні компоненти всіх живих організмів, відповідальні за зберігання, передачу та відтворення (реалізацію) генетичної інформації. На два типи всі Н. до. ділять за вуглеводним компонентом молекул: дезоксирибозе у дезоксирибонуклеїнових кислот (ДНК) і рибозе у рибонуклеїнових кислот (РНК). Біологічна роль ДНК у більшості організмів полягає у зберіганні та відтворенні генетичної інформації, а РНК - у реалізації цієї інформації у будові молекул білків (Білки) у процесі їх синтезу.
Нуклеїнові кислоти були виявлені в 1868 р. швейцарським ученим Мішером (F. Miescher), який встановив, що ці речовини локалізуються в ядрах клітин, мають кислотними властивостямита на відміну від білків містять фосфор. Хімічно Н. до є полінуклеотидами, тобто. біополімерами, побудованими з мономерних ланок - мононуклеотидів, або нуклеотидів (фосфорних ефірів так званих нуклеозидів - похідних пуринових та піримідинових азотистих основ, D-рибози або 2-дезокси-D-рибози). Пуриновими основами, що входять до молекули ДНК, є аденін (А) і гуанін (Г), піримідиновими - цитозин (Ц) і тимін (Т). У нуклеозидах РНК замість тиміну є урацил (У). У полінуклеотидний ланцюг нуклеотиди з'єднуються за допомогою фосфодіефірного зв'язку (рис. 1).
Первинна структура Н. до. визначається порядком чергування азотистих основ, які просторова конфігурація - нековалентними взаємодіями між ділянками молекули: водневими зв'язками між азотистими основами, гидрофобными взаємодіями між площинами пар основ, електростатичними взаємодіями з участю негативно заряджених фосфатних груп і протии.
Дезоксирибонуклеїнові кислоти, виділені з різних організмів, відрізняються за співвідношенням азотистих основ, що входять до їх складу, тобто. за нуклеотидним складом, який у всіх ДНК підпорядковується правилу Чаргаффа: 1) число молекул аденіну в молекулі Н. до. дорівнює кількості молекул тиміну, тобто. А = Т; 2) число молекул гуаніну дорівнює кількості молекул цитозину, тобто. Г = Ц; 3) число молекул пуринових основ дорівнює числу молекул піримідинових основ; 4) число 6-аміногруп дорівнює числу 6-кетогруп, що означає, що сума аденін + цитозин дорівнює сумі гуанін + тимін, тобто. А + Ц = Г + Т. Правило Чаргафа справедливе і для так званих мінорних азотистих основ (метильованих або інших похідних пуринових та піримідинових основ). Таким чином, нуклеотидний склад кожної ДНК характеризується постійною величиною – молярним співвідношенням.
(фактором специфічності) чи відсотковим змістом Г-Ц-пар, тобто.
Розмір останнього показника практично однакова для організмів одного класу. У вищих рослин та хребетних тварин вона становить 0,55-0,93.
У журналі Nature було опубліковано дослідження, яке продемонструвало, що органічні сполуки, з несподівано високим рівнем складності, існують по всьому Всесвіту. Ці результати дозволяють припустити, що комплексні органічні сполуки можуть створюватися зірками.
Професор Сун Куок та доктор Йонг Жанг з Гонконзького університету продемонстрували, що органічні субстанції у Всесвіті складаються як з ароматичних (циклічна форма), так і з аліфатичних (ланцюжка) сполук. Ці сполуки настільки складні, що їх хімічна структура нагадує вугілля або нафту. Оскільки вугілля та нафта є залишками стародавнього життя, Вважалося, що подібна форма органічної матерії утворюється виключно з живих організмів. Відкриття команди дозволяє припустити, що комплексні органічні сполуки можуть бути синтезовані у космосі навіть у відсутності будь-яких форм життя.
Вчені досліджували таємничий феномен: набір інфрачервоних випромінювань у зірках, міжзоряному просторі та галактиках. Їхні спектральні сигнатури відомі під назвою "невідомі інфрачервоні викиди". Протягом понад двох десятиліть, найбільш широко прийнятою теорією щодо джерел виникнення подібних сигнатур, була думка, що це прості органічні молекули, що складаються з атомів вуглецю та водню, що називають поліциклічні ароматичні вуглеводні (ПАУ). Ведучи спостереження за допомогою Інфрачервоної космічної обсерваторії та Космічного телескопа "Спітцер", Куок та Жанг продемонстрували, що спектр випромінювання неможливо пояснити наявністю молекул ПАУ. Команда висунула думку, що субстанції, що генерують подібне інфрачервоне випромінювання, мають набагато складнішу хімічну структуру.
Зірки як створюють це комплексне органічне речовина, а й виштовхують їх у міжзоряний простір. Отримані результати цілком узгоджуються з більш ранньою ідеєю, запропонованою Куоком, за якою старі зірки є молекулярними фабриками, здатними виготовляти органічні суміші. "Наша робота продемонструвала, що зірки без проблем справляються зі створенням складних органічних сполук за умов майже повного вакууму", - сказав Куок. "Теоретично це неможливо, але ми можемо це бачити".
Ще цікавішим є той факт, що за будовою цей органічний зоряний пил схожий на комплексні органічні сполуки, які знаходять у метеоритах. Оскільки метеорити є залишками ранньої Сонячної системи, виникає питання про те, чи могли зірки збагатити ранню. Сонячну системуорганічні сполуки. Питання, яку роль ці сполуки грали у процесі зародження та розвитку життя Землі, залишається відкритим.
«Вуглець зустрічається в природі як у вільному, так і в сполученому стані, у різних формах і видах. У вільному стані вуглець відомий принаймні у трьох видах: у вигляді вугілля, графіту та алмазу. У стані сполук вуглець входить до складу про органічних речовин, т. е. безлічі речовин, що у тілі будь-якої рослини і тварини. Він знаходиться у вигляді вуглекислого газу у воді та повітрі, а у вигляді солей вуглекислоти та органічних залишків у ґрунті та масі земної кори. Різноманітність речовин, що становлять тіло тварин і рослин, відома кожному. Віск і масло, скипидар і смола, бавовняний папір і білок, клітинна тканина рослин і м'язова тканина тварин, винна кислота і крохмаль - всі ці та безліч інших речовин, що входять в тканини та соки рослин і тварин, являють собою вуглецеві сполуки. Область сполук вуглецю така велика, що становить особливу галузь хімії, тобто хімії вуглецевих або, краще, вуглеводневих сполук».
Ці слова з «Основ хімії» Д. І. Менделєєва служать як би розгорнутим епіграфом до нашої розповіді про життєво важливий елемент - вуглецю. Втім, є тут одна теза, з якою, з погляду сучасної наукипро речовину можна і посперечатися, але про це нижче.
Мабуть, пальців на руках вистачить, щоб перерахувати хімічні елементи, яким не було присвячено хоча б одну наукову книгу. Але самостійна науково-популярна книга - не якась брошурка на 20 неповних сторінках з обкладинкою з обгорткового паперу, а солідний том обсягом майже 500 сторінок - є в активі лише одного елемента - вуглецю.
І взагалі література з вуглецю - найбагатша. Це, по-перше, все без винятку книги та статті хіміків-органіків; по-друге, майже все, що стосується полімерів; по-третє, незлічені видання, пов'язані з горючими копалинами; по-четверте, значна частина медикобіологічної літератури.
Тому не намагатимемося осягнути неосяжне (адже не випадково автори популярної книги про елемент № 6 назвали її «Невичерпний»!), а сконцентруємо увагу лише на головному з головного – спробуємо побачити вуглець із трьох точок зору.
Вуглець - один із нечисленних елементів «без роду, без племені». Історія спілкування людини з цією речовиною йде в часи доісторичні. Ім'я першовідкривача вуглецю невідоме, невідомо й те, яка з форм елементного вуглецю – алмаз чи графіт – була відкрита раніше. І те й інше сталося надто давно. Безперечно стверджувати можна лише одне: до алмазу і до графіту було відкрито речовину, яку ще кілька десятиліть тому вважали третьою, аморфною формою елементного вуглецю - вугілля. Але насправді вугілля, навіть деревне, це не чистий вуглець. У ньому є водень, і кисень, і сліди інших елементів. Правда, їх можна видалити, але і тоді вуглець не стане самостійною модифікацією елементного вуглецю. Це було встановлено лише у другій чверті ХХ століття. Структурний аналізпоказав, що аморфний вуглець - це сутнісно той самий графіт. А отже, ніякий він не аморфний, а кристалічний; тільки кристали його дуже дрібні та більше в них дефектів. Після цього почали вважати, що вуглець Землі існує лише у двох елементарних формах - як графіту і алмазу.
Відео Органічні сполуки у космосі
Алканів. Будова та номенклатура
За визначенням алкани – граничні чи насичені вуглеводні, мають лінійну чи розгалужену структуру. Також називають парафінами. Молекули алканів містять лише одинарні ковалентні зв'язкиміж атомами вуглецю Загальна формула –
Щоб назвати речовину, необхідно дотриматися правил. За міжнародною номенклатурою назви формуються за допомогою суфікса -ан. Назви перших чотирьох алканів склалися історично. Починаючи з п'ятого представника, назви складаються з приставки, що означає кількість атомів вуглецю, і суфікса -ан. Наприклад, окта (вісім) утворює октан.
Для розгалужених ланцюгів назви складаються:
- із цифр, що вказують номери атомів вуглецю, біля яких стоять радикали;
- із назви радикалів;
- із назви головного ланцюга.
Приклад: 4-метилпропан – у четвертого атома вуглецю в ланцюзі пропану є радикал (метил).
Рис. 1. Структурні формули із назвами алканів.
Кожен десятий алкан дає назву наступним дев'яти алканам. Після декана йдуть ундекан, додекан і далі, після ейкозану – генейкозан, докозан, трикозан тощо.
Органічні та неорганічні речовини. Органічні речовини
Органічні сполуки від неорганічних, передусім, своїм складом. Якщо неорганічні речовини можуть бути утворені будь-якими елементами Періодичної системи, то до складу органічних повинні неодмінно входити атоми C і H. Такі сполуки називають вуглеводнями (CH4 – метан, C6H6 – бензол). Вуглеводнева сировина (нафта та газ) приносить людству величезну користь. Однак і чвари викликає неабиякі.
Похідні вуглеводнів містять у своєму складі ще й атоми O і N. Представники кисневмісних органічних сполук – спирти та ізомерні їм прості ефіри (C2H5OH та CH3-O-CH3), альдегіди та їх ізомери – кетони (CH3CH2CHO та CH3COCH3), ефіри (CH3-COOH та HCOOCH3). До останніх належать також жири та воски. Вуглеводи - теж кисневмісні сполуки.
Чому ж вчені об'єднали речовини рослинні та тварини в одну групу – органічні сполуки та в чому їхня відмінність від неорганічних? Одного чіткого критерію, що дозволяє розділити органічні та неорганічні речовини, немає. Розглянемо низку ознак, що поєднують органічні сполуки.
- Склад (побудовані з атомів C, H, O, N, рідше P та S).
- Будова (зв'язку З-Н і С – З обов'язкові, вони утворюють різної довжини ланцюга та цикли);
- Властивості (всі органічні сполуки горючі, утворюють при горінні СО2 та H2O).
Серед органічних речовин багато полімерів природного (білки, полісахариди, натуральний каучук та ін.), штучного (віскоза) та синтетичного (пластмаси, синтетичні каучуки, поліестер та інші) походження. Вони мають великий молекулярною масоюі складнішим, проти неорганічними речовинами, будовою.
Зрештою, органічних речовин налічують понад 25 мільйонів.
Це лише поверховий погляд на органічні та неорганічні речовини. Про кожну з цих груп написано не один десяток наукових праць, статей та підручників.
Як ми вже позначали вище, живою речовиною оболонки Землі, що розглядається, вважається вся сукупність організмів, що належать до всіх царств природи. Особливе становище серед усіх займають люди. Причинами цього стали:
- споживча позиція, а не продукуюча;
- розвиток розуму та свідомості.
Всі інші представники – це жива речовина. Функції живої речовини були розроблені та вказані Вернадським. Він відводив таку роль організмам:
- Окисно-відновна.
- Деструктивна.
- Транспортні.
- Середоутворююча.
- Газова.
- Енергетична.
- Інформаційна.
- Концентраційна.
Найголовніші функції живої речовини біосфери - газова, енергетична та окислювально-відновна. Однак і решта теж є важливими, що забезпечують складні процеси взаємодії між усіма частинами та елементами живої оболонки планети.
Розглянемо кожну з функцій докладніше, щоб зрозуміти, що саме мається на увазі й у чому суть.
Нескінченно різноманітні живі організми складаються з обмеженого набору атомів, появою якого ми значною мірою завдячуємо зіркам. Найпотужніша подія у житті Всесвіту - Великий Вибух- Заповнило наш світ речовиною дуже мізерного хімічного складу.
Вважається, що об'єднання нуклонів (протонів і нейтронів) у просторі, що розширюється, не встигло просунутися далі гелію. Тому догалакгічний Всесвіт був заповнений майже виключно ядрами водню (тобто протонами) з невеликою - приблизно чверть по масі - добавкою ядер гелію (альфа-частинок). Більше у ній, крім легких електронів, був практично нічого. Як саме відбувалося первинне збагачення Всесвіту ядрами важчих елементів, ми поки що сказати не можемо. До цього дня не виявлено жодної «первинної» зірки, тобто об'єкта, що складається тільки з водню та гелію. Існують спеціальні програми пошуку зірок з низьким вмістом металів (нагадаємо, що астрономи домовилися називати «металами» всі елементи важчими за гелій), і ці програми показують, що зірки «екстремально низької металевості» в нашій Галактиці вкрай рідкісні. Вони є, у деяких рекордних екземплярів вміст, наприклад, заліза поступається сонячному в десятки тисяч разів. Однак таких зірок – одиниці, і цілком може виявитися, що «в їх особі» ми маємо справу не з «майже первинними» об'єктами, а просто з якоюсь аномалією. Загалом навіть у найстаріших зірках Галактики містяться неабиякі кількості вуглецю, азоту, кисню і більш важких атомів. Це означає, що навіть найстародавніші галактичні світила - насправді не перші: до них у Всесвіті вже були якісь «фабрики» з виробництва хімічних елементів.
Європейська інфрачервона космічна обсерваторія Herschel виявила в БТО спектральні відбитки органічних молекул. На зображенні на інфрачервоний знімок Туманності Оріона, отриманий космічним телескопом Spitzer (NASA), накладено її спектр, знятий спектрографом високої роздільної здатності HIFI обсерваторії Herschel. Він наочно демонструє її насиченість складними молекулами: у спектрі легко ототожнюються лінії води, моноксиду вуглецю та діоксиду сірки, а також органічних сполук – формальдегіду, метанолу, диметилового ефіру, синильної кислоти та їх ізотопних аналогів. Непідписані піки належать численним поки що не ідентифікованим молекулам. |
Наразі вважається, що такими фабриками могли бути надмасивні зірки так званого населення третього (III) типу. Справа в тому, що важкі елементи – не просто «приправа» до водню та гелію. Це важливі учасники процесу зіркоутворення, які дозволяють протозірковому газовому згустку, що стискається, скидати тепло, що виділяється при стисканні. Якщо позбавити його такого тепловідведення, він просто не зможе стиснутися - тобто не зможе стати зіркою... Точніше, зможе, але лише за умови, що його маса дуже велика - у сотні та тисячі разів більша, ніж у сучасних зірок. Оскільки зірка живе тим менше, чим більша її маса, перші гіганти існували дуже недовго. Вони прожили короткі яскраві життя й вибухнули, не залишивши жодного сліду, крім атомів важких елементів, які встигли синтезуватися у надрах чи утворилися безпосередньо під час вибухів.
У сучасному Всесвіті практично єдиним постачальником важких елементів є зіркова еволюція. Найбільшою мірою таблицю Менделєєва «заповнюють», швидше за все, зірки, маса яких перевищує сонячну більш ніж на порядок. Якщо на Сонці та інших подібних світилах термоядерний синтез в ядрі не заходить далі кисню, то масивніші об'єкти в процесі еволюції набувають «цибулинної» структури: їх ядра оточені шарами, і чим глибший шар – тим важчі ядра в ньому синтезуються. Тут ланцюжок термоядерних перетворень закінчується не киснем, а залізом, з утворенням проміжних ядер - неону, магнію, кремнію, сірки та інших.
|
Велика Туманність Оріону (БТО) - одна з найближчих областей зіркоутворення, що містить велику кількість газу, пилу та новонароджених зірок. Одночасно ця туманність є однією з найбільших «хімічних фабрик» у нашій Галактиці, причому її справжня «потужність», як і шляхи синтезу в ній молекул міжзоряної речовини, астрономам поки що не зовсім зрозумілі. Це зображення отримано за допомогою камери широкого поля (Wide Field Imager Camera), встановленій на 2,2-метровому телескопі MPG/ES0 обсерваторії Ла Сілья в Чилі. |
ОРГАНІЧНІ МОЛЕКУЛИ У КОСМОСІ |
Щоб збагатити Всесвіт цією сумішшю, мало синтезувати атоми – потрібно ще й викинути їх у міжзоряний простір. Це відбувається при спалаху наднової: коли у зірки утворюється залізне ядро, вона втрачає стійкість і вибухає, розкидаючи навколо себе частину продуктів термоядерного синтезу. Принагідно в оболонці, що розлітається, відбуваються реакції, що породжують ядра важче заліза. До схожого результату призводять і спалахи наднових іншого типу - термоядерні вибухи на білих карликах, маса яких через перетікання речовини з зірки-супутника або завдяки злиттю з іншим білим карликом стає більше межі Чандрасекара (1,4 сонячної маси).
У збагачення Всесвіту рядом елементів - у тому числі вуглецем і азотом, необхідними для синтезу органічних молекул - помітний внесок вносять також менш масивні зірки, що закінчують своє життя утворенням білого карлика і планетарної туманності, що розширюється. На завершальному етапі еволюції в їх оболонках також починають відбуватися ядерні реакції, що ускладнюють елементний склад речовини, що пізніше викидається в космічний простір.
У результаті міжзоряна речовина Галактики, і до цього дня що складається в основному з водню та гелію, виявляється забрудненою (або збагаченою - це вже як подивитися) атомами більш важких елементів.
|
Букмінстерфулерени (скорочено «фулерени» або «букіболи») - крихітні сферичні структури, що складаються з парного числа (але не менше 60) вуглецевих атомів, сполучених на кшталт візерунка футбольного м'яча - вперше були виявлені в спектрах планетарної туманності в Малому Магеллановому Хмарі , Однією з найближчих до нашої Галактики зіркових систем. Відкриття здійснила у липні 2010 р. робоча групакосмічного телескопа Spitzer (NASA), що веде спостереження в інфрачервоному діапазоні. Загальна маса фулеренів, що містяться в туманності, всього в п'ять ра? менше маси Землі. На тлі знімка ММО, зробленого телескопом Spitzer, показано збільшене зображення планетарної туманності (менше врізання) і знайдених у ній молекул фулерену (велике врізання), що складаються з 60 атомів вуглецю. До теперішнього часу вже отримано повідомлення про реєстрацію характерних ліній подібних молекул у спектрах об'єктів, розташованих у межах Чумацького Шляху. |
ОРГАНІЧНІ МОЛЕКУЛИ У КОСМОСІ |
Ці атоми переносяться загальними «течіями» галактичного газу, разом з ним згущуються в молекулярні хмари, потрапляють у протозіркові згустки та протопланетні диски... щоб зрештою стати частиною планетних систем та тих істот, які їх населяють. Принаймні один приклад такої населеної планети нам відомий цілком достовірно.
Органіка з неорганіки
Земне життя - у всякому разі, з наукової точкизору - заснована на хімії і є ланцюжком взаємоперетворень молекул. Правда, не якихось, а дуже складних, але все-таки молекул - комбінацій атомів вуглецю, водню, кисню, азоту, фосфору і сірки (і пари десятків елементів, що рідше зустрічаються) в різних пропорціях. Складність навіть найпримітивніших «живих» молекул тривалий час заважала розпізнати у них звичайні хімічні сполуки. Існувало уявлення про те, що речовини, що входять до складу живих організмів, наділені особливою якістю - « життєвою силою», тому займатися їх вивченням має спеціальна галузь науки – органічна хімія.
Одним із переломних моментівв історії хімії вважаються досліди Фрідріха Велера (Friedrich Wohler), який у 1828 р. вперше синтезував сечовину – органічну речовину – з неорганічного (ціанату амонію). Ці досліди стали першим кроком на шляху до найважливішої концепції – визнання можливості зародження життя з «неживих» інгредієнтів. У конкретних хімічних термінах її вперше сформулював на початку 1920-х радянський біолог Олександр Опарін. На його думку, середовищем для виникнення життя на Землі стала суміш простих молекул (аміаку, води, метану та ін.), відома зараз як «первинний бульйон». У ньому під впливом зовнішніх «вприскування» енергії (наприклад, блискавок) небіологічним шляхом синтезувалися найпростіші органічні молекули, які потім за дуже тривалий термін «зібралися» у високоорганізовані живі істоти.
Експериментальним доказом можливості органічного синтезу в «первинному бульйоні» на початку 1950-х років стали знамениті досліди Геролда Юрі та Стенлі Міллера (Harold Urey, Stanley Miller), які полягали у пропущенні електричних розрядів крізь суміш перелічених вище молекул. Через кілька тижнів експерименту в цій суміші знаходили багатий асортимент органіки, включаючи найпростіші амінокислоти та цукри. Ця наочна демонстрація простоти абіогенезу мала відношення не лише до проблеми походження земного життя, а й до більш масштабної проблеми життя у Всесвіті: оскільки жодні екзотичні умови для синтезу органіки на молодій Землі не були потрібними, логічно було б припустити, що подібні процеси мали місце (або матимуть місце) на інших планетах.
Пошук ознак життя
Якщо до середини XX століття як найбільш ймовірне місце проживання «братів по розуму» розглядався фактично тільки Марс, то після закінчення Другої світової війни встановлення контактів на міжзоряних відстанях стало здаватися справою найближчого майбутнього. Саме на той час зародилися основи нової науки, що знаходиться на стику астрономії та біології. Її називають по-різному – екзобіологія, ксенобіологія, біоастрономія – але найчастіше використовується назва «астробіологія». І одним із найнесподіваніших астробіологічних відкриттів за останні десятиліття стало усвідомлення того факту, що найпростішим «цеглинкам» життя не було необхідності синтезуватися на Землі з неживої матерії, в «первинному бульйоні». Вони могли потрапляти на нашу планету вже в готовому стані, бо органічні молекули, як з'ясувалося, удосталь присутні не тільки на планетах, а й - чого навіть не підозрювали - у міжзоряному газі.
Найпотужнішим інструментомвивчення позаземного речовини є спектральний аналіз. Він заснований на тому, що електрони в атомі знаходяться в станах - або, як заведено говорити, займають рівні - зі строго певними енергіями, і переходять з рівня на рівень, випромінюючи або поглинаючи фотон, енергія якого дорівнює різниці енергій початкового та кінцевого рівня. Якщо атом знаходиться між спостерігачем і будь-яким джерелом світла (наприклад, фотосферою Сонця), він «виїдатиме» зі спектра цього джерела лише фотони певних частот, здатні викликати переходи електронів між енергетичними рівнями даного атома. У діапазоні цих частотах з'являться темні провали - лінії поглинання. Оскільки набір рівнів індивідуальний як кожного атома, але й кожного іона (атома, позбавленого однієї чи кількох електронів), по набору спектральних ліній можна надійно встановити, які саме атоми їх породили. Наприклад, лініями в спектрі Сонця та інших зірок можна дізнатися, з чого складаються їх атмосфери.
У 1904 р. Йоханнес Хартман (Johannes Hartmann) першим встановив важливий факт: не всі лінії у спектрах зірок виникають у зіркових атмосферах. Деякі з них породжуються атомами, що знаходяться набагато ближче до спостерігача – не біля зірки, а у міжзоряному просторі. Так було вперше виявлено ознаки існування міжзоряного газу (точніше, лише одного з його компонентів – іонізованого кальцію).
Не можна сказати, що це стало відкриттям, що шокує. Зрештою, чому б у міжзоряному середовищі (МОЗ) не перебувати іонізованого кальцію? Але думка про те, що в ній можуть бути не тільки іонізовані та нейтральні атоми різних елементів, а й молекули, тривалий час здавалася фантастичною. МЗС на той час вважалася місцем, непридатним для синтезу хоч скільки-небудь складних сполук: вкрай низькі щільності та температури повинні уповільнювати швидкість хімічних реакцій у ній практично до нуля. А якщо раптом якісь молекули там все ж таки з'являться, вони негайно знову розпадуться на атоми під дією світла зірок.
Тому між відкриттям міжзоряного газу та визнанням існування міжзоряних молекул минуло понад 30 років. Наприкінці 1930-х років в ультрафіолетовій області спектра було знайдено лінії поглинання МЗС, які спочатку не вдавалося приписати будь-якому хімічному елементу. Пояснення виявилося простим та несподіваним: ці лінії належать не окремим атомам, а молекулам – найпростішим двоатомним сполукам вуглецю (СН, CN, СН+). Подальші спектральні спостереження в оптичному та ультрафіолетовому діапазонах дозволили виявити лінії поглинання понад десяток міжзоряних молекул.
«Підказка» радіоастрономії
Справжній розквіт досліджень міжзоряного "хімічного асортименту" розпочався після появи радіотелескопів. Справа в тому, що енергетичні рівні в атомі - якщо не вдаватися в подробиці - пов'язані тільки з рухом електронів навколо ядра, але молекули, що об'єднують кілька атомів, мають додаткові «рухи», що відображаються в спектрі: молекула може обертатися, вібрувати, закручуватися. .. І з кожним із цих рухів пов'язана енергія, яка, як і енергія електрона, може мати лише фіксований набір значень. Різні стани молекулярного обертання чи коливання також називаються «рівнями». При переході з рівня до рівня молекула також випромінює або поглинає фотон. Важлива відмінність полягає в тому, що енергії обертальних та коливальних рівнів порівняно близькі. Тому їхня різниця невелика, і фотони, що поглинаються або випромінюються молекулою при переході з рівня на рівень, потрапляють не в ультрафіолетовий і навіть не в видимий діапазон, а в інфрачервоний (коливальні переходи) та в радіодіапазон (обертальні переходи).
Радянський астрофізик Йосип Шкловський першим звернув увагу на те, що спектральні лінії випромінювання молекул слід шукати в радіодіапазоні. Саме він писав про молекулу (точніше, вільний радикал) гідроксилу ВІН, яка за певних умов стає джерелом радіовипромінювання на довжині хвилі 18 см, дуже зручною для спостережень із Землі. Саме гідроксил і став першою молекулою в МЗС, виявленою у 1963 р. у ході радіоспостережень та доповненою список уже відомих двоатомних міжзоряних молекул.
Але далі стало цікавіше. У 1968 р. були опубліковані результати спостережень трьох-і чотирихатомних молекул - води та аміаку (Н20, NH3). А через рік з'явилося повідомлення про відкриття в МЗС першої органічної молекули - формальдегіду (Н 2 СO). З тих пір астрономи відкривають по кілька нових міжзоряних молекул щорічно, так що зараз їхнє число перевищило дві сотні. Звичайно, домінують у цьому списку прості з'єднання, Що включають від двох до чотирьох атомів, але значну частину (понад третину) складають багатоатомні молекули.
Добру половину багатоатомних міжзоряних сполук у земних умовах ми однозначно віднесли б до органіки: формальдегід, диметиловий ефір, метиловий та етиловий спирт, етиленгліколь, метилформіат, оцтова кислота... Найдовшу молекулу з числа відкритих у МЗС було знайдено у 1997 році. в одному із щільних згустків молекулярної хмари ТМС-1 у сузір'ї Тельця. Для Землі це дуже звичайне з'єднання з сімейства цианополиинов, що є ланцюжок з 11 атомів вуглецю, одного кінця якої «прикріплений» атом водню, до іншого - атом азоту. У цьому ж згустку виявлено й інші органічні молекули, але з якихось причин він особливо багатий на молекули ціанополіїнів з вуглецевими ланцюжками різної довжини (3, 5, 7, 9, 11 атомів), за що отримав назву «ціанополіїновий пік».
Ще один відомий об'єкт із багатим «органічним змістом» - молекулярна хмара Sgr B2(N), розташована поблизу центру нашої Галактики у напрямку сузір'я Стрільця. У ньому відкрито багато складних молекул. Однак воно не має в цьому відношенні якоїсь винятковості - швидше, тут спрацьовує ефект пошуку під ліхтарем. Виявлення нових молекул, особливо органічних - дуже складне завдання, і спостерігачі часто вважають за краще направляти телескопи на ті ділянки неба, які з більшою ймовірністю обіцяють успіх. Тому ми дуже багато знаємо про концентрацію органіки в молекулярних хмарах Тельця, Оріона, Стрільця, і майже не маємо інформації про зміст складних молекул у багатьох інших подібних хмарах. Але це зовсім не означає, що органіки там немає – просто до цих об'єктів ще «антени не дійшли».
Проблеми розшифровки
Тут слід пояснити, що у разі означає «складність». Навіть елементарний аналіз зоряних спектрів – дуже непросте завдання. Так, набір ліній кожного атома та іона суворо індивідуальний, але в спектрі зірки одна на одну накладаються лінії багатьох десятків елементів, і «розсортувати» їх буває дуже нелегко. У разі спектрів органічних молекул ситуація ускладнюється відразу за кількома напрямами. Більшість численних ліній випромінювання (поглинання) атомів та іонів потрапляє у вузький спектральний діапазон, доступний спостережень із Землі. У складних молекул кількість ліній також обчислюється тисячами, але ці лінії розкидані значно ширше - від ближнього ІЧ-діапазону (одиниці та десятки мікрометрів) до радіодіапазону (десятки сантиметрів).
Припустимо, хочемо довести, що у молекулярному хмарі є молекула акрилонитрила (CH 2 CHCN). Для цього потрібно, по-перше, знати, в яких лініях випромінює цю молекулу. Але для багатьох з'єднань такі дані відсутні! Теоретичні методи далеко не завжди дозволяють розрахувати положення ліній, а в лабораторії спектр молекули часто не вдається виміряти, наприклад тому, що її складно виділити в чистому вигляді. По-друге, необхідно розрахувати відносні інтенсивності цих ліній. Їхня яскравість залежить від властивостей молекули і від параметрів середовища (температури, щільності тощо), в якому вона знаходиться. Теорія дозволить передбачити, що в досліджуваному молекулярному хмарі лінія на одній довжині хвилі повинна бути в три рази яскравішою за лінію тієї ж молекули на іншій довжині хвилі. Якщо знайдено лінії на потрібних довжинах хвиль, але з неправильним ставленням інтенсивностей – це вагомий привід засумніватися у правильності їхньої ідентифікації. Зрозуміло, для впевненого виявлення молекули потрібно провести спостереження хмари максимально широкому спектральному діапазоні. Але значна частина електромагнітного випромінювання із космосу не досягає поверхні Землі! Значить, доводиться або спостерігати спектр молекули фрагментарно у вікнах прозорості земної атмосфери, що, звичайно, не додає надійності отриманим результатам, або використовувати космічний телескоп, що вдається зробити вкрай рідко. Нарешті, не варто забувати, що лінії шуканої молекули доведеться виділяти серед інших молекул, яких там десятки різновидів, і кожна - тисячі ліній...
Тож не дивно, що до ототожнення деяких «представників» космічної органіки астрономи йдуть роками. Показовою в цьому відношенні є історія виявлення в МЗС гліцину - найпростішої амінокислоти. Хоча повідомлення про реєстрацію в спектрах молекулярних хмар характерних ознакцієї молекули з'являлися неодноразово, факт її наявності все ще не є загальновизнаним: хоча багато ліній, які начебто належать гліцину, реально спостерігаються, інші очікувані лінії в спектрах відсутні, що дає привід засумніватися в ідентифікації.
Лабораторії міжзоряного синтезу
Але все це – складності спостережень. Теоретично за останні десятиліття ситуація з міжзоряним органічним синтезом суттєво прояснилася, і тепер ми чітко розуміємо, що початкові уявлення про хімічну інертність МЗС були невірними. Для цього, звичайно, довелося попередньо багато дізнатися про її склад і фізичні властивості. Значна частка обсягу міжзоряного простору справді «стерильна». Вона заповнена дуже гарячим та розрідженим газом із температурами від тисяч до мільйонів кельвінів і пронизана жорстким високоенергетичним випромінюванням. Але трапляються в Галактиці й окремі конденсації міжзоряної речовини, де температура низька (від одиниць до десятків кельвінів), а щільність - помітно вища за середню (сотні і більше частинок на кубічний сантиметр). Газ у цих конденсаціях перемішаний з пилом, який ефективно поглинає жорстке випромінювання, у результаті їх внутрішній простір - холодне, щільне, темне - виявляється зручним місцем для протікання хімічних реакцій і накопичення молекул. В основному такі «космічні лабораторії» зустрічаються в молекулярних хмарах, що вже згадувалися. Сукупно вони займають менше відсотка загального обсягу галактичного диска, але в них зосереджена приблизно половина маси міжзоряної матерії Чумацького Шляху.
|
Ароматичні вуглеводні (ПАУ) - найбільш складні сполуки, виявлені в міжзоряному просторі. На цьому інфрачервоному знімку області зіркоутворення в сузір'ї Кассіопеї показані структури молекул деяких з них (атоми водню – білі, вуглецю – сірі, кисню – червоні), а також кілька їх характерних спектральних ліній. Вчені вважають, що у найближчому майбутньому спектри ПАУ матимуть особливу цінність для розшифровки хімічного складуміжзоряного середовища методами інфрачервоної спектроскопії |
ОРГАНІЧНІ МОЛЕКУЛИ У КОСМОСІ |
Елементний склад молекулярних хмар нагадує склад Сонця. В основному вони складаються з водню – точніше, молекул водню Н2 з невеликою «добавкою» гелію. Інші елементи є на рівні незначних домішок з відносним вмістом близько 0,1% (для кисню) і нижче. Відповідно і молекул, що включають ці домішкові атоми, теж дуже мало по відношенню до найпоширенішої молекули Н2. Але чому ці молекули загалом утворюються? На Землі для хімічного синтезу використовуються спеціальні установки, що забезпечують досить високі густини та температури. Як працює міжзоряний «хімічний реактор» – холодний та розріджений?
Тут слід пам'ятати, що астрономія має справу з іншими масштабами часу. На землі нам потрібно отримати результат швидко. Природа нікуди не поспішає. Синтез міжзоряної органіки займає сотні тисяч та мільйони років. Але навіть для таких повільних реакцій необхідний каталізатор. У молекулярних хмарах його відіграють частки космічних променів. Першим кроком до синтезу складних органічних молекул вважатимуться формування зв'язку С-Н. Але якщо просто взяти суміш молекул водню та атомів вуглецю - цей зв'язок сам по собі утворюватися не буде. Інша річ - якщо частину атомів і молекул якимось чином перетворити на іони. Хімічні реакції за участю іонів протікають значно швидше. Саме цю початкову іонізацію і забезпечують космічні промені, ініціюючи ланцюжок взаємодій, у ході яких атоми важких елементів (вуглецю, азоту, кисню) починають «причіпляти» до себе атоми водню, утворюючи прості молекули, у тому числі і виявлені в МЗС насамперед ( СН та СН+).
Подальший синтез іде ще легше. Двохатомні молекули приєднують до себе нові атоми водню, перетворюючись на три- і чотирихатомні (СН 2 +, СН 3 +), багатоатомні молекули починають реагувати між собою, трансформуючись у більш складні сполуки - ацетилен, синильну кислоту (HCN), аміак, формальдегід, , у свою чергу, стають «цеглинками» для синтезу комплексної органіки.
Після того, як космічні промені дали первинний поштовх хімічним реакціям, важливим каталізатором міжзоряного органічного синтезу стають частинки космічного пилу. Вони не тільки захищають внутрішні області молекулярних хмар від руйнівного випромінювання, але й надають свою поверхню для ефективного виробництва багатьох неорганічних і органічних молекул. У сукупності реакцій неважко уявити освіту як гліцину, а й складніших сполук. У цьому сенсі можна сказати, що завдання виявлення найпростішої амінокислоти має скоріше спортивний зміст: хто першим впевнено знайде її у космосі. У тому, що гліцин у молекулярних хмарах є, вчені не сумніваються.
Як вижити «молекулам життя»
Загалом, зараз вважатимуться доведеним, що з синтезу органіки не обов'язковий «первинний бульйон». Природа чудово справляється із цим завданням і в космічному просторі. Але чи міжзоряна органіка має якесь відношення до появи життя? Дійсно, зірки та планетні системи утворюються в молекулярних хмарах і, природно, «вбирають» їхню речовину. Однак, перш ніж стати планетою, ця речовина проходить через досить жорсткі умови протопланетного диска і не менш жорсткі умови молодої Землі. На жаль, наші можливості досліджувати еволюцію органічних сполук у протопланетних дисках дуже обмежені. За розміром вони дуже малі, і шукати в них органічні молекули набагато складніше, ніж у молекулярних хмарах. Поки що у планетних системах інших зірок, що формуються, виявлено близько десятка молекул. Звичайно, до них входять і прості органічні сполуки (зокрема, формальдегід), але докладніше еволюцію органіки в цих умовах ми поки що описати не можемо.
На допомогу приходять дослідження нашої планетної системи. Щоправда, їй уже понад чотири з половиною мільярди років «від роду», але частина її первинної протопланетної речовини й досі збереглася в деяких метеоритах. Саме в них велика кількість органіки виявилася цілком вражаючою - особливо в так званих кулистих хондритах, що становлять кілька відсотків від загальної кількості«небесного каміння», що впали на Землю. Вони мають рихлу глинисту структуру, багаті на пов'язану воду, але головне - значну частину їхньої речовини «займає» вуглець, що входить до складу безлічі органічних сполук. Метеоритна органіка складається з відносно простих молекул, серед яких є і амінокислоти, і азотисті основи, і (карбонові кислоти, і «нерозчинна органічна речовина», що є продуктом полімеризації (осмолення) більш простих сполук. Звичайно, ми не можемо зараз впевнено сказати, що ця органіка була «успадкована» з речовини протосонячного молекулярного згустку, але непрямі ознаки цього вказують - зокрема, у метеоритах виявлено явний надлишок ізотопомерів низки молекул.
Ацетальдегід (ліворуч) та його ізомери – вініловий спирт та окис етилену – також виявлені у міжзоряному просторі. |
||
10 восьмиатомних |
У 1997 р. радіоспостереження підтвердили наявність у космосі оцтової кислоти. |
|
9 дев'ятиатомних молекул та 17 молекул, що містять від 10 до 70 атомів |
Одні з найважчих (і довгих) молекул, знайдених у космічному просторі, відносяться до класу поліїнів - вони містять кілька потрійних зв'язків, які послідовно з'єднані в ланцюжок одинарними зв'язками. У земних умовах не трапляються. |
|
МОЛЕКУЛИ, ВІДКРИТІ ДО СПРАВЖНЬОГО ЧАСУ В МІЖЗІРКОВОМУ ПРОСТОРІ |
Ізотопомери або ізотопологи називають молекули, в яких один або кілька атомів заміщені неосновним (не найпоширенішим) ізотопом хімічного елемента. Наприклад, ізотопом є важка вода, в якій легкий ізотоп водню протий заміщений дейтерієм. Особливість хімії молекулярних хмар у тому, що у них ізотопомери утворюються дещо ефективніше, ніж «звичайні» молекули. Наприклад, вміст дейтерованого формальдегіду (HDCO) може становити десятки відсотків від вмісту звичайного формальдегіду - при тому, що в цілому атомів дейтерію (D) в космосі в сотню тисяч разів менше, ніж атомів протию (Н). Така ж «перевага» міжзоряні молекули віддають ізотопу азоту 15N проти звичайного 14N. І таке ж відносне перезбагачення спостерігається у метеоритній органіці.
Поки що з наявних даних можна зробити три важливі висновки. По-перше, органічні сполуки дуже високого ступеня складності дуже ефективно синтезуються у міжзоряному середовищі нашої та інших галактик. По-друге, ці з'єднання можуть зберігатися в протопланетних дисках і входити до складу планетезималей - «зародків» планет. І нарешті, навіть якщо органіка «не пережила» сам процес формування Землі чи іншої планети, вона цілком могла потрапити туди пізніше з метеоритами (як це відбувається й у наші дні).
Звичайно, виникає питання про те, як далеко міг зайти органічний синтез на допланетному етапі. А що, якщо з метеоритами на Землю потрапили не «цеглинки» для зародження життя, а саме життя? Зрештою, на початку XX століття здавалася неможливою поява у МЗС навіть простих двоатомних молекул. Тепер ми масово знаходимо в молекулярних хмарах речовини, назви яких важко вимовити з першого разу. Виявлення в МЗС амінокислот - найімовірніше, лише питання часу. Що ж заважає зробити наступний крок і уявити, що метеорити занесли на Землю життя «в готовому вигляді»?
І справді, вже кілька разів у літературі з'являлися повідомлення про те, що у метеоритах виявлено залишки найпростіших позаземних організмів... Однак поки що ці відомості надто ненадійні та розрізнені, щоб можна було впевнено включити їх до загальної картини походження життя.