О составах земных атмосферы и гидросферы в период возникновения жизни

А. П. Дегтярёв

Аннотация


Вопрос о возникновении земной жизни наталкивается на ряд не решенных теоретических трудностей. Одна из них состоит в том, что до сих пор не ясны геохимические условия, в которых возникла жизнь. С биохимических позиций требуется среда, в которой присутствовали бы в значительных количествах восстановленные формы азота (аммиак, аммоний, циановодород) в сочетании с фосфатом, формальдегидом. В условиях современной Земли таких геохимических условий нет. Вторая трудность в том, что аммиак в атмосфере довольно быстро распадается благодаря фотолизу. Еще одна трудность в том, что фосфат высаживается ионами железа, кальция, так что присутствие их в океане исключает накопление фосфата. В данной работе предлагается непротиворечивый вариант, при котором нужные геохимические условия соблюдены. Проблема неустойчивости аммиака в атмосфере обходится положением, что восстановленный азот концентрировался в морской среде в виде аммония, скомпенсированного ионами хлора. Делается вывод, что современный хлоридно-натриевый состав океана сформировался из аммонийно-хлоридного путем постепенного вытеснения аммиака в атмосферу поступающими с континента ионами натрия. Высокие значения рН, задаваемые свободным аммиаком и гидрокарбонатом Na, позволяли очистить океан от ионов Са2+ и Fe2+, давая возможность накапливаться фосфату. Длительное присутствие аммония в воде и аммиака в атмосфере дало время возникнуть жизни. Предполагается разреженная (0,35–0,45 бар) водяно-углекислотно-азотная атмосфера с небольшим содержанием аммиака и метана. Приводятся данные по космохимии, метеоритике и планетологии, которые указывают на возможность появления хлорида аммония и фосфата в экзосфере ранней Земли. В подтверждение гипотезы дается сравнение резервуаров C, N, Cl в экзосферах Земли и Венеры. Сделан вывод, что исходные резервуары на двух планетах были близки, причем резервуары N и Cl на обеих планетах были коррелированы.


Ключевые слова


возникновение жизни; прогенот; катархей; архейская атмосфера; возникновение океана; сравнительная планетология

Полный текст:

PDF

Как процитировать материал

Литература


Литература

Список русскоязычной литературы

1. Виноградов АП. Химическая эволюция Земли. Изд. АН СССР, М.; 1959.

2. Виноградов АП. Атомные распространенности химических элементов солнца и каменных метеоритов. Геохимия. 1962;(4):291-6.

3. Виноградов АП. Введение в геохимию океана. М.: Наука; 1967.

4. Витязев АВ. Новое о ранней Земле. Физика Земли. 2012;(3):46-51.

5. Витязев АВ, Печерникова ГВ. Происхождение геосфер: новые результаты и остающиеся проблемы. 2004;(1):7-11. URL: https://elibrary.ru/contents.asp?id=33188730

6. Войткевич ГВ. Происхождение и химическая эволюция Земли. М.: Наука; 1983.

7. Воропаев СА, Душенко НВ, Кривенко АП, Федулов ВС, Рязанцев КМ, Корочанцев АВ. Особенности дегазации углистого хондрита Аllende (CV3) в интервале температур 200–800С. Астрономический вестник. 2023;57(6):583-94. https://doi.org/10.31857/S0320930X23050079

8. Галимов ЭМ. Об эволюции углерода Земли. Геохимия. 1967;(5):530-6.

9. Галимов ЭМ. Геохимия стабильных изотопов углерода. М.: Недра; 1968.

10. Галимов ЭМ. Проблемы геохимии углерода. Геохимия. 1988;(2):258-78.

11. Галимов ЭМ. Предпосылки и условия возникновения жизни. Задачи исследования. Геохимия. 2005;(2):467-84.

12. Галимов ЭМ. Условия зарождения жизни на Земле. Биосфера. 2009;1(1):39-47.

13. Галимов ЭМ. Роль низкой светимости Солнца в истории биосферы. Геохимия. 2017;(5):383-401. https://doi.org/10.7868/S0016752517050065

14. Гаррелс РМ, Маккензи ФТ. Эволюция осадочных пород. М.: Мир; 1974.

15. Гаррелс РМ. Круговорот углерода, кислорода и серы в течение геологического времени. М.: Наука; 1975.

16. Григорьев НА. Среднее содержание химических элементов в горных породах, слагающих верхнюю часть континентальной коры. Геохимия. 2003;(7):785-92.

17. Грин Н, Стаут У, Тейлор Д. Биология. Т. 3. М.: Мир; 1993.

18. Додд РТ. Метеориты. Петрология и геохимия. М: Мир; 1986.

19. Дорофеева ВА. База данных по составу комет. В кн.: Луканин ОА, ред. Труды Всероссийского ежегодного семинара по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии. Материалы докладов. 2019. С.270-4. https://doi.org/10.2205/2012NZ_ASEMPG

20. Дорофеева ВА. Химический и изотопный состав кометы 67Р/Чурюмова-Гарасименко (обзор результатов космической миссии Rosetta-Philae): следствия для космогонии и космохимии. Космический вестник 2020;54(2):110-34. https://doi.org/10.31857/S0320930X20020024

21. Дривер Дж. Геохимия природных вод. М.: Мир; 1985.

22. Заварзин ГА. Эпиконтинентальные содовые водоемы как предполагаемые реликтовые биотопы формирования наземной биоты. Микробиология. 1993;62(5):789-800.

23. Заварзин ГА. Роль микробиоты в образовании пород. Известия секции наук о Земле РАЕН. 2001;(7):131-7.

24. Заварзин ГА. Лекции по природоведческой микробиологии. М.: Наука; 2003.

25. Иванов АВ, Ярошевский АА, Иванова МА. Минералы метеоритов – новый каталог. Геохимия. 2019;64(8):869-932. https://doi.org/10.31857/S0016-7525648869-932

26. Изаков МН. Инертные газы в атмосферах Венеры, Земли, Марса и вопрос о происхождении планетных атмосфер. Космические исследования. 1979;17(4):602-10.

27. Кирсанова МС, Бакланов ПВ, Васильев ЕО, Васюнин АИ, Вибе ДЗ, Дроздов СА, Ларченкова ТИ, Лихачёв СФ, Моисеев АВ, Павлюченков ЯН, Созинова ПС, Топчиева АП, Третьяков ИВ, Федосеев ГС, Худченко АВ, Шахворостова НН. Происхождение и перенос воды во вселенной. Успехи физических наук. 2025;195(3):294-310. https://doi.org/10.3367/UFNr.2024.08.039744

28. Коваленко ВИ, Наумов ВБ, Ярмолюк ВВ, Дорофеева ВА, Мигдисов АА. Баланс воды и хлора между мантией и внешними оболочками Земли. Геохимия. 2002;(10):1041-70.

29. Кораблев ОИ. Марс и Венера: разные судьбы планет земной группы. Вестник РАН. 2016;86(7):587-602. https://doi.org/10.7868/S0869587316070100

30. Кусков ОЛ, Дорофеева ВА, Кронрод ВА, Макалкин АБ. Системы Юпитера и Сатурна: Формирование, состав и внутреннее строение крупных спутников. М.: ЛКИ; 2009.

31. Маракушев АА. Происхождение Земли и природа ее эндогенной активности. М.: “Наука”; 1999.

32. Маров МЯ, Ипатов СИ. Процессы миграции в Солнечной системе и их роль в эволюции Земли и планет, Успехи физических наук. 2023;193(1):2-32. https://doi.org/10.3367/UFNr.2021.08.039044

33. Мельник ЮП. Физико-химические условия образования докембрийских железистых кварцитов. Киев: Наукова думка; 1973.

34. Рингвуд АЕ. Происхождение Земли и Луны. М.: Недра; 1982.

35. Ронов АБ. Принципы сохранения жизни в ходе геологической эволюции Земли. Природа. 1978;(4):30-41.

36. Ронов АБ, Ярошевский АА, Мигдисов АА. Химическое строение земной коры и геохимический баланс главных элементов. М.: Наука; 1990.

37. Сафронов ВС. Эволюция допланетного облака и образование Земли и планет. М.: Наука; 1969.

38. Cилантьев СА, Новоселов АА, Мироненко МВ. Гидротермальные системы в перидотитовом субстрате медленно-спрединговых хребтов. Моделирование фазовых превращений и баланса вещества: роль габброидов. Петрология. 2011;19(3):227-48.

39. Симоненко АН. Метеориты – осколки астероидов. М.: Наука; 1979.

40. Сорохтин ОГ, Ушаков СА. Глобальная эволюция Земли. М.: МГУ; 1991.

41. Уолкер Дж. Некоторые соображения об эволюции атмосферы, базирующиеся на модели возникновения Земли путем негомогенной аккреции. В кн.: Ранняя история Земли. М.: Мир; 1980. СС.535-45

42. Фишер ДЭ. Редкие газы как ключ к происхождению земной атмосферы. В кн. Ранняя история Земли. М.: Мир; 1980. CC. 546-55

43. Флоренский КП,ред. Очерки сравнительной планетологии. М.: Наука; 1981.

44. Хорн Р. Морская химия. М.: Мир; 1972.

45. Цицин ФА. Очерки современной космогонии Солнечной системы. Дубна: Феникс+; 2009.

46. Четверин АБ. Можно ли собрать клетку из её компонентов? В кн.: Проблемы происхождения жизни. М.; Мир; 2009. CC. 9-31.

47. Шидловски М. Атмосфера архея и эволюция кислородного запаса Земли. В кн.: Ранняя история Земли. М.: Мир; 1980. CC.523-34.

48. Шопф Т. Палеоокеанология. М.: Мир; 1974.

49. Шуколюков ЮА. Изотопная неоднородность Солнечной системы: причины и следствия. Геохимия. 1988;(2):200-11.

Общий список литературы/References List:

1. Vinogradov AP. Khimicheskaya Evolutsiya Zemli. Izdatelstvo AN SSSR, Мoscow; 1959. (In Russ.)

2. Vinogradov AP. [Atomic abundances of chemical elements in the Sun and in stone chondrites]. Geokhimiya. 1962;(4):291-6. (In Russ.)

3. Vinogradov AP. Vvedeniye v Geokhimiyu Okeana. Мoscow: Nauka; 1967. (In Russ.)

4. Vityazev AV. [New information about the Early Earth]. Fizika Zemli. 2012;(3):46-51. (In Russ.)

5. Vityazev AV, Pechernikova GV. [The origin of geospheres: New results and remaining challenges]. Vestnik Instituta Geologii Komi Nauchnogo Tsentra Uralskogo Otdeleniya RAN. 2004;(1):7-11. (In Russ.)

6. Voytkevich GV. Proiskhozhdeniye i Khimicheskaya Evolutsiya Zemli. Мoscow: Nauka; 1983. (In Russ.)

7. Voropayev SA, Dushenko NV, Krivenko AP, Fedulov VS, Ryazantsev KM, Korochantsev AV [Features of the degassing of the carbonaceous chondrite Allende (CV3) in the temperature range of 200-800°C]. Аstronomicheskiy vestnik. 2023;57(6):583-94. (In Russ.) https://doi.org/10.31857/S0320930X23050079

8. Galimov EM. [About the evolution of Earth's carbon]. Geokhimiya. 1967;(5):530-6. (In Russ.)

9. Galimov EM. Geokhimiya Stabilnikh Izotopov Ugleroda. Мoscow: Nedra; 1968. (In Russ.)

10. Galimov EM. [Problems of carbon geochemistry.] Geokhimiya. 1988;(2):258-78. (In Russ.)

  1. 11. Galimov EM. [Prerequisites and conditions for the emergence of life. Research objectives]. Geokhimiya. 2005;(2):467-84. (In Russ.)
  2. 12. Galimov EM. [The conditions for the origin of life on Earth]. Biosphera. 2009;1(1):39-47. (In Russ.)

13. Galimov EM. [The role of low solar luminosity in the history of the biosphere]. Geokhimiya. 2017;(5):383-401. (In Russ.) https://doi.org/10.7868/S0016752517050065

14. Garrels RM, Маckеnzie FT. Evolution of Sedimentary rocks. N.Y.; 1971.

15. Garrels RM. [Krugovorot ugleroda, kisloroda i sery v techeniye geologicheskogo vremeni]. Мoscow: Nauka; 1975. (In Russ.)

16. Grigoryev NA. Average content of chemical elements in rocks that make up the upper part of the continental crust. Geochemistry International. 2003;(7):785-92.

17. Green NPO, Stout GW, Тaylor DJ. Biological Science. V.3. Cambridge Univ. Press; 1984.

18. Dodd RT. Меteorites. A Petrologic-Chemical Synthesis. Cambridge Univ. Press; 1981.

19. Dorofeeva VA. [A database on the composition of comets]. In: Тrudi Vserossiyskogo Yezhegodnogo Seminara po Eksperimentalnoy Mineralogii, Petrologii i Geokhimii. 2019, P. 270-4. (In Russ.) https://doi.org/10.2205/2012NZ_ASEMPG

20. Dorofeeva VA. [Chemical and isotopic composition of Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko (review of the results of the Rosetta-Philae space mission) implications for cosmogony and cosmochemistry]. Коsmicheskiy Vestnik. 2020;54(2):110-34. (In Russ.) https://doi.org/10.31857/S0320930X20020024

21. Drever JI. The Geochemistry of Natural Waters. Englewood Cliffs: Prentice-Hall, Inc.; 1982.

22. Zavarzin GA. [Epicontinental soda reservoirs as potential relic biotopes for the formation of terrestrial biota]. Мikrobiologiya. 1993;62(5):789-800. (In Russ.)

23. Zavarzin GA. [The role of microbiota in rock formation]. Izvestiya Sektsii Nauk o Zemle RAEN. 2001;(7):131-7. (In Russ.)

24. Zavarzin GA. Lektsii po Prirodovedcheskoy Mikrobiologii. Мoscow: Nauka; 2003. (In Russ.)

25. Ivanov AV, Yaroshevskiy AA, Ivanova MA. Meteorite minerals – a new catalog. Geochem Int. 2019;64(8):869-932. https://doi.org/10.31857/S0016-7525648869-932

26. Izakov MN. [Inert gases in the atmospheres of Venus, Earth, and Mars, and the origin of planetary atmospheres]. Коsmicheskiye Issledovaniya. 1979;17(4):602-10. (In Russ.)

27. Кirsanova MS, Baklanov PV, Vasilyev EO, Vasyunin AI, Vibe DZ, Drozdov SA, Larchenkova TI, Likhachev SF, Моiseev AV, Pavlyuchenkov YaN, Sozinova PS, Тоpchiyeva AP, Тretyakov IV, Fedoseev GS, Khudchenko AV, Shakhvorostova NN. [The origin and transport of water in the universe.] Uspekhi Fizicheskikh Nauk. 2025;195(3):294-310. (In Russ.) https://doi.org/10.3367/UFNr.2024.08.039744

28. Кovalenko VI, Naumov VB, Yarmolyuk VV, Dorofeeva VA, Migdisov AA. [The balance of water and chlorine between the Earth's mantle and outer layers.] Geochem Int. 2002;(10):1041-70.

29. Коrablev OI. [Mars and Venus: Different destinies of terrestrial planets.] Vestnik Rossiyskoy Akademii Nauk. 2016;86(7):587-602. (In Russ.)

30. Кuskov OL, Dorofeeva VA, Кronrod VА, Макаlkin АB. Sistemi Jupitera i Saturna: Formirovanie, Sostav i Vnutrenneye Stroeniye Krupnikh Sputnikov. Мoscow: LKI; 2009. (In Russ.)

31. Маrakushev АА. Proiskhozhdenie Zemli i Priroda Yeyo Endogennoy Aktivnosti. Мoscow: Nauka; 1999. (In Russ.)

32. Маrov MY, Ipatov SI. [Migration processes in the Solar System and their role in the evolution of Earth and other planets.] Uspekhi Fizicheskikh Nauk. 2023;193(1):2-32. (In Russ.) https://doi.org/10.3367/UFNr.2021.08.039044

33. Меlnik YP. Fiziko-Khimicheskiye Usloviya Obrazovaniya Dokembriyskikh Zhelezistikh Kvartsitov. Кiev: Naukova Dumka; 1973. (In Russ.)

34. Рingvud АЕ. Proiskhozhdenie Zemli i Luni. Мoscow: Nedra; 1982. (In Russ.)

35. Ronov AB. [Principles of life preserving during the Earth's geological evolution.] Priroda. 1978;(4):30-41. (In Russ.)

36. Ronov AB, Yaroshevskiy АА, Мigdisov АА. Khimicheskoye Stroenie Zemnoy Kory i Geokhimicheskiy Balans Glavnykh Elementov. Мoscow: Nauka; 1990. (In Russ.)

37. Safronov VS. Evolyutsiya Doplanetnogo Oblaka i Obrazovanie Zemli i Planet. Мoscow: Nauka; 1969. (In Russ.)

38. Silantyev SA, Novoselov АА, Мironenko МV. [Hydrothermal systems in the peridotitic substrate of slow-spreading ridges. Modeling of phase transformations and matter balance: the role of gabbroids]. Petrologiya. 2011;19(3):227-48. (In Russ.)

39. Simonenko AN. Меteoriti – Oskolki Asteroidov. Мoscow: Nauka; 1979. (In Russ.)

40. Sorokhtin OG, Ushakov SA. Globalnaya Evolyutsiya Zemli. Moscow: МSU; 1991. (In Russ.)

41. Uolker G. [Some considerations on the evolution of the atmosphere based on the model of the Earth's origin by non-homogeneous accretion]. In: Ranniaya Istoriya Zemli. Мoscow: Mir; 1980. PP. 535-45. (In Russ.)

42. Fisher DE. [Rare gases as a key to the origin of the Earth's atmosphere]. In: Rannyaya Istoriya Zemli. Мoscow: Mir; 1980. PP. 546-55. (In Russ.)

43. Florenskiy KP (ed.). Оcherki Sravnitelnoy Planetologii. Мoscow: Nauka; 1981. (In Russ.)

44. Horne RA. Мarine Chemistry. N.Y.: Wiley Interscience; 1969.

45. Tsitsin FA. Оcherki Sovremennoy Kosmogonii Solnechnoy Sistemy. Dubna: Feniks+; 2009. (In Russ.)

46. Chetverin AB. [Is it possible to assemble a cell from its components?]. In: Problemi Proiskhozhdeniya Zhizni. Мoscow; 2009. PP. 9-31. (In Russ.)

47. Shidlovski М. [The atmosphere of Archean and the evolution of Earth's oxygen supply.] In: Ranniaya istoriya Zemli. Мoscow: Mir; 1980. PP. 523-34. (In Russ.)

48. Schopf TJM. Paleoceanography. Harvard Univ. Press; 1980.

49. Shukolyukov YA. [Isotopic Heterogeneity of the Solar System: Causes and Consequences.] Geokhimiya. 1988;(2):200-11. (In Russ.)

50. Bockelée-Morvan D. An overview of comet composition. Proc. Intern Astron Union. 2011;(7):261-74. https://doi.org/10.1017/S1743921311025038

51. Drever JI. Geochemical model for the origin of Precambrian banded iron formations Geol Soc Amer Bul. 1974;85(7):1099-106. https://doi.org/10.1130/0016-7606(1974)85<1099:Gmftoo>2.0.Co;2

52. Hussmann H, Sohl F, Spohn T. Subsurface oceans and deep interiors of medium-sized outer planet satellites and large trans-neptunian objects. Icarus. 2006;185(11):258-73. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2006.06.005

53. Galimov EM, Kuznetsova NG, Prokhorov VS. The composition of the former atmosphere of the Earth as indicated by isotope analysis of Precambrian carbonates. Geochem Int. 1968;(5):1126-31.

54. Kempe S, Kazmierczak J, Degens E. The soda ocean concept and its bearing on biotic Evolution. In: Crick E, ed. Origin, Evolution, and Modern Aspects of Biomineralization in Plants and Animals. NY: Premium Press; 1989.

55. Krasnopolsky V. Atmospheric chemistry on Venus, Earth, and Mars: Main features and comparison. Planet Space Sci. 2011;59(10):952-64. https://doi.org/10.1016/j.pss.2010.02.011

56. Langer WD, van Dishoeck EF, Bergin EA, Blake GA, Tielens A, Velusamy T, Whittet D CB. Chemical evolution of protostellar matter. In: Mannings V, Boss AP, Russell SS, eds. Protostars and Planets IV.. Tucson: Univ. Arizona Press; 2000. PP. 29-39.

57. Matsumoto T, Noguchi T, Miyake A, Igami Y, Matsumoto M, Yada T, Uesugi M, Yasutake M, Uesugi K, Takeuchi A, Yuzawa H, Ohigashi T, Araki T. Sodium carbonates on Ryugu as evidence of highly saline water in the outer Solar System. Nature Astronomy. 2024;8(12):1536-43. https://doi.org/10.1038/s41550-024-02418-1

58. Miller SL. A production of amino acids under possible primitive Еarth conditions. Science. 1953;117(5):528-9.

59. Miller SL, Urey HC. Organic compounds synthesis on the primitive Earth. Science. 1959;130:245-51.

60. Moody ERR, Álvarez-Carretero S, Mahendrarajah TA, Clark JW, Betts HC, Dombrowski N, Szánthó LL, Boyle R A, Daines S, Chen X, Lane N, Yang Z, Shields GA, Szöllősi GJ, Spang A, Pisani D, Williams TA, Lenton TM, Donoghue PCJ. The nature of the last universal common ancestor and its impact on the early Earth system. Nat Ecol Evol. 2024;8:1654-66. https://doi.org/10.1038/s41559-024-02461-1

61. Mrnjavac N, Wimmer JLE, Brabender M, Schwander L, Martin WF. The Moon-Forming impact and the autotrophic origin of life, ChemPlusChem. 2023; 88, e202300270. https://doi.org/10.1002/cplu.202300270

62. Nogal N, Sanz-Sánchez M, Vela-Gallego S, Ruiz-Mirazo K, de la Escosura A. The protometabolic nature of prebiotic chemistry. Chem Soc Rev. 2023;52:7359-88. https://doi.org/10.1039/d3cs00594a

63. Ozima M. Geohistory: Global Evolution of the Earth. NY, Tokyo: Springer; 1987.

64. Pollack JB, Hollenbach D, Beckwith SB, Simonelly DP. Composition and radiative properties of grains in molecular clouds and accretion disks. Astrophys J. 1994;421:615-39.

65. Ronov AB. Probable changes in the composition of sea water during the course of geological time. Sedimentology. 1968;(10):25-43.

66. Rubey WW. Geologic history of sea water: an attempt to state the problem. Bull Geol Soc Am. 1951;62:1111-48.

67. Shoenberg R , Kamber BS, Collerson KD, Eugster O. New W-isotope evidence for rapid terrestrial accretion and very early coreformation. Geochim Cosmochim Acta. 2002;66(17):3151-60. DOI:10.1016/S0016-7037(02)00911-0

68. Urey HC. The Atmospheres of the Planets. In: Flugge, ed. Handbuch d. Physik, 5. Berlin: Springer; 1949.




DOI: http://dx.doi.org/10.24855/biosfera.v18i1.1022

EDN: https://www.elibrary.ru/item.asp?edn=UJIZWO

© ФОНД НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ "XXI ВЕК"