Космос в популярном сознании представляется царством холода и пустоты (помните песню: «Здесь холод космический, цвет неба иной»?). Однако примерно с середины XIX века исследователи стали понимать, что пространство между звездами по крайней мере не пусто. Наглядный признак существования межзвездного вещества - так называемые темные облака, бесформенные черные пятна, особенно хорошо различимые на светлой полосе Млечного Пути. В XVIII–XIX веках полагали, что это реальные «дырки» в распределении звезд, однако к 1920-м годам сложилось мнение: пятна выдают присутствие колоссальных облаков межзвездной пыли, которые мешают нам видеть свет расположенных за ними звезд (фото 1).
В середине XIX века началась новая эпоха в астрономии: благодаря работам Густава Кирхгофа и Роберта Бунзена появился спектральный анализ, позволивший определять химический состав и физические параметры газа в астрономических объектах. Астрономы быстро оценили новую возможность, и 1860-е годы стали временем бурного расцвета звездной спектроскопии. Одновременно, во многом благодаря усилиям замечательного наблюдателя Уильяма Хеггинса, накапливались и доказательства наличия газа не только в звездах, но и в пространстве между ними.
Хеггинс был пионером научных исследований незвездной материи. С 1863 года он публиковал результаты спектроскопического исследования некоторых туманностей, включая Большую Туманность Ориона, и продемонстрировал, что спектры туманностей в видимом диапазоне сильно отличаются от спектров звезд. Излучение типичной звезды - непрерывный спектр, на который накладываются линии поглощения, рождающиеся в звездной атмосфере. А спектры туманностей, полученные Хеггинсом, состояли из нескольких эмиссионных линий, практически без непрерывного спектра. Это был спектр горячего разреженного газа, параметры которого совершенно не похожи на параметры газа в звездах. Основной вывод Хеггинса: получено наблюдательное подтверждение предположения Гершеля о том, что в космосе помимо звезд есть диффузное вещество, распределенное по значительным объемам пространства.
Чтобы собственное свечение межзвездного газа можно было наблюдать в оптическом диапазоне, он должен быть не только горячим, но и довольно плотным, а этим условиям отвечает далеко не все межзвездное вещество. В 1904 году Йоханнес Хартманн заметил, что более холодный и/или разреженный межзвездный газ выдает свое присутствие, оставляя в звездных спектрах собственные линии поглощения, которые рождаются не в атмосфере звезды, а вне ее, на пути от звезды к наблюдателю.
Исследование линий излучения и поглощения межзвездного газа позволило к 1930-м годам довольно хорошо изучить его химический состав и установить, что он состоит из тех же элементов, которые встречаются и на Земле. Несколько линий в спектрах долго не поддавались отождествлению, и Хеггинс предположил, что это новый химический элемент - небулий (от лат. nebula - облако), но он оказался всего лишь дважды ионизованным кислородом.
К началу 1930-х годов полагали, что все линии в спектре межзвездного газа выявлены и приписаны определенным атомам и ионам. Однако в 1934 году Пол Мерилл сообщил о четырех неидентифицированных линиях в желтой и красной областях спектра. Ранее наблюдавшиеся межзвездные линии имели очень малую ширину, как и положено атомарным линиям, образующимся в газе низкой плотности, а эти были шире и размытее. Практически сразу было высказано предположение, что это линии поглощения не атомов или ионов, а молекул. Но каких? Предлагались и экзотические молекулы, например натрия (Na 2), и привычные двухатомные соединения, еще в XIX веке обнаруженные в кометных хвостах тем же Хеггинсом, например молекула CN. Окончательно существование межзвездных молекул было установлено в конце 1930-х годов, когда несколько неидентифицированных линий в синей области спектра удалось однозначно связать с соединениями CH, CH + и CN.
Особенность химических реакций в межзвездной среде - доминирование двухчастичных процессов: стехиометрические коэффициенты всегда равны единице. Поначалу единственным путем к формированию молекул казались реакции «радиативной ассоциации»: чтобы два атома, столкнувшись, объединились в молекулу, необходимо отвести избыточную энергию. Если молекула, сформировавшись в возбужденном состоянии, успевает до распада излучить фотон и перейти в невозбужденное состояние, она сохраняет устойчивость. Расчеты, проведенные до 1950-х годов, показывали, что наблюдаемое содержание трех этих простых молекул вроде бы удается объяснить в предположении, что они формируются в реакциях радиативной ассоциации и разрушаются межзвездным полем излучения - совокупным полем излучения звезд Галактики.
Круг забот астрохимии в то время был не особенно широк, по крайней мере в межзвездной среде: три молекулы, с десяток реакций между ними и их составными элементами. Ситуация перестала быть спокойной в 1951 году, когда Дэвид Бэйтс и Лайман Спитцер пересчитали равновесные содержания молекул с учетом новых данных о скоростях реакций радиативной ассоциации. Оказалось, что атомы связываются в молекулы гораздо медленнее, чем считалось до этого, и потому простая модель промахивается в предсказании содержания CH и CH + на порядки величины. Тогда они предположили, что две из этих молекул появляются не в результате синтеза из атомов, а в результате разрушения более сложных молекул, конкретно - метана. А откуда взялся метан? Ну, он мог образоваться в звездных атмосферах, а потом попасть в межзвездную среду в составе пылинок.
Позже космической пыли стали приписывать и более активную химическую роль, нежели роль простого переносчика молекул. Например, если для эффективного протекания химических реакций в межзвездной среде не хватает третьего тела, которое отводило бы избыток энергии, почему не предположить, что это пылинка? Атомы и молекулы могли бы вступать в реакции друг с другом на ее поверхности, а потом испаряться, пополняя собой межзвездный газ.
Когда в межзвездной среде были обнаружены первые молекулы, ни ее физические свойства, ни даже химический состав не были хорошо известны. Само обнаружение молекул CH и CH + считалось в конце 1930-х годов важным доказательством наличия там углерода и водорода. Все изменилось в 1951 году, когда было обнаружено излучение межзвездного атомарного водорода, знаменитое излучение на длине волны около 21 см. Стало ясно, что именно водорода в межзвездной среде больше всего. По современным представлениям, межзвездное вещество - это водород, гелий и лишь 2% по массе более тяжелых элементов. Значительная часть этих тяжелых элементов, особенно металлов, находится в пылинках. Полная масса межзвездного вещества в диске нашей Галактики - несколько миллиардов масс Солнца, или 1–2% от полной массы диска. А масса пыли примерно в сто раз меньше массы газа.
Вещество распределено по межзвездному пространству неоднородно. Его можно разделить на три фазы: горячую, теплую и холодную. Горячая фаза - это очень разреженный корональный газ, ионизованный водород с температурой в миллионы кельвинов и плотностью порядка 0,001 см –3 , занимающий примерно половину объема галактического диска. Теплая фаза, на долю которой приходится еще половина объема диска, имеет плотность около 0,1 см –3 и температуру 8000–10 000 К. Водород в ней может быть и ионизованным, и нейтральным. Холодная фаза действительно холодна, ее температура не более 100 K, а в самых плотных областях мороз до единиц кельвинов. Холодный нейтральный газ занимает всего около процента объема диска, но масса его составляет примерно половину всей массы межзвездного вещества. Это подразумевает значительную плотность, сотни частиц на кубический сантиметр и выше. Значительную по межзвездным понятиям, конечно, - для электронных приборов это замечательный вакуум, 10 –14 торр!
Плотный холодный нейтральный газ имеет клочковатую облачную структуру, ту самую, что прослеживается по облакам межзвездной пыли. Логично предположить, что облака пыли и облака газа - это одни и те же облака, в которых пыль и газ перемешаны друг с другом. Однако наблюдения показали, что области пространства, в которых поглощающее действие пыли максимально, не совпадают с областями максимальной интенсивности излучения атомарного водорода. В 1955 году Барт Бок с соавторами предположили, что в наиболее плотных участках межзвездных облаков, тех самых, которые делаются непрозрачными в оптическом диапазоне из-за высокой концентрации пыли, водород находится не в атомарном, а в молекулярном состоянии.
Поскольку водород - основной компонент межзвездной среды, названия различных фаз отражают состояние именно водорода. Ионизованная среда - это среда, в которой ионизован водород, другие атомы могут сохранять нейтральность. Нейтральная среда - это среда, в которой водород нейтрален, хотя другие атомы могут быть ионизованы. Плотные компактные облака, предположительно состоящие в основном из молекулярного водорода, называются молекулярными облаками. Именно в них и начинается подлинная история межзвездной астрохимии.
Первые межзвездные молекулы были обнаружены благодаря своим линиям поглощения в оптическом диапазоне. Поначалу их набор был не слишком велик, и для их описания хватало простых моделей на основе реакций радиативной ассоциации и/или реакций на поверхностях пылинок. Однако еще в 1949 году И.С. Шкловский предсказал, что более удобен для наблюдения межзвездных молекул радиодиапазон, в нем можно наблюдать не только поглощение, но и излучение молекул. Чтобы увидеть линии поглощения, необходима фоновая звезда, излучение которой будут поглощать межзвездные молекулы. Но если вы смотрите на молекулярное облако, то фоновых звезд вы не увидите, потому что их излучение будет полностью поглощено пылью, входящей в состав того же самого облака! Если же молекулы излучают сами, вы увидите их везде, где они есть, а не только там, где их заботливо подсвечивают сзади.
Излучение молекул связано с наличием у них дополнительных степеней свободы. Молекула может вращаться, вибрировать, совершать более сложные движения, с каждым из которых связан набор энергетических уровней. Переходя с одного уровня на другой, молекула, так же, как и атом, поглощает и излучает фотоны. Энергетика этих движений невысока, поэтому они с легкостью возбуждаются даже при низких температурах в молекулярных облаках. Фотоны, соответствующие переходам между молекулярными энергетическими уровнями, попадают не в видимый диапазон, а в инфракрасный, субмиллиметровый, миллиметровый, сантиметровый... Поэтому исследования излучения молекул начались, когда у астрономов появились инструменты для наблюдений в длинноволновых диапазонах.
Правда, первая межзвездная молекула, обнаруженная по наблюдениям в радиодиапазоне, наблюдалась все-таки в поглощении: в 1963 году в радиоизлучении остатка сверхновой Кассиопея A. Это была линия поглощения гидроксила (OH) - длина волны 18 см, а вскорости гидроксил был обнаружен и в излучении. В 1968 году наблюдалась эмиссионная линия аммиака 1,25 см, через несколько месяцев нашли воду - линия 1,35 см. Очень важным открытием в исследованиях молекулярной межзвездной среды стало открытие в 1970 году излучения молекулы оксида углерода (CO) на длине волны 2,6 мм.
До этого времени молекулярные облака были в известной степени гипотетическими объектами. У самого распространенного химического соединения во Вселенной - молекулы водорода (H 2) - нет переходов в длинноволновой области спектра. При низких температурах в молекулярной среде она просто не светится, то есть остается невидимой, несмотря на все свое высокое содержание. У молекулы H 2 есть, правда, линии поглощения, но они попадают в ультрафиолетовый диапазон, в котором нельзя наблюдать с поверхности Земли; нужны телескопы, установленные либо на высотных ракетах, либо на космических аппаратах, что значительно усложняет наблюдения и еще значительнее удорожает их. Но даже при наличии заатмосферного инструмента линии поглощения молекулярного водорода можно наблюдать только при наличии фоновых звезд. Если учесть, что звезд или иных астрономических объектов, излучающих в ультрафиолетовом диапазоне, в принципе не так много и, кроме того, в этом диапазоне поглощение пыли достигает максимума, становится понятно, что возможности изучения молекулярного водорода по линиям поглощения весьма ограниченны.
Молекула CO стала спасением - в отличие, например, от аммиака, она начинает светиться при невысоких плотностях. Две ее линии, соответствующие переходам из основного вращательного состояния в первое возбужденное и из первого во второе возбужденное, попадают в миллиметровый диапазон (2,6 мм и 1,3 мм), все еще доступный для наблюдений с поверхности Земли. Более коротковолновое излучение поглощается земной атмосферой, более длинноволновое излучение дает изображения меньшей четкости (при заданном диаметре объектива угловое разрешение телескопа тем хуже, чем больше наблюдаемая длина волны). И молекул CO много, причем настолько много, что в этом виде находится, по-видимому, большая часть всего углерода в молекулярных облаках. Это означает, что содержание CO определяется не столько особенностями химической эволюции среды (в отличие от молекул CH и CH +), сколько попросту количеством доступных атомов C. И поэтому содержание CO в молекулярном газе можно считать, по крайней мере в первом приближении, постоянным.
Поэтому именно молекулу CO используют как индикатор наличия молекулярного газа. И если вам где-то встречается, например, карта распределения молекулярного газа в Галактике, это будет карта распределения именно оксида углерода, а не молекулярного водорода. Допустимость столь широкого применения CO в последнее время все чаще ставится под сомнение, но заменить его особенно нечем. Так что приходится компенсировать возможную неопределенность в интерпретации наблюдений CO осмотрительностью в ее проведении.
В начале 1970-х годов количество известных межзвездных молекул стало измеряться десятками. И чем больше их открывалось, тем яснее становилось, что прежние химические модели, которые и содержание первой тройки CH, CH + и CN объясняли не очень уверенно, с возросшим количеством молекул вовсе не работают. Новый взгляд (он принят и сейчас) на химическую эволюцию молекулярных облаков был предложен в 1973 году Вильямом Ватсоном и независимо Эриком Хербстом и Вильямом Клемперером.
Итак, мы имеем дело с очень холодной средой и очень богатым молекулярным составом: сегодня известно около полутора сотен молекул. Реакции радиативной ассоциации слишком медленны, чтобы обеспечить наблюдаемое содержание даже двухатомных молекул, не говоря уже о более сложных соединениях. Реакции на поверхностях пылинок более эффективны, но при 10 К молекула, синтезированная на поверхности пылинки, в большинстве случаев останется примороженной к ней.
Ватсон, Хербст и Клемперер предположили, что в формировании молекулярного состава холодных межзвездных облаков определяющую роль играют не реакции радиативной ассоциации, а ион-молекулярные реакции, то есть реакции между нейтральными и ионизованными компонентами. Их скорости не зависят от температуры, а в некоторых случаях при низких температурах даже возрастают.
Дело за малым: вещество облака нужно немного ионизовать. Излучение (свет близких к облаку звезд или совокупное излучение всех звезд Галактики) не столько ионизует, сколько диссоциирует. Кроме того, из-за пыли излучение не проникает внутрь молекулярных облаков, засвечивая лишь их периферию.
Но в Галактике есть другой ионизующий фактор - космические лучи: атомные ядра, разогнанные каким-то процессом до очень высокой скорости. Природа этого процесса до сих пор окончательно не раскрыта, хотя ускорение космических лучей (тех, что интересны с точки зрения астрохимии) происходит, скорее всего, в ударных волнах, сопровождающих вспышки сверхновых звезд. Космические лучи (как и все вещество Галактики) состоят главным образом из полностью ионизованных водорода и гелия, то есть из протонов и альфа-частиц.
Сталкиваясь с самой распространенной молекулой H 2 , частица ионизует ее, превращая в ион H 2 + . Он, в свою очередь, вступает в ион-молекулярную реакцию с другой молекулой H 2 , образуя ион H 3 + . И вот этот-то ион и становится главным двигателем всей последующей химии, вступая в ион-молекулярные реакции с кислородом, углеродом и азотом. Дальше все идет по общей схеме, которая для кислорода выглядит так:
O + H 3 + → OH + + H 2
OH + + H 2 → H 2 O + + H
H 2 O + + H 2 → H 3 O + + H
H 3 O + + e → H 2 O + H или H 3 O + + e → OH + H 2
Последняя реакция в этой цепочке - реакция диссоциативной рекомбинации иона гидроксония со свободным электроном - приводит к образованию молекулы, насыщенной водородом, в данном случае молекулы воды, или к образованию гидроксила. Естественно, диссоциативная рекомбинация может случиться и с промежуточными ионами. Конечный итог этой последовательности для основных тяжелых элементов - образование воды, метана и аммиака. Возможен другой вариант: частица ионизует атом примесного элемента (O, C, N), а этот ион реагирует с молекулой H 2 , опять же с образованием ионов OH + , CH + , NH + (далее с теми же остановками). Цепочки разных элементов, естественно, развиваются не в изоляции: их промежуточные компоненты реагируют друг с другом, и в результате этого «перекрестного опыления» большая часть углерода переходит в молекулы CO, кислород, оставшийся не связанным в молекулах CO, - в молекулы воды и O 2 , а основным резервуаром азота становится молекула N 2 . Те же атомы, что не вошли в эти основные компоненты, становятся составными частями более сложных молекул, самая большая из которых, известная на сегодняшний день, состоит из 13 атомов.
В эту схему не вписываются несколько молекул, образование которых в газовой фазе оказалось крайне неэффективным. Например, в том же 1970 году кроме CO была в значительных количествах обнаружена существенно более сложная молекула - метанол. Долгое время синтез метанола считался результатом короткой цепочки: ион CH 3 + реагировал с водой, образуя протонированный метанол CH 3 OH 2 + , а затем этот ион рекомбинировал с электроном, разделяясь на метанол и атом водорода. Однако эксперименты показали, что молекуле CH 3 OH 2 + при рекомбинации проще разваливаться посередине, так что газофазный механизм образования метанола не работает.
Однако есть и более важный пример: в газовой фазе не образуется молекулярный водород! Схема с ион-молекулярными реакциями работает только при условии, что в среде уже есть молекулы H 2 . Но откуда они берутся? Существует три способа сформировать молекулярный водород в газовой фазе, но все они чрезвычайно медленны и в галактических молекулярных облаках работать не могут. Решение проблемы найдено в возвращении к одному из прежних механизмов, а именно к реакциям на поверхностях космических пылинок.
Как и прежде, пылинка в этом механизме играет роль третьего тела, предоставляя на своей поверхности условия для объединения атомов, которые не могут объединиться в газовой фазе. В холодной среде свободные атомы водорода примерзают к пылинкам, но из-за тепловых колебаний не сидят на одном месте, а диффундируют по их поверхности. Два атома водорода, встретившись в процессе этих блужданий, могут объединиться в молекулу H 2 , а энергия, выделяющаяся при реакции, отрывает молекулу от пылинки и переносит ее в газ.
Естественно, если атом водорода встретит на поверхности не своего собрата, а какой-то другой атом или молекулу, итог реакции также будет иным. Но есть ли на пыли другие компоненты? Есть, и на это указывают современные наблюдения наиболее плотных частей молекулярных облаков, так называемых ядер, которые (не исключено) в будущем превратятся в звезды, окруженные планетными системами. В ядрах происходит химическая дифференциация: из наиболее плотной части ядра исходит в основном излучение соединений азота (аммиака, иона N 2 H +), а соединения углерода (CO, CS, C 2 S) светятся в окружающей ядро оболочке, поэтому на картах радиоизлучения такие ядра выглядят как компактные пятна эмиссии соединений азота, окруженные колечками эмиссии оксида углерода.
Современное объяснение дифференциации таково: в наиболее плотной и холодной части молекулярного ядра соединения углерода, в первую очередь CO, примерзают к пылинкам, образуя на них ледяные оболочки-мантии. В газовой фазе они сохраняются только на периферии ядра, куда, возможно, проникает излучение звезд Галактики, частично испаряющее ледяные мантии. С соединениями азота ситуация иная: основная азотсодержащая молекула N 2 к пыли примерзает не так быстро, как CO, и потому в газовой фазе даже самой холодной части ядра гораздо дольше остается достаточно азота, чтобы обеспечить наблюдаемое количество аммиака и иона N 2 H + .
В ледяных мантиях пылинок тоже идут химические реакции, главным образом связанные с добавлением атомов водорода к примерзшим молекулам. Например, последовательное присоединение атомов H к молекулам CO в ледяных оболочках пылинок приводит к синтезу метанола. Чуть более сложные реакции, в которых помимо водорода участвуют и другие компоненты, ведут к появлению и других многоатомных молекул. Когда в недрах ядра загорается молодая звезда, ее излучение испаряет мантии пылевых частиц, и продукты химического синтеза появляются в газовой фазе, где их также удается наблюдать.
Разумеется, помимо ион-молекулярных и поверхностных реакций в межзвездной среде происходят и другие процессы: и нейтраль-нейтральные реакции (в том числе реакции радиативной ассоциации), и фотореакции (ионизации и диссоциации), и процессы обмена компонентами между газовой фазой и пылинками. В современные астрохимические модели приходится включать сотни различных компонентов, связанных между собой тысячами реакций. Важно вот что: количество моделируемых компонентов существенно превышает то количество, что реально наблюдается, поскольку из одних только наблюдаемых молекул составить работающую модель не удается! Собственно говоря, так было с самого начала современной астрохимии: ион H 3 + , существование которого постулировалось в моделях Ватсона, Хербста и Клемперера, был обнаружен в наблюдениях только в середине 1990-х годов.
Все современные данные о химических реакциях в межзвездной и околозвездной среде собраны в специализированных базах данных, из которых наиболее популярны две: UDFA (UMIST Database for Astrochemistry ) и KIDA (Kinetic Database for Astrochemistry ).
Эти базы данных, по сути, представляют собой списки реакций с двумя реагентами, несколькими продуктами и численными параметрами (от одного до трех), позволяющими рассчитать скорость реакции в зависимости от температуры, поля излучения и потока космических лучей. Наборы реакций на поверхностях пылинок менее стандартизованы, однако и здесь есть два-три варианта, которые применяются в большинстве астрохимических исследований. Реакции, включенные в эти наборы, позволяют количественно объяснить результаты наблюдений молекулярного состава объектов разного возраста и при разных физических условиях.
Сегодня астрохимия развивается в четырех направлениях.
Во-первых, большое внимание привлекает к себе химия изотопомеров, в первую очередь химия соединений дейтерия. Помимо атомов H в межзвездной среде присутствуют также атомы D, в пропорции примерно 1:100 000, что сравнимо с содержанием прочих примесных атомов. Помимо молекул H 2 на пылинках образуются также молекулы HD. В холодной среде реакция
H 3 + + HD → H 2 D + + H 2
не уравновешивается обратным процессом. Ион H 2 D + играет в химии роль, аналогичную роли иона H 3 + , и через него атомы дейтерия начинают распространяться по более сложным соединениям. Итог оказывается достаточно интересным: при общем отношении D/H порядка 10 –5 отношение содержания некоторых дейтерированных молекул к содержанию недейтерированных аналогов (например, HDCO к H 2 CO, HDO к H 2 O) достигает процентов и даже десятков процентов. Аналогичное направление совершенствования моделей - учет различий в химии изотопов углерода и азота.
Во-вторых, одним из основных астрохимических направлений остаются реакции на поверхностях пылинок. Здесь большая работа проводится, например, по изучению особенностей реакций в зависимости от свойств поверхности пылинки и от ее температуры. До сих пор неясны детали испарения с пылинки синтезировавшихся на ней органических молекул.
В-третьих, химические модели постепенно проникают все глубже в исследования динамики межзвездной среды, в том числе в исследования процессов рождения звезд и планет. Это проникновение очень важно, поскольку оно позволяет напрямую соотносить численное описание движений вещества в межзвездной среде с наблюдениями молекулярных спектральных линий. Кроме того, эта задача имеет и астробиологическое приложение, связанное с возможностью попадания межзвездной органики на формирующиеся планеты.
В-четвертых, все больше становится наблюдательных данных о содержании различных молекул в других галактиках, в том числе и в галактиках на больших красных смещениях. Это означает, что мы уже не можем замыкаться в рамках Млечного Пути и должны разбираться с тем, как происходит химическая эволюция при ином элементном составе среды, при других характеристиках поля излучения, при других свойствах пылинок или какие химические реакции происходили в догалактической среде, когда весь набор элементов ограничивался водородом, гелием и литием.
При этом и рядом с нами остается немало загадок. Например, линии, найденные в 1934 году Мериллом, так до сих пор и не отождествлены. Да и происхождение первой найденной межзвездной молекулы - CH + - остается пока неясным...
В книге излагается актуальная проблема современного естествознания - происхождение жизни. Она написана на основе самых современных данных геологии, палеонтологии, геохимии и космохимии, которые опровергают многие традиционные, но устаревшие представления о происхождении и развитии жизни на нашей планете. Глубокая древность жизни и биосферы, соизмеримая с возрастом самой планеты, позволяет автору сделать вывод: происхождение Земли и жизни - единый взаимосвязанный процесс.
Для читателей, интересующихся науками о Земле.
| <<< Назад
|
Вперед >>>
|
Я удивляюсь только, что этот невероятно сложный механизм еще вообще работает. Когда думаешь о Жизни, становится ясно, как жалка и примитивна наша наука. Очевидно, что свойства живого существа предопределяются оплодотворенной клеткой, так и жизнь предопределена существованием атома, и таинство всего сущего заключается в самой низшей ступени,
А. ЭйнштейнВзаимоотношение зародышей жизни и ее предшественников - сложных соединений углерода - представляет собой первостепенную научную задачу. Первые опыты Л. Пастера, поставленные во второй половине XIX в., показали невозможность в современных условиях Земли зарождения жизни - простейших живых организмов. Это в какой-то мере привело к возникновению идей панспермии , согласно которым жизнь на Земле вообще никогда не зарождалась, а была занесена из космического пространства, где она существовала в виде зародышей. Наиболее характерными сторонниками этих представлений выступили Г. Гельмгольц и С. Аррениус, хотя ранее подобные идеи высказывались Ю. Либихом. По С. Аррениусу, частицы живого вещества - споры или бактерии, осевшие на микрочастицах космической пыли, силой светового давления переносятся с одной планеты на другую, сохраняя свою жизнеспособность. При попадании спор на планету с подходящими условиями для жизни они прорастают и дают начало биологической эволюции.
В несколько иных формах эти представления возрождаются в наше время. Например, Ф. Хойл выдвинул идею о возможности существования микроорганизмов в межзвездном пространстве. Согласно его представлениям, облака космической пыли сложены преимущественно бактериями и спорами. Предполагается, что в промежутке времени 4,6-3,8 млрд лет назад на Земле были возможны два события - или зарождение жизни на самой планете, или привнес микроорганизмов из космического пространства. Ф. Хойл и С. Викрамасинг в 1981 г. допустили, что последнее более вероятно. Согласно их расчетам, ежегодно в верхнюю атмосферу Земли поступает 10 18 космических спор, как остаток твердого материала, рассеянного в Солнечной системе. Таким образом, кометы являются переносчиками зародышей жизни, которые образовались ранее в межзвездном пространстве и лишь затем попали в облако Оорта.
Следует отметить крайнюю фантастичность высказанных представлений, которые не согласуются с известными экспериментальными данными. Однако несомненно, что жизнь связана с космосом по атомному составу и в энергетическом отношении. Это можно видеть из табл. 6, в которой даны величины относительного распространения элементов в космосе, в летучей фракции комет, в бактериях и млекопитающих. Обращает на себя внимание большая близость, а в отдельных случаях и тождественность космического вещества и живого вещества Земли. Главные элементы живого вещества - это широко распространенные элементы космоса. При этом Н, С, N, О - типичные биофильные элементы - наиболее широко распространены в природе.
Нетрудно сделать вывод, что живые организмы в первую очередь используют наиболее доступные атомы, которые, кроме того, способны образовывать устойчивые и кратные химические связи. Известно, что углерод может формировать длинные цепи, что приводит в возникновению бесчисленных полимеров. Сера и фосфор также могут образовывать кратные связи. Сера входит в состав белков, а фосфор - в состав нуклеиновых кислот.
В соответствующих условиях наиболее распространенные атомы соединяются друг с другом, образуя молекулы, которые обнаружены в космических облаках методами современной радиоастрономии. Большая часть известных космических молекул относится к органическим, включая наиболее сложные 8- и 11-атомные. Таким образом, в отношении состава космохимия Вселенной создает обширные возможности для различных комбинаций углерода с другими элементами по законам химической связи.
Однако проблема образования молекул в космических условиях относится к труднейшим проблемам космохимии. Собственно в межзвездной среде, даже в наиболее плотных ее участках, элементы находятся в условиях, далеких от термодинамического равновесия. В силу низкой концентрации вещества химические реакции в межзвездном пространстве крайне маловероятны. Поэтому было высказано предположение, что в построении межзвездных молекул принимают участие частицы космической пыли. В наиболее простом случае могут возникать молекулы водорода при контакте его атомов с твердыми частицами, Наиболее распространенные молекулы космоса СО, вероятно, способны зарождаться в условиях звездных атмосфер при достаточной плотности вещества и затем выбрасываться в космическое пространство.
В настоящее время все более четко вырисовывается роль твердой фазы в формировании молекул органических веществ в космическом пространстве. Наиболее вероятные модели этого процесса разработаны Дж. Гринбергом . По мнению ученого, частицы космической пыли имеют сложное строение и состоят из ядра преимущественно силикатного состава, окруженного оболочкой из органических веществ. В оболочке, по-видимому, происходят различные химические процессы, ведущие к усложнению строения первоначального вещества. Структура подобных пылевых частиц после первой стадии аккреции подтверждается путем экспериментального моделирования на смеси воды, метана, аммиака и других простых молекул, облученных ультрафиолетовой радиацией при температуре примерно 10 К. Каждая пылинка ведет свое начало от силикатного ядра, возникшего в атмосфере холодной звезды-гиганта. Вокруг ядра формируется ледяная оболочка. Под действием ультрафиолетового излучения некоторые молекулы оболочки (H 2 O СН 4 , NH 3) диссоциируют с образованием радикалов - реакционноспособных фрагментов молекул. Эти радикалы могут рекомбинировать с образованием других молекул. В результате длительного облучения может появиться более сложная смесь молекул и радикалов (HN 2 HCO, HOCO, СН 3 ОН, СН 3 С и др.). При разрушении пылинок под влиянием космических факторов возникшие на их поверхности соединения образуют молекулярные облака.
Если судить по огромным массам молекулярных облаков, то именно они - главные резервуары органического вещества в космосе. Однако найденные в них органические соединения оказываются относительно простыми и еще далекими от тех молекулярных систем, которые смогли бы обеспечить начало жизни на любом благоприятном планетном теле.
Особого внимания заслуживает нахождение органических веществ в метеоритах. Это очень важно для понимания процессов зарождения высокомолекулярных систем как предшественников жизни. Следует отметить, что метеориты совместно со своими родительскими телами - астероидами принадлежат к Солнечной системе. Далее возраст метеоритов, по данным ядерной геохронологии, 4,6-4,5 млрд лет, что в основном совпадает с возрастом Земли и Луны. Следовательно, метеориты, несомненно, являются свидетелями формирования различных химических соединений, в том числе и органических, на самых ранних этапах развития Солнечной системы.
В метеоритах найдены углеводороды, углеводы, пурины, пиримидины, аминокислоты, т.е. те химические соединения, которые входят в состав живого вещества, составляя его основу. Они встречены в углистых хондритах и астероидах определенных структуры и состава. Больше всего астероидов движется в поясе между Марсом и Юпитером. Если исходить из данных по космохимии комет, то Можно полагать, что область формирования органических соединений охватывала обширное пространство в пределах большей части объема первичной солнечной туманности. Естественно, что в освещении общей проблемы происхождения жизни мы не имеем права игнорировать данные о составе метеоритов. Это обстоятельство в различной степени учитывалось разными авторами гипотез о происхождении жизни. Таким образом, мы вправе сейчас рассматривать известные метеориты в качестве исторических документов - подлинных свидетелей ранней истории Солнечной системы, охватывающей также процессы формирования органических веществ.
Любой метеорит представляет собой твердое тело, состоящее из ряда минеральных фаз. Главными являются силикатная (каменная), металлическая (железоникелевая) и сульфидная (троилитовая). Встречаются также и другие фазы, но они имеют второстепенное значение по своему распространению. В метеоритах встречены различные минералы, число которых превышает 100, но главными породообразующими являются немногие (оливин, пироксен, полевые шпаты, никелистое железо, троилит и др.). Кроме того, в метеоритах встречено 20 минералов, которых нет в земной коре. К ним относятся карбиды, сульфиды и др., образование которых связано с резко восстановительными условиями. Наиболее существенны концентрации углерода, связанные с органическим веществом, в углистых хондритах.
Принципиально важные сведения об органическом веществе в метеоритах изложены в работах Г. П. Вдовыкина, Э. Авдерса, Р, Хаятсу, М. Штудира. Впервые органическое вещество в составе метеоритов выделил знаменитый химик И. Берцелиус при анализе углистого хондрита Алаис в 1834 г. Результаты его анализа были настолько впечатляющими, что сам он считал это вещество биологического происхождения. В течение XIX столетия химическими анализами было обнаружено присутствие в метеоритах твердых углеводородов, сложных соединений органики с серой и фосфором. Наиболее тщательно и обстоятельно изучались углистые хондриты, значительная часть углерода которых находится в виде органических соединений. Общее содержание углерода и некоторых других летучих веществ в углистых хондритах характеризуется следующими величинами (в вес. %):
Отсюда видно, что содержание углерода (а также серы и воды) максимально в углистых хондритах типа C1, a минимально в хондритах С3. Таким образом, в настоящее время не подлежит сомнению то обстоятельство что в родоначальных телах углистых хондритов в результате самих процессов их формирования возникли сложные органические соединения как закономерный итог химической эволюции ранней Солнечной системы.
Элементарный химический состав углистых хондритов за вычетом летучих веществ очень близок к составу обычных хондритов. Главные особенности различных типов углистых хондритов заключаются в следующем.
Тип C1 представлен непрочными черными камнями, при растирании пальцами рассыпающимися в пыль. Мелкозернистая масса составляет в них примерно 95%. В нее вкраплены хондры (микрохондры), состоящие из оливина и магнетита (размером 1-50 мкм). Минеральный состав метеорита этого типа представлен на рис. 9. Углистые хондриты типа C1 наиболее богаты органическими веществами абиогенного происхождения.
Тип С2 - это серовато-черные камни, значительно более плотные, чем C1. В основную мелкозернистую массу, составляющую 60% объема, вкраплены значительно более крупные хондры, чем у типа C1. Наблюдаются срастания первичных микрохондр в единый кристалл.
Тип С3 представляет собой твердые камни темно-серого, зеленовато-серого или серого цвета. Мелкозернистая масса занимает 35%. Хондры довольно крупные и хорошо выражены.
Распространенность многих химических элементов в углистых хондритах типа C1 обнаруживает ряд характерных отношений, сближающих их с веществом Солнца. Иначе говоря, эти углистые хондриты представляют собой застывшее солнечное вещество, лишенное легких газов.
Органические вещества, найденные в метеоритах, перечислены в табл. 7. Как видно, их список довольно внушительный. Большинство из этих соединений в той или иной степени соответствует универсальным звеньям обмена веществ , известных в живых организмах: аминокислот, белковоподобных полимеров, моно- и полинуклеотидов, порфиринов и других соединений. Близость к составу органических комплексов биологического происхождения оказалась настолько большой, что некоторые авторы стали даже допускать, что в прошлом живые организмы встречались непосредственно в самих метеоритах. По данному вопросу возникла оживленная дискуссия в 60-х годах. Однако тщательные исследования органических соединений из метеоритов не подтвердили наличия оптической активности, что свидетельствует о их абиогенном происхождении.
Сравнение органических веществ метеоритного происхождения с продуктами искусственных реакций типа Фишера-Тропша и ископаемыми органическими веществами биологического происхождения показывает их большую близость, в частности в отношении содержания некоторых углеводородов. Например, в метеоритах преобладают углеводороды с 16 атомами в молекуле, что также наблюдается в земных объектах и продуктах лабораторных экспериментов.
Метеориты являются осколками более крупных тел - астероидов, большая часть которых находится в астероидном поясе на расстоянии 2,3-3,3 а. е. от Солнца. За последние 10 лет в результате астрофизических наблюдений астероидов в области видимой части спектра и инфракрасных волн получены данные, имеющие первостепенное значение для установления генетических взаимоотношений между астероидами и метеоритами. Путем сравнения отражательной способности метеоритов и астероидов удалось установить, что почти все известные классы метеоритов имеют своих аналогов среди изученных астероидов.
В зависимости от отражательной способности астероиды подразделяются на две основные большие группы - темные, или С-астероиды, и относительно светлые, или S-астероиды. Для первых характерно низкое альбедо - менее 0,05, для вторых - свыше 0,1. По спектральным отражательным способностям группа С близка к углистым хондритам, a S - к железокаменным метеоритам и обычным хондритам. Последние фотометрические измерения в общем подтверждают единство материала метеоритов и астероидов. Поэтому все минеральные, химические и структурные особенности метеоритов, полученные и изученные в земных лабораториях, могут быть перенесены на астероиды.
В результате проведенных исследований удалось установить, что в разных областях астероидного пояса состав астероидов разный. В пределах Солнечной системы выявлена принципиально важная космохимическая закономерность: состав астероидов зависит от гелиоцентрического расстояния. Во внутренней части пояса астероидов находятся тела, близкие к обычным хондритам, но по мере увеличения расстояния от Солнца, в пределах 2,5-3,3 а. е., их становится меньше, а число астероидов типа углистых хондритов, которые занимают господствующее положение в середине и краевых частях астероидного пояса, увеличивается. В целом, по данным современных наблюдений, в астероидном поясе даже преобладают углисто-хондритовые тела.
Если действительно большинство астероидов имеет состав углистых хондритов, то вполне естественно, что они содержат много органического вещества, которое определяет их темную окраску и низкую отражательную способность. Так, самую низкую отражательную способность имеет астероид Бамберга (альбедо 0,03). Это темный и довольно крупный объект в астероидном поясе, имеющий поперечник около 250 км.
За последнее время большой интерес вызывают кометы. Были высказаны предположения, что они участвовали в возникновении жизни на Земле или во всяком случае могли внести определенный вклад в состав ее ранней атмосферы. Они могли и доставить на поверхность зарождавшейся планеты первые органические молекулы. Установилось мнение, что кометы лучше всего отражают первичные условия в Солнечной системе.
Большинство комет располагается на самой периферии Солнечной системы, в так называемом облаке Оорта. Они имеют чрезвычайно вытянутые орбиты и находятся в сотни и тысячи раз дальше от Солнца, чем Плутон. Из далекой области к Солнцу приближаются долгопериодические кометы. В целом комета представляет собой ком грязного снега. «Снег» в комете сложен обычным водяным льдом с примесью углекислого газа и других замерзших газов неизвестного состава. «Грязь» представляет собой частицы силикатных пород разного размера, вкрапленные в кометный лед. Можно полагать, что в связи с отсутствием химических взаимодействий кометы являются нетронутыми образцами первоначального вещества, из которого образовалась Солнечная система.
По мере приближения к Солнцу летучее вещество комет испаряется и отбрасывается световым давлением, образуя гигантский хвост. Все наблюдаемые кометные явления определяются процессами, связанными с выделением газов и пыли. Входящие в состав кометных хвостов ионы H + , OH - , O - и H 2 O + происходят в основном от молекул воды, хотя, по всей вероятности, присутствуют и другие соединения водорода. Атомы, радикалы, молекулы и ионы представляются в следующем виде: 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; вблизи Солнца - Ca, CO, Cr, Cu, Fe, V; в хвосте - CH + , CO + , CO 2 + , CN + , N 2 + .
Всюду в кометах обнаруживаются биофильные элементы, в основном С, О, N и Н. В настоящее время о большой долей вероятности установлено, что кометные молекулы близки к тем, которые необходимы для пред-биологической эволюции. Они могут быть представлены молекулами аминокислот, пуринов, пиримидинов. Как отмечает А. Дельсемм , существует несколько групп данных, указывающих на то, что кометная пыль имеет природу хондритовых метеоритов. Во-первых, она состоит преимущественно из силикатов и соединений углерода. Во-вторых, соотношения металлов, испарившихся из комет при прохождении вблизи Солнца, соответствуют типичным для хондритов соотношениям. В-третьих, пылевые частицы космического происхождения, отражающие, вероятно, вещество комет, очень близки к составу материала углистых хондритов. И в самом деле, анализ образцов космической пыли указывает на то, что 80% или более пылевых частиц размером меньше 1 мм состоит из вещества, подобного углистым хондритам. Некоторые ученые сравнили содержание углерода в кометах и углистых хондритах и пришли к заключению, что не менее 10% вещества комет представляет собой органические соединения. Природа обнаруженных в кометах химических соединении указывает на большую вероятность того, что порождающие их молекулы по своей сложности сравнимы по крайней мере с молекулами межзвездного пространства.
Таким образом, все данные по космохимии метеоритов, астероидов и комет свидетельствуют о том, что образование органических соединений в Солнечной системе на ранних стадиях ее развития было типичным и массовым явлением. Наиболее интенсивно оно проявилось в пространстве будущего кольца астероидов, но охватывало в разной степени и другие области протопланетной солнечной туманности, включая, вероятно, ту область, из которой возникла Земля. Однако химическая эволюция вещества протосолнечной туманности, дойдя до определенного этапа формирования сложных органических соединений, оказалась как бы замороженной в большинстве тел Солнечной системы, и лишь на Земле она продолжалась, достигнув невероятной сложности в виде живого вещества.
| <<< Назад
|
Вперед >>>
|
В 1806 г., в самый разгар наполеоновских войн, вблизи французского городка Але упал необычный метеорит. Это было лишь три года спустя после того, как метеориты были официально "Признаны" парижской академией наук. Предубеждения против "Небесных Камней" оставались еще очень сильными, часть осколков метеорита Але была просто утеряна, и лишь один из них через 28 лет попал в лабораторию знаменитого шведского химика Йенса Якоба берцелиуса
Поначалу ученый подумал, что произошла ошибка - метеорит Але не был ни каменным, ни железным, ни железока - менным. Кора плавления (поверхностный слой), однако, свидетельствовала о космическом происхождении необычного камня, родоначальника самого редкого и тогда еще не известного типа метеоритов - углистых хондритов.
Метеорит Але содержал органическую массу, растворимую в воде. При нагревании его частицы бурели и обугливались - явный признак присутствия органических соединений, соединений углерода. (Мы напомним, что такие простые углеродсодержащие соединения, как со, со 2, угольная кислота Н 2 со 3 и ее соли, - это соединения неорганические.) Хотя сходство с земными веществами того же типа было очевидным, берцелиус резонно отметил, что этот факт "еще не Является Доказательством Присутствия Организмов в Первоначальном Источнике".
Работа берцелиуса положила начало изучению органических соединений в метеоритах. К сожалению, до сих пор материал, доступный исследованию, очень редок. Углистые хондриты весьма непрочны - их легко даже пальцами растереть в порошок (и при этом, повторяем, появляется характерный запах нефти. Вообще редкие среди метеоритов, углистые хондриты к тому же легко разрушаются при полете в атмосфере земли. Да и попав на земную поверхность, они, как правило, бесследно пропадают, смешавшись с земными породами. Неудивительно поэтому, что во всем мире найдены и сохранены пока лишь два десятка углистых хондритов.
Спустя четыре года после того, как были опубликованы работы берцелиуса, в 1838 г. в южной Африке упал еще один углистый хондрит, исследованный затем известным немецким химиком Фридрихом вёлером - тем самым вёлером, которому за несколько лет до этого удалось получить вещество животного происхождения - мочевину - из неорганического вещества.
Вёлер выделил из метеорита нефтеобразное маслянистое вещество "с Сильным Битуминозным Запахом" и, в отличие от берцелиуса, пришел к выводу, что такие вещества, "если опираться на современный уровень знаний", могут быть синтезированы только живыми организмами. Заметим, что количество органического материала, выделяемого из углистых хопдритов, невелико - около одного процента. Но и этого вполне достаточно, чтобы сделать весьма важные выводы.
В 1864 г., опять во Франции, вблизи деревни ор - гейль, выпал метеоритный дождь из углистых хондритов - случай исключительный в истории астрономии. Французский химик клец строго доказал, что нерастворимое в воде черное вещество метеорита оргейль представляет собою органические соединения, а вовсе не графит или аморфный углерод. Его поразило сходство этих органических соединений с подобными же веществами, находимыми в торфе пли буром угле. В докладе, представленном парижской академии наук, клец утверждал, что органические вещества в метеоритах, "По-видимому, Могут Указывать на Существование Организованной Материи на Небесных Телах".
С тех пор в течение почти столетия изучение органики метеоритов велось эпизодически, от случая к случаю, без каких-либо существенных обобщений. Среди этих немногочисленных работ следует упомянуть исследования метеорита мигеи, выполненные в 1889 г. Ю. и. симашко. Русский ученый также обнаружил в этом углистом хондрите органические вещества битуминозного типа.
Фото углистый хондрит.
Не следует думать, что все органические вещества непременно связаны с жизнью или, более того, являются принадлежностью живых существ. Астрономам известны многочисленные простейшие углеродсодержащие образования, безусловно не имеющие никакого непосредственного отношения к жизни. Таковы, скажем, радикалы СН и CN, наблюдаемые в межзвездном пространстве и атмосферах холодных звезд. Более того, в условиях космоса, по-видимому, постоянно идет синтез весьма сложных органических соединений до аминокислот включительно. В этом нас убеждают, в частности, любопытные эксперименты американского исследователя Р. берджера. С помощью ускорителя элементарных частиц он бомбардировал протонами смесь метана, аммиака и воды, охлажденную до - 230 с. спустя всего несколько минут в этой ледяной смеси ученый обнаружил мочевину, ацетамид, ацетон. В этих опытах берджер, по сути, моделировал условия межпланетного пространства. Поток протонов имитировал первичные космические лучи, а смесь метаноаммиачных и обычных льдов - это, в сущности, типичная модель кометного ядра.
Другой известный американский биохимик М. Калвин бомбардировал потоком быстрых электронов смесь водорода, метана, аммиака и водяных паров. В этих экспериментах был получен аденин - одно из четырех азотистых оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот. Не такие ли процессы происходили в первичной атмосфере земли и некоторых других планет?
Создается впечатление, что в космосе из неорганических веществ и неорганическим путем создаются белковоподобные соединения - "Полуфабрикаты" возможной будущей жизни.
Таким образом, наличие органических веществ в метеоритах само по себе еще никак не может свидетельствовать о существовании жизни на небесных телах. Эти вещества могли возникнуть и абиогенно, без всякой непосредственной связи с жизнью. Для доказательства противного нужны более веские аргументы.
Именно в таком плане и ведется дискуссия в современной науке о метеоритах. Спор еще не закончен, но полученные результаты представляют огромный интерес.
Еще в 1951-1952 гг. английский биохимик Мюллер выделил из углистого хондрнта битуминозные соединения. В сущности, он повторил работы берцелиуса, вёлера и клеца, но на несравненно более высоком уровне. В метеоритных битумах гораздо больше серы, хлора и азота, чем в подобных земных соединениях, это обстоятельство побудило Мюллера сделать вывод, что битумы в метеоритах имеют абиогенное происхождение.
С иных позиций к той же проблеме подошли уже упомянутый М. Калвин и с. вон. Доклад, представленный ими в 1960 г. на международный симпозиум по изучению космического пространства, был озаглавлен многозначительно: "внеземная жизнь. Некоторые органические составляющие метеоритов и их значение для возможной биологической эволюции вне земли". Американские исследователи выделяли из образцов углистого хондрита летучие вещества, которые затем пропускали через масс-спектрометр. В этих экспериментах определялась относительная масса осколков неизвестных молекул и, кроме того, исследовались инфракрасные и ультрафиолетовые спектры экстрактов углерод - содержащих соединений метеорита. Результаты ошеломляющие получились.
Из углистого хондрита удалось выделить вещество, как две капли воды похожее на цитозин, - еще одно из четырех азотистых оснований. Нашли в метеорите и смесь углеводородов, похожую на нефть земного происхождения.
В следующем, 1961 г., в нью-йоркской академии наук оживленно обсуждалась работа трех американских химиков - Г. Надя, Д. хенесси и у. майнтайна. Из углистых хондритов они выделили набор парафинов, весьма похожий на тот, который входит в состав кожицы яблок или пчелиного воска. В связи с этим обострились споры и вокруг проблемы происхождения нефти.
Мы до сих пор точно не знаем, откуда взялась нефть - источник горючего для самолетов, кораблей и автомобилей, ценнейшее сырье для нефтехимии. Образовалась ли нефть в результате разложения живших когда-то организмов, или "Черное Золото" есть продукт какого-то сложного абиогенного синтеза? В случае если верна первая гипотеза, битумы в метеоритах можно рассматривать как следы внеземной жизни. Только в том случае, если же нефть - неорганического происхождения, то метеоритные битумы не имеют никакого прямого отношения к жизни вне земли, а, по-видимому, возникли в результате абиогенных процессов.
Мы уже говорили об экспериментах, моделирующих образование органических соединений в условиях межпланетного пространства. Еще легче представить себе подобный абиогенный синтез в недрах земноподобной планеты. Органические вещества в метеоритах возникли абиогенно - вот главный тезис тех, кто не считает метеориты носителями остатков каких-то внеземных организмов. Такую позицию отстаивают Андерс, бриггс, у нас в советском союзе - исследователь углистых хондритов Г. П. вдовыкин. По его мнению, "изучение спектров различных небесных тел показывает, что углерод ябляется одним, из наиболее распространенных элементов в них: он обнаруживается в виде элемента (с 2, с 3) и в виде соединений (СН 2, CN, со 2 и др.) Во всех типах небесных тел. эти составляющие атмосфер и звездного пространства могли полимеризоваться с образованием сложных органических молекул" (Л. Кузнецова. Тринадцать загадок неба. М., сов. Россия, 1967 огонек.
Наиболее оживленные дискуссии ныне вокруг загадочных "Организованных Элементов идут". Впервые эти странные включения поперечником от 5 до 50 мкм обнаружили в 1961 г. Н. Надь и Д. Клаус при исследовании образцов четырех углистых хондритов. Внешне они напоминали земные ископаемые микроскопические водоросли. Среди них американские исследователи выделили по морфологическим признакам пять типов объектов, причем некоторые из объектов оказались спаренными, как бы погибшими в процессе клеточного деления. Почти все из "Организованных Элементов" походили на простейшие растения, живущие только в воде, и это обстоятельство, по мнению Надя и Клауса, исключало возможность загрязнения метеорита из почвы. Позже Ф. стаплин и другие обнаружили "Организованные Элементы" в ряде углистых хондритов, причем все исследователи отмечали их сходство с некоторыми одноклеточными водорослями.
В 1962 г. ленинградский геолог б. в. Тимофеев из метеоритов Саратов и мигея выделил странные спороподобные образования. Их было более двух десятков - желтовато-серых, крошечных, полых, почти сферических оболочек, имеющих в поперечнике от 10 до 60 мкм. Оболочки оказались однослойными, разными по толщине, иногда смятыми в отчетливо очерченные складки. По словам исследователя, "поверхность оболочек гладкая, реже мелкобугорчатая. На одной из форм видно круглое отверстие - устьице, характерное для некоторых одноклеточных водорослей. Многие из указанных Находок могут быть сравнены с древнейшими на земле ископаемыми одноклеточными водорослями, жившими более 600 млн. Лет тому назад, но их нельзя отнести ни к одной группе растительного мира нашей планеты" (огонек, 1962, номер 4, с. 12.
Нуклеи́новые кислоты
Дезоксирибонуклеиновые и рибонуклеиновые кислоты, универсальные компоненты всех живых организмов, ответственные за хранение, передачу и воспроизведение (реализацию) генетической информации. На два типа все Н. к. делят по углеводному компоненту молекул: дезоксирибозе у дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) и рибозе у рибонуклеиновых кислот (РНК). Биологическая роль ДНК у большинства организмов заключается в хранении и воспроизведении генетической информации, а РНК - в реализации этой информации в строении молекул белков (Белки) в процессе их синтеза.
Нуклеиновые кислоты были обнаружены в 1868 г. швейцарским ученым Мишером (F. Miescher), который установил, что эти вещества локализуются в ядрах клеток, обладают кислотными свойствами и в отличие от белков содержат фосфор. Химически Н. к. являются полинуклеотидами, т.е. биополимерами, построенными из мономерных звеньев - мононуклеотидов, или нуклеотидов (фосфорных эфиров так называемых нуклеозидов - производных пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований, D-рибозы или 2-дезокси-D-рибозы). Пуриновыми основаниями, входящими в молекулу ДНК, являются аденин (А) и гуанин (Г), пиримидиновыми - цитозин (Ц) и тимин (Т). В нуклеозидах РНК вместо тимина присутствует урацил (У). В полинуклеотидную цепь нуклеотиды соединяются посредством фосфодиэфирной связи (рис. 1).
Первичная структура Н. к. определяется порядком чередования азотистых оснований, а их пространственная конфигурация - нековалентными взаимодействиями между участками молекулы: водородными связями между азотистыми основаниями, гидрофобными взаимодействиями между плоскостями пар оснований, электростатическими взаимодействиями с участием отрицательно заряженных фосфатных групп и противоионов.
Дезоксирибонуклеиновые кислоты, выделенные из различных организмов, отличаются по соотношению входящих в их состав азотистых оснований, т.е. по нуклеотидному составу, который у всех ДНК подчиняется правилу Чаргаффа: 1) число молекул аденина в молекуле Н. к. равно числу молекул тимина, т.е. А = Т; 2) число молекул гуанина равно числу молекул цитозина, т.е. Г = Ц; 3) число молекул пуриновых оснований равно числу молекул пиримидиновых оснований; 4) число 6-аминогрупп равно числу 6-кетогрупп, что означает, что сумма аденин + цитозин равна сумме гуанин + тимин, т.е. А + Ц = Г + Т. Правило Чаргаффа справедливо и для так называемых минорных азотистых оснований (метилированных или других производных пуриновых и пиримидиновых оснований). Таким образом, нуклеотидный состав каждой ДНК характеризуется постоянной величиной - молярным соотношением
(фактором специфичности) или процентным содержанием Г-Ц-пар, т.е.
Величина последнего показателя практически одинакова для организмов одного класса. У высших растений и позвоночных животных она составляет 0,55-0,93.
В журнале Nature было опубликовано исследование, которое продемонстрировало, что органические соединения, с неожиданно высоким уровнем сложности, существуют по всей Вселенной.Данные результаты позволяют предположить, что комплексные органические соединения могут создаваться звездами.
Профессор Сун Куок и доктор Йонг Жанг из Гонконгского университета продемонстрировали, что органические субстанции во Вселенной состоят как из ароматических (циклическая форма), так и из алифатических (цепочки) соединений. Данные соединения настолько сложны, что их химическая структура напоминает уголь или нефть. Поскольку уголь и нефть являются остатками древней жизни, считалось, что подобная форма органической материи образуется исключительно из живых организмов. Открытие команды позволяет предположить, что комплексные органические соединения могут быть синтезированы в космосе даже в отсутствии каких-либо форм жизни.
Ученые исследовали таинственный феномен: набор инфракрасных излучений в звездах, межзвездном пространстве и галактиках. Их спектральные сигнатуры известны под названием "неопознанные инфракрасные выбросы". На протяжении более двух десятилетий, наиболее широко принятой теорией относительно источников возникновения подобных сигнатур, было мнение, что это простые органические молекулы, состоящие из атомов углерода и водорода, под названием полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Ведя наблюдения с помощью Инфракрасной космической обсерватории и Космического телескопа "Спитцер", Куок и Жанг продемонстрировали, что спектр излучения невозможно объяснить наличием молекул ПАУ. Команда выдвинула мнение, что субстанции, генерирующие подобное инфракрасное излучение имеют намного более сложную химическую структуру.
Звезды не только создают это комплексное органическое вещество, но и выталкивают его в межзвездное пространство. Полученные результаты вполне согласуются с более ранней идеей, предложенной Куоком, согласно которой старые звезды являются молекулярными фабриками, способными изготавливать органические смеси. "Наша работа продемонстрировала, что звезды без проблем справляются с созданием сложных органических соединений в условиях почти полного вакуума", - сказал Куок. "Теоретически это невозможно, но мы, тем не менее, можем это видеть".
Еще более интересен тот факт, что по строению эта органическая звездная пыль схожа с комплексными органическими соединениями, которые находят в метеоритах. Поскольку метеориты являются остатками ранней Солнечной системы, то возникает вопрос о том, могли ли звезды обогатить раннюю Солнечную систему органическими соединениями. Вопрос о том, какую роль эти соединения играли в процессе зарождения и развития жизни на Земле, остается открытым.
«Углерод встречается в природе как в свободном, так и в соединенном состоянии, в весьма различных формах и видах. В свободном состоянии углерод известен по крайней мере в трех видах: в виде угля, графита и алмаза. В состоянии соединений углерод входит в состав так называемых органических веществ, т. е. множества веществ, находящихся в теле всякого растения и животного. Он находится в виде углекислого газа в воде и воздухе, а в виде солей углекислоты и
органических остатков в почве и массе земной коры. Разнообразие веществ, составляющих тело животных и растений, известно каждому. Воск и масло, скипидар и смола, хлопчатая бумага и белок, клеточная ткань растений и мускульная ткань животных, винная кислота и крахмал - все эти и множество иных веществ, входящих в ткани и соки растений и животных, представляют соединения углеродистые. Область соединений углерода так велика, что составляет особую отрасль химии, т. е. химии углеродистых или, лучше, углеводородистых соединений».
Эти слова из «Основ химии» Д. И. Менделеева служат как бы развернутым эпиграфом к нашему рассказу о жизненно важном элементе - углероде. Впрочем, есть здесь один тезис, с которым, с точки зрения современной науки о веществе, можно и поспорить, но об этом ниже.
Вероятно, пальцев на руках хватит, чтобы пересчитать химические элементы, которым не была посвящена хотя бы одна научная книга. Но самостоятельная научно-популярная книга - не какая-нибудь брошюрка на 20 неполных страницах с обложкой из оберточной бумаги, а вполне солидный том объемом почти в 500 страниц - есть в активе только одного элемента - углерода.
И вообще литература по углероду - богатейшая. Это, во-первых, все без исключения книги и статьи химиков- органиков; во-вторых, почти все, что касается полимеров; в-третьих, бесчисленные издания, связанные с горючими ископаемыми; в-четвертых, значительная часть медикобиологической литературы…
Поэтому не будем пытаться объять необъятное (ведь не случайно авторы популярной книги об элементе № 6 назвали ее «Неисчерпаемый»!, а сконцентрируем внимание лишь на главном из главного - попытаемся увидеть углерод с трех точек зрения.
Углерод - один из немногочисленных элементов «без роду, без племени». История общения человека с этим веществом уходит во времена доисторические. Имя первооткрывателя углерода неизвестно, неизвестно и то, какая из форм элементного углерода - алмаз или графит - была открыта раньше. И то и другое случилось слишком давно. Определенно утверждать можно лишь одно: до алмаза и до графита было открыто вещество, которое еще несколько десятилетий назад считали третьей, аморфной формой элементного углерода - уголь. Но в действительности уголь, даже древесный, это не чистый углерод. В нем есть и водород, и кислород, и следы других элементов. Правда, их можно удалить, но и тогда углерод угля не станет самостоятельной модификацией элементного углерода. Это было установлено лишь во второй четверти нашего века. Структурный анализ показал, что аморфный углерод - это по существу тот же графит. А значит, никакой он не аморфный, а кристаллический; только кристаллы его очень мелкие и больше в них дефектов. После этого стали считать, что углерод на Земле существует лишь в двух элементарных формах - в виде графита и алмаза.
По определению алканы – предельные или насыщенные углеводороды, имеющие линейную или разветвлённую структуру. Также называются парафинами. Молекулы алканов содержат только одинарные ковалентные связи между атомами углерода. Общая формула –
Чтобы назвать вещество, необходимо соблюсти правила. По международной номенклатуре названия формируются с помощью суффикса -ан. Названия первых четырёх алканов сложились исторически. Начиная с пятого представителя, названия составляются из приставки, обозначающей количество атомов углерода, и суффикса -ан. Например, окта (восемь) образует октан.
Для разветвлённых цепей названия складываются:
Пример: 4-метилпропан – у четвёртого атома углерода в цепи пропана находится радикал (метил).
Рис. 1. Структурные формулы с названиями алканов.
Каждый десятый алкан даёт называние следующим девяти алканам. После декана идут ундекан, додекан и далее, после эйкозана – генэйкозан, докозан, трикозан и т.д.
Органические соединения отличаются от неорганических, прежде всего, своим составом. Если неорганические вещества могут быть образованы любыми элементами Периодической системы, то в состав органических должны непременно входить атомы C и H. Такие соединения называют углеводородами (CH4 – метан, C6H6 – бензол). Углеводородное сырье (нефть и газ) приносит человечеству огромную пользу. Однако и распри вызывает нешуточные.
Производные углеводородов содержат в своем составе еще и атомы O и N. Представители кислородсодержащих органических соединений – спирты и изомерные им простые эфиры (C2H5OH и CH3-O-CH3), альдегиды и их изомеры – кетоны (CH3CH2CHO и CH3COCH3), карбоновые кислоты и сложные эфиры (CH3-COOH и HCOOCH3). К последним принадлежат также жиры и воски. Углеводы – тоже кислородсодержащие соединения.
Почему же ученые объединили вещества растительные и животные в одну группу – органические соединения и в чем их отличие от неорганических? Одного четкого критерия, позволяющего разделить органические и неорганические вещества, нет. Рассмотрим ряд признаков, объединяющих органические соединения.
Среди органических веществ много полимеров природного (белки, полисахариды, натуральный каучук и др.), искусственного (вискоза) и синтетического (пластмассы, синтетические каучуки, полиэстер и другие) происхождения. Они обладают большой молекулярной массой и более сложным, по сравнению с неорганическими веществами, строением.
Наконец, органических веществ насчитывают более 25 миллионов.
Это лишь поверхностный взгляд на органические и неорганические вещества. О каждой из этих групп написан не один десяток научных трудов, статей и учебников.
Как мы уже обозначали выше, живым веществом рассматриваемой оболочки Земли считается вся совокупность организмов, принадлежащих ко всем царствам природы. Особое же положение среди всех занимают люди. Причинами этого стало:
Все остальные представители - это живое вещество. Функции живого вещества были разработаны и указаны Вернадским. Он отводил следующую роль организмам:
Самые основные функции живого вещества биосферы - газовая, энергетическая и окислительно-восстановительная. Однако и остальные тоже являются важными, обеспечивающими сложные процессы взаимодействия между всеми частями и элементами живой оболочки планеты.
Рассмотрим каждую из функций более подробно, чтобы понять, что именно подразумевается и в чем суть.
— Зверь и птица, звёзды и камень — все мы одно, все одно... — бормотала Кобра, опустив свой клобук и тоже раскачиваясь. — Змея и ребёнок, камень и звезда — все мы одно...
Памела Треверс. «Мэри Поппинс»
Чтобы установить распространённость химических элементов во Вселенной, нужно определить состав её вещества. А оно сосредоточено не только в крупных объектах — звёздах, планетах и их спутниках, астероидах, кометах. Природа, как известно, не терпит пустоты, поэтому и космическое пространство заполнено межзвёздными газом и пылью. К сожалению, нам для непосредственного изучения доступно лишь земное вещество (и только то, которое «под ногами») да очень небольшое количество лунного грунта и метеориты — обломки некогда существовавших космических тел.
Как же определить химический состав объектов, удалённых от нас на тысячи световых лет? Получать всю необходимую для этого информацию стало возможным после разработки в 1859 г. немецкими учёными Густавом Кирхгофом и Робертом Бунзеном метода спектрального анализа. А в 1895 г. профессор Вюрцбургского университета Вильгельм Конрад Рентген случайно обнаружил неизвестное излучение, которое учёный назвал Х-лучами (ныне они известны как рентгеновские). Благодаря этому открытию появилась рентгеновская спектроскопия, которая позволяет непосредственно по спектру определять порядковый номер элемента.
В основе спектрального и рентгеноспектрального анализа лежит способность атомов каждого химического элемента излучать или поглощать энергию в виде волн строго определённой, только ему одному свойственной длины, что и улавливают специальные приборы — спектрометры. Атом испускает волны видимого света при переходах электронов на внешних уровнях, а за рентгеновское излучение отвечают более «глубинные» электронные слои. По интенсивности определённых линий в спектре и узнают содержание элемента в том или ином небесном теле.
К концу XX в. исследованы спектры многих объектов во Вселенной, накоплен огромный статистический материал. Разумеется, данные о химическом составе космических тел и межзвёздного вещества не окончательны и постоянно уточняются, но благодаря уже собранным сведениям удалось установить среднее содержание элементов в космосе.
Все тела во Вселенной состоят из атомов одних и тех же химических элементов, но содержание их в разных объектах различно. При этом наблюдаются интересные закономерности. Лидеры по распространённости — водород (его атомов в космосе — 88,6 %) и гелий (11,3 %). На долю остальных элементов приходится всего 1 %! В звёздах и планетах распространены также углерод, азот, кислород, неон, магний, кремний, сера, аргон и железо. Таким образом, лёгкие элементы преобладают. Но есть и исключения. Среди них — «провал» в области лития, бериллия и бора и низкое содержание фтора и скандия, причина которого до сих пор не установлена.
Выявленные закономерности можно представить в виде графика. Внешне он напоминает старую пилу, зубья которой сточились по-разному, а некоторые вообще сломались. Верхушки зубьев соответствуют элементам с чётными порядковыми номерами (т. е. тем, у которых количество протонов в ядрах чётное). Данная закономерность носит название правила Олдо — Харкинса в честь итальянского химика Джузеппе Оддо (1865—1954) и американского физика и химика Уильяма Харкинса (1873— 1951). Согласно этому правилу, распространённость элемента с чётным зарядом больше, чем его соседей с нечётным количеством протонов в ядре. Если же у элемента и количество нейтронов чётное, то он встречается ещё чаше и изотопов образует больше. Во Вселенной существует 165 стабильных изотопов, у которых и число нейтронов, и число протонов чётное; 56 изотопов с чётным числом протонов и нечётным — нейтронов; 53 изотопа, у которых число нейтронов чётное, а протонов — нечётное; и всего 8 изотопов с нечётным количеством и нейтронов, и протонов.
Бросается в глаза и ещё один максимум, приходящийся на железо — один из наиболее распространённых элементов. На графике его зубец возвышается, как Эверест. Это связано с большой энергией связи в ядре железа — самой высокой среди всех химических элементов.
А вот и сломанный зуб у нашей пилы — на графике нет значения распространённости технеция, элемента № 43, вместо него здесь пробел. Казалось бы, что в нём такого особенного? Технеций находится в середине периодической системы, распространённость его соседей подчиняется общим закономерностям. А дело вот в чём: этот элемент просто-напросто давно «закончился», период полураспада его самого долгоживущего изотопа 2,12.10 6 лет. Технеций даже не был открыт в традиционном понимании этого слова: его синтезировали искусственно в 1937 г., и то случайно. Но вот что интересно: в 1960 г. в спектре Солнца была обнаружена линия «несуществующего» элемента № 43! Это блестящее подтверждение того факта, что синтез химических элементов в недрах звёзд продолжается и поныне.
Второй сломанный зуб — отсутствие на графике прометия (№ 61), и объясняется оно теми же причинами. Период полураспада самого устойчивого изотопа этого элемента очень мал, всего 18 лет. И пока нигде в космосе он не дал о себе знать.
Совсем нет на графике и элементов с порядковыми номерами больше 83: все они тоже очень нестабильны, и в космосе их исключительно мало.
Космохимия (астрохимия) - раздел науки о космосе, включающий изучение химического и изотопного состава космических тел, а также межпланетной и межзвездной среды, изучение химических элементов в космосе, процессов радиоактивного распада и ядерных реакций и др. Установлено, что в космосе имеются те же химические элементы, что и на Земле.
Космохимия исследует преимущественно «холодные» процессы на уровне атомно-молекулярных взаимодействий веществ, в то время как «горячими» ядерными процессами в космосе - плазменным состоянием вещества, нуклеогенезом (процессом образования химических элементов) внутри звёзд занимается физика. Развитие космонавтики открыли перед космохимией новые возможности. Это непосредственное исследование пород Луны в результате забора образцов грунта.
Автоматические спускаемые аппараты сделали возможным изучение вещества и условий его существования в атмосфере и на поверхности других планет Солнечной системы и астероидов, в кометах. В межзвёздном пространстве обнаруживаются в крайне малых концентрациях атомы и молекулы многих элементов, а также минералы (кварц, силикаты, графит и другие) и, наконец, идёт синтез различных сложных органических соединений из первичных солнечных газов Н, CO, NH3, O2, N2, S и других простых соединений в равновесных условиях при участии излучений.
Космохимия – новая область знания, получившая значительное развитие благодаря успехам космонавтики. Ранее исследования химических процессов в космическом пространстве и состава космических тел осуществлялись в основном путём спектрального анализа излучения Солнца, звёзд и, отчасти, внешних слоев атмосфер планет . Этот метод позволил открыть элемент гелий на Солнце ещё до того, как он был обнаружен на Земле. Единственным прямым методом изучения космических тел был анализ химического и фазового состава различных метеоритов, выпадавших на Землю. Развитие космонавтики, полёты автоматических станций к планетам Солнечной системы – Луне, Венере, Марсу – посещение человеком Луны открыли перед космохимией новые возможности.
Прежде всего – это непосредственное исследование пород Луны при участии космонавтов или путём забора образцов грунта автоматическими аппаратами и доставка их на Землю. Кроме того, автоматические спускаемые аппараты сделали возможным изучение вещества и условий его существования в атмосфере и на поверхности других планет Солнечной системы, прежде всего Марса и Венеры. Наибольшее внимание уделяется проблемам распространённости и распределения химических элементов. Химический состав Солнца, планет земного типа Солнечной системы и метеоритов, по-видимому, практически тождествен. Образование ядер химических элементов связано с различными ядерными процессами в звёздах. Поэтому на разных этапах своей эволюции различные звёзды и звёздные системы имеют неодинаковый химический состав. Известны звёзды с особенно сильными спектральными линиями Ва, Mg, Li и др. Распределение химических элементов по фазам в космических процессах исключительно разнообразно.
На агрегатное и фазовое состояние вещества в космосе на разных стадиях его превращений оказывают разностороннее влияние:
1) огромный диапазон температур, от звёздных до абсолютного нуля;
2) огромный диапазон давлений, от миллионов атмосфер в условиях планет и звёзд до космического вакуума;
3) глубоко проникающие галактическое и солнечное излучения различного состава и интенсивности;
4) излучения, сопровождающие превращения нестабильных атомов в стабильные. При этом процессы фракционирования вещества в космосе касаются не только атомного, но и изотопного состава.
Определение изотопных равновесий, возникших под влиянием излучений, позволяет глубоко проникать в историю процессов образования вещества планет, астероидов, метеоритов и устанавливать возраст этих процессов. Благодаря экстремальным условиям в космическом пространстве протекают процессы и встречаются состояния вещества, не свойственные Земле: плазменное состояние вещества звёзд (например, Солнца); конденсация Не, CH4, NH3 и других легколетучих газов в атмосфере больших планет при очень низких температурах; образование нержавеющего железа в космическом вакууме при взрывах на Луне; хондритовая структура вещества каменных метеоритов; образование сложных органических веществ в метеоритах и, вероятно, на поверхности планет (например, Марса).
Становление и развитие космохимии прежде всего связаны с трудами В. М. Гольдшмидта, Г. Юри, А. П. Виноградова. Гольдшмидт впервые сформулировал (1924-32) закономерности распределения элементов в метеоритном веществе и нашел основные принципы распределения элементов в фазах метеоритов (силикатной, сульфидной, металлической).
Одна из важнейших задач космохимии - изучение на основе состава и распространённости химических элементов эволюции космических тел, стремление объяснить на химической основе их происхождение и историю. Наибольшее внимание в космохимии уделяется проблемам распространённости и распределения химических элементов. Распространённость химических элементов в космосе определяется нуклеосинтезом внутри звёзд. Химический состав Солнца, планет земного типа Солнечной системы и метеоритов, по-видимому, практически тождествен.
Образование ядер химических элементов связано с различными ядерными процессами в звёздах. Поэтому на разных этапах своей эволюции различные звёзды и звёздные системы имеют неодинаковый химический состав. Известны звёзды с особенно сильными спектральными линиями Ва или Mg или Li и др. С развитием астрофизики и некоторых др. наук расширились возможности получения информации, относящейся к космохимии. Так, поиски молекул в межзвёздной среде ведутся посредством методов радиоастрономии. К концу 1972 в межзвёздном пространстве обнаружено более 20 видов молекул, в том числе несколько довольно сложных органических молекул, содержащих до 7 атомов.
Установлено, что наблюдаемые концентрации их в 10в100 млн. раз меньше, чем концентрация водорода. Эти методы позволяют также посредством сравнения радиолиний изотопных разновидностей одной молекулы (например, H212CO и H213CO) исследовать изотопный состав межзвёздного газа и проверять правильность существующих теорий происхождения химических элементов. Исключительное значение для познания химии космоса имеет изучение сложного многостадийного процесса конденсации вещества низкотемпературной плазмы , например перехода солнечного вещества в твёрдое вещество планет Солнечной системы, астероидов, метеоритов, сопровождающегося конденсационным ростом, аккрецией (увеличением массы, "нарастанием" любого вещества путём добавления частиц извне, например из газопылевого облака) и агломерацией первичных агрегатов (фаз) при одновременной потере летучих веществ в вакууме космического пространства.
В космическом вакууме, при относительно низких температурах (5000в10000 °С), из остывающей плазмы последовательно выпадают твёрдые фазы разного химического состава (в зависимости от температуры), характеризующиеся различными энергиями связи, окислительными потенциалами и т. п. Например, в хондритах различают силикатную, металлическую, сульфидную, хромитную, фосфидную, карбидную и др. фазы, которые агломерируются в какой-то момент их истории в каменный метеорит и, вероятно, подобным же образом и в вещество планет земного типа. Возможность интерпретации данных по химическому составу планет на основе представлений об их "холодном" происхождении из пылевой компоненты протопланетного облака. Виноградов (1959) обосновал концепцию выплавления и дегазации вещества планет земной группы как основного механизма дифференциации вещества планет и формирования их наружных оболочек - коры, атмосферы и гидросферы.
До второй половины 20 века исследования химических процессов в космическом пространстве и состава космических тел осуществлялись в основном путем спектрального анализа вещества Солнца, звезд, отчасти внешних слоев атмосферы планет. Единственным прямым методом изучения космических тел был анализ химического и фазового состава метеоритов. Развитие космонавтики открыло новые возможности непосредственного изучения внеземного вещества. Это привело к фундаментальным открытиям: установлению широкого распространения пород базальтового состава на поверхности Луны, Венеры, Марса; определению состава атмосфер Венеры и Марса; выяснению определяющей роли ударных процессов в формировании структурных и химических особенностей поверхности планет и образовании реголита и др.
