О происхождении органических веществ в гидросфере Земли
Рассмотрены возможные пути возникновения органических веществ в естественных условиях Земли. Особое внимание уделено анализу ряда физико-химических процессов, приводящих к образованию муравьиной кислоты в водной среде из неорганических компонентов. Отмечено, что существование органических соединений...
Збережено в:
| Дата: | 2013 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського НАН України
2013
|
| Назва видання: | Химия и технология воды |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/130756 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | О происхождении органических веществ в гидросфере Земли / В.В. Гончарук, О.В. Зуй // Химия и технология воды. — 2013. — Т. 35, № 2. — С. 91-97. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-130756 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1307562018-02-22T03:02:32Z О происхождении органических веществ в гидросфере Земли Гончарук, В.В. Зуй, О.В. Физическая химия процессов обработки воды Рассмотрены возможные пути возникновения органических веществ в естественных условиях Земли. Особое внимание уделено анализу ряда физико-химических процессов, приводящих к образованию муравьиной кислоты в водной среде из неорганических компонентов. Отмечено, что существование органических соединений является необходимым, но не достаточным условием возникновения жизни на Земле. Розглянуто можливі шляхи виникнення органічних речовин в природних умовах Землі. Особливу увагу приділено аналізу ряду фізико-хімічних процесів, що призводять до утворення форміатної кислоти у водному середовищі з неорганічних компонентів. Відзначено, що існування органічних сполук є необхідною, але не достатньою умовою виникнення життя на Землі. Possible ways of origination of organic substances in the natural conditions of the Earth have been examined. Particular attention has been given to analysis of a number of physico-chemical processes associated with formation of formic acid from inorganic components in aqueous media. It has been pointed out that existence of organic compounds is a necessary but not sufficient condition to the advent of life on the Earth. 2013 Article О происхождении органических веществ в гидросфере Земли / В.В. Гончарук, О.В. Зуй // Химия и технология воды. — 2013. — Т. 35, № 2. — С. 91-97. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 0204-3556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/130756 541.128 ru Химия и технология воды Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Физическая химия процессов обработки воды Физическая химия процессов обработки воды |
| spellingShingle |
Физическая химия процессов обработки воды Физическая химия процессов обработки воды Гончарук, В.В. Зуй, О.В. О происхождении органических веществ в гидросфере Земли Химия и технология воды |
| description |
Рассмотрены возможные пути возникновения органических веществ в естественных условиях Земли. Особое внимание уделено анализу ряда физико-химических процессов, приводящих к образованию муравьиной кислоты в водной среде из неорганических компонентов. Отмечено, что существование органических соединений является необходимым, но не достаточным условием возникновения жизни на Земле. |
| format |
Article |
| author |
Гончарук, В.В. Зуй, О.В. |
| author_facet |
Гончарук, В.В. Зуй, О.В. |
| author_sort |
Гончарук, В.В. |
| title |
О происхождении органических веществ в гидросфере Земли |
| title_short |
О происхождении органических веществ в гидросфере Земли |
| title_full |
О происхождении органических веществ в гидросфере Земли |
| title_fullStr |
О происхождении органических веществ в гидросфере Земли |
| title_full_unstemmed |
О происхождении органических веществ в гидросфере Земли |
| title_sort |
о происхождении органических веществ в гидросфере земли |
| publisher |
Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського НАН України |
| publishDate |
2013 |
| topic_facet |
Физическая химия процессов обработки воды |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/130756 |
| citation_txt |
О происхождении органических веществ в гидросфере Земли / В.В. Гончарук, О.В. Зуй // Химия и технология воды. — 2013. — Т. 35, № 2. — С. 91-97. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| series |
Химия и технология воды |
| work_keys_str_mv |
AT gončarukvv oproishoždeniiorganičeskihveŝestvvgidrosferezemli AT zujov oproishoždeniiorganičeskihveŝestvvgidrosferezemli |
| first_indexed |
2025-07-09T14:11:01Z |
| last_indexed |
2025-07-09T14:11:01Z |
| _version_ |
1837178827289133056 |
| fulltext |
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2013, т. 35, № 2 91
В.В. ГОНЧАРУК, О.В. ЗУЙ, 2013
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ВОДЫ
УДК 541.128
В.В. Гончарук, О.В. Зуй
О ПРОИСХОЖДЕНИИ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
В ГИДРОСФЕРЕ ЗЕМЛИ
Институт коллоидной химии и химии воды
им. А.В. Думанского НАН Украины, г. Киев
Рассмотрены возможные пути возникновения органических веществ в есте-
ственных условиях Земли. Особое внимание уделено анализу ряда физико-хи-
мических процессов, приводящих к образованию муравьиной кислоты в водной
среде из неорганических компонентов. Отмечено, что существование органи-
ческих соединений является необходимым, но не достаточным условием воз-
никновения жизни на Земле.
Ключевые слова: гетерогенные реакции, органические вещества, проис-
хождение жизни, пероксид водорода, радикалы.
Введение. Вопросам происхождения жизни на Земле уделяется много
внимания. Материальной основой жизни являются органические соеди-
нения. Поэтому одна из ключевых проблем ее возникновения сводится
к возможности образования из простых неорганических соединений все
более сложных органических вплоть до полимерных гигантских моле-
кул. В настоящее время радиоспектроскопическими методами доказано
наличие в космическом пространстве (в газопылевых облаках, кометах
и метеоритах) достаточно сложных органических соединений, таких, как
формальдегид, цианоацетилен, формамид. Поэтому можно считать, что
уже в процессе формирования Земли она могла содержать в своем составе
и органические соединения. Некоторые ученые отводят таким соединени-
ям космического происхождения решающую роль в происхождении жиз-
ни. Однако большинство современных теорий включает в качестве необ-
ходимого первого этапа протекающие в атмосфере, гидросфере Земли или
на ее поверхности процессы образования органических соединений из -
неорганических компонентов. Этот химический (абиогенный) этап воз-
никновения сложных органических соединений предшествовал биологи-
ческому, начавшемуся после возникновения клеток.
Химический этап принято разделять на два. Сначала из компонен-
тов первичной атмосферы в результате физико-химических процессов
накапливались простые органические молекулы (формальдегид, форма-
92 ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2013, т. 35, №2
мид). Когда на Земле появилось достаточно большое количество таких
молекул и образовались локальные области с их повышенной концент-
рацией (в водоемах, на поверхности твердых частиц, льда), возникли ус-
ловия, в которых за счет химических реакций стало возможным образо-
вание более сложных химических структур, в том числе полимерных:
полисахаридов, полипептидов, липидов, порфиринов [1].
Цель данной работы – анализ возможных физико-химических про-
цессов, ответственных за возникновение и химическую эволюцию орга-
нических веществ на Земле, особенно в ее гидросфере.
Земля образовалась около 4,5 млрд. лет тому назад. Сформировавша-
яся в результате газовыделения из разогретых пород атмосфера получи-
ла название первичной. Большинство ученых считают, что она состояла
из метана (СН
4
), аммиака (NH
3
) и паров воды. Существуют модели, до-
пускающие присутствие Н
2
, N
2
, CО
2
, CO, H
2
S.
Образование метана описывается следующими реакциями [2]:
C + H
2
O CO + H
2
;
3H
2
+ CO CH
4
+ H
2
O.
Преобразование стабильных в условиях молодой Земли неоргани-
ческих молекул в органические требует энергии, источниками которой
на стадии абиогенного синтеза могли служить: электромагнитное излу-
чение Солнца; ионизирующее излучение космоса; радиоактивный рас-
пад нестабильных изотопов элементов, входящих в состав земной коры;
электрические разряды (молнии); столкновения с метеоритами; вулка-
нические процессы. Наиболее интенсивным источником энергии явля-
ется Солнце, и считается, что именно фотохимические процессы в газо-
вой фазе, растворах или гетерогенных системах, инициированные
поглощением солнечного излучения, ответственны за абиогенное обра-
зование органических молекул.
Остановимся на возможных путях образования муравьиной кислоты
из неорганических компонентов в естественных условиях Земли. Этим
вопросам до сих пор в научной литературе не уделялось достаточно вни-
мания. Известно [3], что одним из механизмов самоочищения воды в от-
крытых водоемах являются реакции окисления пероксидом водорода. Пе-
роксид водорода образуется в открытых системах под действием различных
природных процессов, например: при грозовых разрядах, под действием
космического излучения, в различных химических реакциях. Установле-
но, что концентрация пероксида водорода в природных водах составляет
10-6 – 10-8 моль/дм3. До 30 % пероксида водорода распадается с образова-
нием радикалов. Концентрация радикалов ОН• в природных водах нахо-
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2013, т. 35, № 2 93
дится в диапазоне 10-15 – 10-17 моль/дм3, концентрация пероксидных ради-
калов ROO• в морской воде –10-10 – 10-11 моль/дм3 [4].
Пероксид водорода образуется также в ходе фотохимических реакций [5]:
H
2
O H+ + OH• + e;
OH• + OH• H
2
O
2
.
Известно, что переходные металлы (Co (II), Fe (II)) могут окисляться
до трехвалентного состояния пероксидом водорода с образованием ра-
дикалов ОН•, и эта реакция (реакция Фентона) термодинамически вы-
годна в слабощелочной и нейтральной средах [6]. Металлы переменной
валентности, в том числе железо, выступают в качестве восстановителей
и одновременно катализаторов процесса. Общая концентрация ионов
железа в речной воде составляет 0,2 – 1,2 мг/дм3. Cхему катализа ионами
железа распада пероксида водорода можно представить в виде
Fe3+ + HO
2
- Fe2+ + HO
2
• (lg k = 23,98);
Fe2+ + H
2
O
2
Fe3+ + OH• + OH- (lg k = 9).
В восстановительных условиях ювенильной гидросферы имеет место
лишь последняя реакция.
Поскольку в природных водах преобладают карбонаты и гидрокар-
бонаты, то восстановление гидроксильных радикалов наиболее вероят-
но по реакции
OH• + HCO
3
- HCO•
3
+ OH-.
Под действием света происходит фотодиссоциация Н
2
О
2
, концентра-
ция гидроксильных и гидропероксидных радикалов возрастает, что су-
щественно ускоряет ход процесса.
Далее радикалы НСО•
3
могут инициировать следующую последова-
тельность реакций [7]:
2HCO.
3 O C
O
O
O
O
C O
CO2 + O2 + HCOOH + hv H
H
94 ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2013, т. 35, №2
Эта последовательность реакций служит примером образования муравь-
иной кислоты из чисто неорганических компонентов. Такой процесс
может происходить в водах в природных условиях. В незагрязненных
речных и озерных водах муравьиная кислота обнаруживается в концент-
рациях до 830, в снеговых – до 78, в морских – до 680 мкг/дм3.
Возникновению живого вещества на Земле (и, как можно судить по
аналогии, на других планетах) предшествовала довольно длительная и
сложная эволюция химического состава атмосферы и гидросферы, в ко-
нечном итоге приведшая к образованию органических молекул. Эти мо-
лекулы впоследствии послужили как бы "кирпичами" для образования
живого вещества.
Таким образом, химическая эволюция – это первый этап эволюции
жизни, в ходе которого органические, предбиотические вещества воз-
никли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетичес-
ких и селекционных факторов и в силу развертывания процессов само-
организации, свойственных всем относительно сложным системам,
включая большие молекулы, содержащие углерод [8].
Лабораторные эксперименты доказали возможность синтеза орга-
нических соединений, в том числе аминокислот, из смесей простых
неорганических соединений при воздействии любого из источников
энергии (солнечное излучение, радиоактивный распад нестабильных
изотопов элементов земной коры, электрические разряды – молнии,
вулканические процессы). Так, американские биохимики С. Миллер
и Г. Юри [9] подвергали действию электрических разрядов разного
типа смесь Н
2
+ СН
4
+ NH
3
, циркулирующую над кипящей водой. Сре-
ди продуктов обнаружены мочевина (NH
2
)
2
CO, метилмочевина, боль-
шой набор органических кислот и шесть аминокислот. При замене NH
3
на N
2
качественный состав продуктов менялся слабо.
По крайней мере на определенных стадиях эволюции существовала
возможность образования локальных областей с повышенной концент-
рацией простых органических соединений. Механизм синтеза более слож-
ных органических молекул ни в первичной атмосфере, ни в описанных
выше экспериментах окончательно не установлен. Возможно, синтез ами-
нокислот происходит по известному механизму Штреккера [10] из аль-
дегидов через образование -аминонитрилов:
RCHO + NH3
RCH(NH2)OH
HCN
RCH(NH2)CN
2H2O
RCH(NH2)COOH
.
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2013, т. 35, № 2 95
Существование органических веществ является важным, но не дос-
таточным условием возникновения жизни на Земле. Необходимо решить
проблему точного воспроизведения белковых структур.
Доказано, что в результате применения ультрафиолетового облуче-
ния можно искусственно синтезировать не только аминокислоты, но и
другие органические вещества [11]. Согласно теории академика А.И. Опа-
рина [12] дальнейшим шагом на пути к возникновению белковых тел
могло явиться образование коацерватных капель. При определенных ус-
ловиях водная оболочка органических молекул приобретала четкие гра-
ницы и отделяла молекулу от окружающего раствора. Молекулы, окру-
женные водной оболочкой, объединялись, образуя многомолекулярные
комплексы – коацерваты.
Коацерватные капли также могли возникать при простом смешива-
нии разнообразных полимеров. При этом происходила самосборка по-
лимерных молекул в многомолекулярные образования – видимые под оп-
тическим микроскопом капли, которые были способны поглощать извне
вещества по типу открытых систем. При включении в коацерватные кап-
ли катализаторов (в том числе и ферментов) в них происходили различ-
ные реакции, в частности полимеризация поступающих из внешней сре-
ды мономеров. За счет этого капли могли увеличиваться в объеме и массе,
а затем дробиться на дочерние образования. В результате коацерваты
могли расти, размножаться, осуществлять обмен веществ. Далее коацер-
ватные капли подвергались естественному отбору, что обеспечило их
эволюцию. Однако такая система не может сама себя воспроизводить.
Данная теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точ-
ного воспроизведения – внутри коацервата и в поколениях – единичных,
случайно появившихся эффективных белковых структур. Однако было
показано, что первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно
из липидов, синтезированных абиогенным путем.
Важное значение в развитии теории происхождения жизни имеет
открытие рибозимов – молекул РНК, обладающих ферментативной ак-
тивностью и способных соединять в себе функции катализа биохими-
ческих реакций и хранения наследственной информации.
Липиды, синтезированные абиогенным путем, могли вступать в сим-
биоз с колониями самовоспроизводящихся молекул РНК [13], а такое со-
общество уже можно назвать организмом.
Особую роль в самопроизвольном синтезе сложных органических
молекул играет протекание реакций в гетерогенных условиях. В океане
и других природных водах концентрация простейших органических мо-
лекул настолько ничтожна, что шансы встретиться и вступить в реакцию
друг с другом у любых двух молекул чрезвычайно малы. По-види-
96 ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2013, т. 35, №2
мому, указанные молекулы предварительно группировались на раз-
личных поверхностях, включая скальные породы и подобные им есте-
ственные "подложки". Это обеспечивало такие сочетания химических
веществ, которые с максимальной вероятностью позволяли получить бо-
лее сложные органические молекулы.
Имеются данные [14], свидетельствующие, что муравьиная кислота,
а также, возможно, формальдегид и другие органические соединения мо-
гут образовываться в условиях, моделирующих условия Марса. Новей-
шими исследованиями NASA показано, что на Марсе действительно об-
наружены муравьиная кислота и другие органические вещества [15]. Это
дает возможность предполагать, что химический (абиогенный) путь воз-
никновения органических веществ может быть реализован и на других
планетах, обладающих сходными с Землей температурными и другими
условиями.
Выводы. Таким образом, показано, что в результате физико-хими-
ческих процессов, включающих фотолиз воды с образованием гидро-
ксильных, а затем гидрокарбонатных радикалов, возможно образова-
ние муравьиной кислоты из чисто неорганических субстратов.
Подобный механизм образования простых органических веществ мо-
жет реализовываться и на других планетах, обладающих сходными с
Землей условиями.
Резюме. Розглянуто можливі шляхи виникнення органічних речовин
в природних умовах Землі. Особливу увагу приділено аналізу ряду фізи-
ко-хімічних процесів, що призводять до утворення форміатної кислоти у
водному середовищі з неорганічних компонентів. Відзначено, що існу-
вання органічних сполук є необхідною, але не достатньою умовою ви-
никнення життя на Землі.
V.V. Goncharuk, O.V. Zuy
ON THE ORIGINS OF ORGANIC SUBSTANCES
IN THE EARTH’S HYDROSPHERE
Summary
Possible ways of origination of organic substances in the natural conditions
of the Earth have been examined. Particular attention has been given to analysis
of a number of physico-chemical processes associated with formation of formic
acid from inorganic components in aqueous media. It has been pointed out
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2013, т. 35, № 2 97
that existence of organic compounds is a necessary but not sufficient condition
to the advent of life on the Earth.
Список использованной литературы
[1] Акопян М.Е. // Соросовский образовательный журн. – 1999. – № 1. – С. 56 –
60.
[2] Химия окружающей среды / Под ред. Дж.О.М. Бокриса – М.: Химия, 1982. –
672 с.
[3] Гончарук В.В. Наука о воде. – К.: Наук. думка, 2010. – 512 с.
[4] Штамм Е.В., Пурмаль А.П., Скурлатов Ю.И. // Успехи химии. – 1991. – 60,
№ 11. – С. 2373 – 2411.
[5] Goncharuk V.V.,Bozhko I.V., Fal’kovskii N.I.et al. // J. Water Chem. and Tech-
nol. – 2008. – 30, N 5. – P. 261 – 268.
[6] Коттон Ф.А., Уилкинсон Г. Современная неорганическая химия: Химия
переходных элементов. – М.: Мир, 1969. – Ч. 3 – 592 с.
[7] Zhang S., Wu Y., Li H. // Talanta. – 2000. – 53. – P. 609 – 616.
[8] Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. – [5-е изд., перераб. и доп.] – М.:
Наука, 1980. – 352 с.
[9] Lurquin P.F. //The Origins of Life and the Universe. – New York; Chichester;
West Sussex: Columbia University Press, 2003. – P. 96 – 99.
[10] Несмеянов А.Н., Несмеянов Н.А. Начала органической химии: В 2-х т. –М.:
Химия, 1974. – Т.1 – С. 458.
[11] Rauchfuss H. //Chemical evolution and the origin of life. – Berlin; Heidelberg:
Springer, 2008. – Р. 85 – 110.
[12] Опарин А.И. Материя – жизнь – интеллект. – М.: Наука, 1977. – 203 с.
[13] Марков А.В. Рождение сложности. Эволюционная биология сегодня:
неожиданные открытия и новые вопросы. – М.: Астрель, CORPUS, 2012. –
527 c.
[14] Tseng S.-S., Chang S. // Origins of Life and Evolution of Biospheres. – 1975. – 6,
N 1/2. – P. 61 – 73.
[15] Foustoukos D.I., Stern J.C. // Geochim. et Cosmochim. Acta. – 2012. – 76. –
P. 14 – 28.
Поступила в редакцию 12.12.2012 г.
|