Необходимые условия для возникновения жизни (абиогенеза)

[TabulaRasa]

Наверное, не у всех хватит терпения  прослушать лекцию или прочитать книгу, посему спойлер:
- Химический состав и концентрация веществ первородного бульона обязана быть близка к составу первых клеток, потому как они не могли иметь изначально сложную современную многоуровневую систему  метаболизма (обоснование).
- Перечисляются естественные доступные на то время среды и их возможности  в обеспечении необходимого для зарождения жизни химического состава. (мировой океан, "черные курильщики", вулканические фумаролы)
 - Вывод о единственно возможном месте возникновения жизни, дополнительные факторы, способствующие феномену.

[TabulaRasa]

Что могли бы представлять собой подземные воды в толще катархейских "ходритов" на глубине 10 км, какие они могли иметь химический состав - вопрос, весьма, скажем так, нетривиальный.

Стоит внимания тот факт, что вода, в том виде, в котором мы её все себе представляем, появилась на Земле только после того, как она смогла сконденсироваться из вулканических газов, а  её поверхность обрела свойства её удерживать: и то, и другое соответствует определённым геологическим этапам метаморфизма её пород, в ходе   которых хондрит, как минерал, был для планеты утрачен. Свободная, не связанная вода в истории Земли не соответствует по времени хондритам.

[Maki]

Уважаемый г-н Никитин М. ищет место возникновения жизни на основе справедливого критерия:
максимальное соответствие химического состава внешней среды клеточному составу.

"От туманности до клетки" читал. Однако вот это:

- Химический состав и концентрация веществ первородного бульона обязана быть близка к составу первых клеток, потому как они не могли иметь изначально сложную современную многоуровневую систему  метаболизма (обоснование).

...вызывает определённые сомнения. Насчёт концентрации - полностью согласен. А вот состав и условия, возможно, отличались очень существенно. Если верна гипотеза РНК-мира, то не факт, что для его зарождения и эволюции нужна именно среда, подобная клеточной.

[Maki]

Стоит внимания тот факт, что вода, в том виде, в котором мы её все себе представляем, появилась на Земле только после того, как она смогла сконденсироваться из вулканических газов, а  её поверхность обрела свойства её удерживать: и то, и другое соответствует определённым геологическим этапам метаморфизма её пород, в ходе   которых хондрит, как минерал, был для планеты утрачен. Свободная, не связанная вода в истории Земли не соответствует по времени хондритам.

А почему именно вулканические газы и поверхность?
Аккреционный разогрев и дегазация, вкупе с отрицательными температурами на поверхности, могли бы создать в толще хондритов "точку росы". Вода там могла бы скапливаться, насыщаясь газами, минералами. Возможно, были условия и для концентрации органики протопланетного диска. Такие подповерхностные воды, вполне интересны как лаборатория для абиогенеза.

[Rattus]

Насчёт концентрации - полностью согласен. А вот состав и условия, возможно, отличались очень существенно.

Ну с точностью до pH и ионной силы уж наверное. И ионных зарядов и радиусов. У прокариот магний преспокойно заменяется на двухвалентное железо в восстановительной среде (бескислородной), а калий на аммоний (о последнем факте Михаил не был в курсе, пока ему не сообщил в ЖЖ). И лёгкая вода на тяжёлую.

[Maki]

Насчёт концентрации - полностью согласен. А вот состав и условия, возможно, отличались очень существенно.

Ну с точностью до pH и ионной силы уж наверное. И ионных зарядов и радиусов. У прокариот магний преспокойно заменяется на двухвалентное железо в восстановительной среде (бескислородной), а калий на аммоний (о последнем факте Михаил не был в курсе, пока ему не сообщил в ЖЖ). И лёгкая вода на тяжёлую.

Как вы бы прокомментировали саму идею о протекании некоторых этапов абиогенеза в толще ещё первичного катархейского грунта?
Разумеется, если Земля в какой-то момент была полностью расплавлена - предположение не имеет смысла.
Но если эта переплавка была не "одномоментной и тотальной" (как то предполагают "мегаимпактисты") и жидкая вода на поверхности (и под поверхностью) всегда где-то присутствовала начиная уже с катархея - тогда появление явных признаков жизни уже в архее вполне объяснимо.

[Rattus]

Как вы бы прокомментировали саму идею о протекании некоторых этапов абиогенеза в толще ещё первичного катархейского грунта?

Где-то (сейчас уже к сожалению не найду где) попалась новость о том, что исходная катархейская Земля была почти как Луна - не имела гидросферы, почти не имела атмосферы и тектоники. Исходная - это в смысле совсем исходная - возможно ещё до откалывания луны и за миллиард лет до ПТБ. Так что о том, когда и где началась вся эта химия - остаётся большим вопросом.

если эта переплавка была не "одномоментной и тотальной" (как то предполагают "мегаимпактисты") и жидкая вода на поверхности (и под поверхностью) всегда где-то присутствовала начиная уже с катархея - тогда появление явных признаков жизни уже в архее вполне объяснимо

А вот этому, кстати, и моему предположению нашёл свежее подтверждение: https://nauka.vesti.ru/article/1047557

[Maki]

Где-то (сейчас уже к сожалению не найду где) попалась новость о том, что исходная катархейская Земля была почти как Луна - не имела гидросферы, почти не имела атмосферы и тектоники. Исходная - это в смысле совсем исходная - возможно ещё до откалывания луны и за миллиард лет до ПТБ. Так что о том, когда и где началась вся эта химия - остаётся большим вопросом.

Исходная холодная катархейская Земля описана у Сорохтина. Тем не менее, в её недрах было весьма горячо, и к аккреционному теплу добавлялось радиационное, а по мере переплавки недр - и гравитационный разогрев. Так что между поверхностью и недрами должен был быть приличный градиент температур. При переплавке и разогреве, естественно, происходила дегазация и выделение паров воды. Эта вода, как мне кажется, вполне могла конденсироваться в холодных поверхностных слоях хондритов, и там образовывать всякие хитрые растворы.
А ведь неплохая картина. Сверху холодная пустыня, над которой светит слабое молодое Солнце. А где-то в глубине, под огромным давлением, кипит и конденсируется вода, в которой растворяются соли и газы. Получается такой глобальный подземный "горячий океан", который, по мере разогрева изнутри, поднимался всё ближе к поверхности.
Более того, на то, что абиогенез мог идти именно в условиях высокого подземного давления, намекает и широкое применение сверхвысоких давлений в органической химии. https://e-him.ru/?page=dynamic&section=63&article=1105

А вот этому, кстати, и моему предположению нашёл свежее подтверждение: https://nauka.vesti.ru/article/1047557

Очень хорошее подтверждение!

[Combinator]

- Химический состав и концентрация веществ первородного бульона обязана быть близка к составу первых клеток, потому как они не могли иметь изначально сложную современную многоуровневую систему  метаболизма (обоснование).

Окей, но тогда и древнейшие метаболические циклы, по идее, должны в каком-то смысле соответствовать условиям, при которых зарождалась жизнь, не так ли? К таковым принятно относить ацентогенез и метаногенез. И что мы видим? В чистом балансе они поглащают углекислый газ и выделяют воду. Значит, по принипу Ле-Шателье, в исходной среде должно было быть мало воды и много углекислого газа! 
Данный вывод подтверждается так же и тем, что основные "кирпичики жизни" - аминокислоты и нуклеотиды легко полимеризуются (превращаясь, соответственно, в белки и РНК) в средах, где вода отсутствует, или её молекулы связаны (например, ионами натрия), и ни в какую не хотят соединяться в цепочки в толще водной среды!
 

[Андрей Астрофизический]

в исходной среде должно было быть мало воды и много углекислого газа! 

И высокое давление...
Что-то мне это напоминает одну соседнюю планету.

[Проходящий Кот]

......
Данный вывод подтверждается так же и тем, что основные "кирпичики жизни" - аминокислоты и нуклеотиды легко полимеризуются (превращаясь, соответственно, в белки и РНК) в средах, где вода отсутствует, или её молекулы связаны (например, ионами натрия), и ни в какую не хотят соединяться в цепочки в толще водной среды!
 

Значит их цепочки, будущие ДНК и белки, могли появиться в виде небиологических объектов произвольного состава и длины без всякой жизни?

[Combinator]

Значит их цепочки, будущие ДНК и белки, могли появиться в виде небиологических объектов произвольного состава и длины без всякой жизни?

Ограниченной длины (размером не более нескольких десятков мономеров) вполне могли.

[Rattus]

например, ионами натрия

Много натрия в клетке - тоже плохо. А в клетке его порядка на два меньше чем в морской воде, как известно.

И высокое давление...
Что-то мне это напоминает одну соседнюю планету.

Но далеко не настолько высокая температура - абсолютный предел для биополимеров находится в районе 130-150С. А на Венере - 460, как известно. И уже очень давно.

[Combinator]

Много натрия в клетке - тоже плохо. А в клетке его порядка на два меньше чем в морской воде, как известно.

Так в морской воде он вообще-то накапливался миллиарды лет. Что там было 4 млрд. лет назад науке достоверно пока неизвестно. Кстати, информация к размышлению - базовая реакция ацетатного цикла ингибируется натрием и катализируется калием.

[Андрей Астрофизический]

Но далеко не настолько высокая температура - абсолютный предел для биополимеров находится в районе 130-150С. А на Венере - 460, как известно. И уже очень давно.

Это все понятно.
На Земле скорее всего при сходном составе атмосферы, температура была бы пониже. Может быть, непосредственно перед абиогенезом Земля могла быть очень похожа на Венеру? просто прохладнее.

[Maki]

Окей, но тогда и древнейшие метаболические циклы, по идее, должны в каком-то смысле соответствовать условиям, при которых зарождалась жизнь, не так ли? К таковым принятно относить ацентогенез и метаногенез. И что мы видим? В чистом балансе они поглащают углекислый газ и выделяют воду. Значит, по принипу Ле-Шателье, в исходной среде должно было быть мало воды и много углекислого газа!

Вполне соответствует возможным условиям под катархейской поверхностью. Уж углекислоты (и водорода) там должно было быть достаточно.

Данный вывод подтверждается так же и тем, что основные "кирпичики жизни" - аминокислоты и нуклеотиды легко полимеризуются (превращаясь, соответственно, в белки и РНК) в средах, где вода отсутствует, или её молекулы связаны (например, ионами натрия), и ни в какую не хотят соединяться в цепочки в толще водной среды!

А как себя чувствуют аминокислоты и нуклеотиды на границе вода-газ или вода-камень? Не думаю, что вода под катархейской поверхностью существовала в виде "толщи". Скорее таки достаточно рыхлая масса хондритов, вода, газ, и всё это образовывало разнообразнейшие пузырьки и капилляры. 

[Maki]

Значит их цепочки, будущие ДНК и белки, могли появиться в виде небиологических объектов произвольного состава и длины без всякой жизни?

Но ведь гипотеза абиогенеза и предусматривает некую "химическую эволюцию", когда разнообразнейшие полимеры "конкурируют" между собой, цепляя на себя мономеры, сливаются, распадаются, и в итоге образуется некая "преджизнь", например "Мир РНК".

Но далеко не настолько высокая температура - абсолютный предел для биополимеров находится в районе 130-150С.

Учитывая, что при высоких давлениях температура кипения повышается, в толще катархейских пород вода при этих температурах оставалась жидкой. Что, соответственно, позволяла ей сохранять функцию растворителя.
По запросу "метеорит катализатор" попалась пара ссылок
http://www.sai.msu.su/EAAS/coll/kapralov.pdf
https://www.mk.ru/science/2016/12/16/meteority-iz-antarktidy-pomogli-ponyat-kak-poyavilas-zhizn-na-zemle.html
Хондритов в катархейских недрах было просто завались. Радиации хватало. Давление только способствовало органическому синтезу. Так что никакие "тёплые лужи" или "чёрные курильщики" могут оказаться не нужны.

[Combinator]

А как себя чувствуют аминокислоты и нуклеотиды на границе вода-газ или вода-камень? Не думаю, что вода под катархейской поверхностью существовала в виде "толщи". Скорее таки достаточно рыхлая масса хондритов, вода, газ, и всё это образовывало разнообразнейшие пузырьки и капилляры.

У Никитина написано, что неактивированные нуклеотиды на поверхности глины при облучении ультрафиолетом полимезируются в цепочки длиной от четырёх до шести звеньев. Неплохие результаты получены при полимеризации нуклеотидов в порах различных минералов помещённых в холодную воду при условии их подогрева.

 
 

[Maki]

У Никитина написано, что неактивированные нуклеотиды на поверхности глины при облучении ультрафиолетом полимезируются в цепочки длиной от четырёх до шести звеньев. Неплохие результаты получены при полимеризации нуклеотидов в порах различных минералов помещённых в холодную воду при условии их подогрева.

А что скажете на замену ульрафиолета - радиацией и высокими давлениями? И подогревом до 100 гр. и выше?

Кстати, Rattus привёл цифры 130-150 град. для устойчивости биополимеров. Но это при атмосферном давлении. Конечно, давление в основном относится к реакциям газов. Но, если оно способствует ускорению органического синтеза - может быть оно и полимерные цепи стабилизирует?
При 1000 атм. вода не закипит и при 300 град. Как будут в таких условиях чувствовать себя рибозимы?

[Combinator]

А что скажете на замену ульрафиолета - радиацией и высокими давлениями? И подогревом до 100 гр. и выше?

Кстати, Rattus привёл цифры 130-150 град. для устойчивости биополимеров. Но это при атмосферном давлении. Конечно, давление в основном относится к реакциям газов. Но, если оно способствует ускорению органического синтеза - может быть оно и полимерные цепи стабилизирует?
При 1000 атм. вода не закипит и при 300 град. Как будут в таких условиях чувствовать себя рибозимы?

Про эксперименты по ускорению полимеризации с помощью радиации ничего не слышал, и у меня лично есть большие сомнения в успехе подобного эксперимента.
Температура играет двоякую роль. С одной стороны, её повышение действительно ускоряет синтез и полимеризацию органики,  с другой стороны, и скорость разложения синтезированных молекул тоже растёт. Таким образом, скорость накопления органичесих соединений зависит от соотношения эффективности указанных процессов. При температурах выше 130 градусов процессы деградации ускоряются существенно быстрее процессов синтеза, причём от давления это зависит очень слабо, ибо при таких температурах энергия валентных связей, удерживающая атомы внутри органической молекулы, легко разрушается термодинамической энергией теплового движения молекул.