Введение к работе
Актуальность темы.
Основу созданной А.И.Опариным теории происхождения жизни (1924) составляет взгляд на эволюцию органических соединений на пути к образованию организмов как на закономерное следствие физико-химических процессов в гидросфере, литосфере и атмосфере Земли. Начиная с 50-х гг., многочисленные эксперименты продемонстрировали возможность синтеза метаболитов в условиях, моделирующих условия примитивной Земли и ряда объектов Вселенной. В большинстве случаев экспериментаторы ориентировались на преобладающую роль, условно говоря, «поверхностных» сценариев предбиологической эволюции углеродистых соединений. Согласно таким сценариям, синтез органических соединений осуществлялся на поверхности Земли или в тонком поверхностном слое гидросферы за счет таких источников энергии, как солнечная радиация или электрические разряды в атмосфере. На основании этих работ в значительной мере сформировались современные представления о химических реакциях, в которых происходило образование метаболитов и мономерных предшественников биополимеров.
Успех экспериментов, моделирующих химические превращения органических соединений в атмосфере или в поверхностных слоях гидросферы, в значительной степени снизил интерес к исследованию других сценариев химической эволюции, ориентирующихся на синтетические реакции, питающиеся чисто литосферными источниками энергии.
По мере расширения представлений о геофизических условиях, при которых возможно образование первичных метаболитов, стали возникать альтернативные «глубинные» сценарии эволюции углеродистых соединений. Помимо того, что физико-химические процессы в глубинных слоях гидросферы и литосферы можно рассматривать как источники энергии для синтеза органических соединений, важное значение имеет сам факт локализации процессов химической эволюции вне поверхностных зон Земной коры и гидросферы. Причина заключается в том, что в условиях поверхностных сценариев серьезную проблему представляет возможность «выживания» и накопления синтезированных органических соединений в условиях действия деградирующих факторов, прежде всего, жесткого ультрафиолета. Кроме того, в рамках чисто поверхностных сценариев, как правило, возникают затруднения при
1 І Всенациональная]
1 | БИБЛИОТЕКА J
попытке объяснить механизм пространственного разделения субстратов и продуктов реакций, особенно на ранних этапах эволюционного процесса (до формирования фазовообособленных систем).
Несмотря на определенную размытость границы между «поверхностными» и «глубинными» сценариями, следует подчеркнуть, что они принципиально отличаются друг от друга, причем не только природой источника энергии для реакций синтеза первичных метаболитов. В наиболее чистом виде «глубинные» сценарии предполагают использование такими реакциями исключительно энергии, выделяющейся в литосферных процессах при их полной независимости от солнечной радиации и атмосферных явлений. Не менее важен и тот факт, что наличие в земной коре зон, резко отличающихся по таким физическим условиям, как давление, температура, влажность, может приводить к формированию в литосферных условиях разнообразных комбинаций естественных химических реакторов, функционирующих по принципу открытых систем. Абиогенный синтез метаболитов в литосферных процессах не испытывал недостатка в исходном химическом материале в виде разнообразных неорганических молекул, постоянно присутствующих в вулканических газах и растворах.
Ряд специфических особенностей сульфидных минералов позволил предположить, что на их поверхности могли протекать электрохимические процессы, в ходе которых происходит восстановление С02 до органических молекул. Для ответа на вопрос, в какой мере такие процессы при их реализации в природных условиях можно рассматривать в качестве абиогенного источника органических молекул было необходимо провести лабораторное моделирование электрохимического восстановления С02 в органическое вещество на поверхности сульфидного минерала (в частности, пирита).
Цель и задачи исследования.
Целью работы было:
- обоснование возможности функционирования в природных условиях гидротермальной геоэлектрохимической системы на основе пирита, способной работать в качестве источника органического вещества.
-. разработка лабораторной модели такой системы для экспериментальной проверки данной гипотезы.
4 -л: *
Для решения этой экспериментальной задачи было необходимо:
- изучить электрохимические свойства пирита и его параметры в
качестве катодного материала для электрохимического восстановления
С02.
- исследовать электровосстановление С02 на пирите в эксперименте,
моделирующем функционирование природной гидротермальной
геоэлектрохимической системы в условиях повышенного давления и
провести анализ продуктов реакции.
Научная новизна работы.
Приведены теоретические и экспериментальные доводы в пользу функционирования в литосфере ранее неизвестного источника абиогенного формирования органического вещества - электрохимического восстановления С02 на поверхности сульфидных минералов. Проведена характеристика пирита как электродного материала для электрохимического восстановления С02. Разработана физико-химическая лабораторная модель гидротермальной электрохимической системы и сконструирована установка, с помощью которой продемонстрировано восстановление С02 в органическое вещество (формиат) в условиях, моделирующих природные геоэлектрохимические системы.
Практическое значение работы.
Работа расширяет представления о путях и механизмах абиогенного синтеза органического вещества. Выявление нового, ранее неизвестного механизма образования органического вещества имеет принципиальное значение для изучения процессов химической эволюции органических соединений, что важно для научных и технологических разработок в области проблемы происхождения жизни и астробиологии.
Результаты могут быть также использованы при конструировании химических моделей железо-серных кластеров ферментов в работах биотехнологического направления. Полученная в работе информация об электрохимии железо-серных минералов, в частности пирита, может найти применение в разработках топливных элементов и гальванических батарей с использованием сульфидных минералов в качестве компонентов, а также для совершенствования технологии флотации сульфидных руд.
Положения, выносимые на защиту.
В диссертации выдвигается и теоретически обосновывается гипотеза о возможности электрохимического синтеза органических молекул в условиях месторождений колчеданных руд и проводится ее экспериментальная проверка
Апробация работы.
Основные результаты исследования были представлены на следующих конференциях и семинарах:
4-я Триестовская конференция по химической эволюции. Триест, Италия. (1995 г.)
11-я Международная конференция по проблеме происхождения жизни. Орлеан. Франция (1996 г.)
Семинар кафедры минералогии Университета г. Глазго. Великобритания. (1996 г.)
13-я Международная конференция по проблеме происхождению жизни. Оахака, Мексика. (2002 г.)
7-я Триестовская конференция по химической эволюции (2003 г.)
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 6 работ
Структура и объем работы
