Главная проблема, стоявшая уже тогда и до сих пор стоящая перед учеными, – это проблема превращения последовательности химических реакций из лабораторного опыта во что-то, соответствующее условиям на молодой Земле. В лаборатории химические реакции обычно исследуют по одной, а промежуточные продукты очищаются перед переходом к следующему этапу. Есть много хитроумных способов очищения химических соединений в лаборатории, однако вопрос в том, существует ли что-то аналогичное в природе. К счастью, стоит немного задуматься, и станет понятно, что да, конечно, существует: осаждение или кристаллизация чистых минералов сплошь и рядом встречается в геологии – можно сказать, это универсальное явление. В любом естественно-научном музее мы увидим красивые кристаллы чего угодно – от самого обычного кварца до редких экзотических минералов. Однако кристаллы органических соединений на современной Земле встречаются исключительно редко. Отчасти причина в том, что органические соединения служат пищей для микроорганизмов, и обычно их быстро съедают бактерии или грибы. Вдобавок природная химия современного мира сильно отличается от того, что было на ранней Земле: вспомним хотя бы нашу атмосферу, богатую кислородом, и сравним с бескислородной средой на нашей планете в ее молодости. А следовательно, можем ли мы размышлять о том, как осаждались (то есть откладывались в твердой форме) или кристаллизовались определенные ключевые компоненты? Можем ли мы представить себе, как создавались запасы материалов, которые накапливались со временем и даже очищались, когда сквозь кристаллическую массу просачивались грунтовые воды, вымывая все вкрапления? И в самом деле, есть несколько очень интересных соединений, которые потенциально могут вести себя именно так. Давайте их обсудим – от самого простого (циановодорода) до самого сложного (РАО).
Раз циановодород давно считался одним из самых вероятных исходных материалов для предбиологического синтеза биомолекул, посмотрим, как циановодород может создаваться и как он затем хранится в концентрированной форме, подходящей для реакций синтеза. Среди особенностей, которые делают циановодород таким мощным реагентом, – большое количество энергии, запасаемой в тройной связи между его атомами углерода и азота. Это означает, что циановодород в каком-то смысле настроен на реакции с другими молекулами, и эти превращения могут происходить самопроизвольно, с уменьшением свободной энергии. Таким образом мы избегаем трудностей, связанных с необходимостью добавлять в систему дополнительную энергию, чтобы поддерживать нужные реакции. Однако то же самое свойство создает и проблему: циановодород реагирует с водой, пусть и медленно. Так называемая реакция гидролиза (химический распад соединений под воздействием воды) разлагает наш драгоценный циановодород и превращает его в менее реакционноспособное вещество формамид, само по себе небезынтересное (при умеренных температурах формамид жидкий и прекрасно растворяет некоторые молекулы, практически не растворимые в воде), однако менее подходящее как строительный материал для синтеза. Более того, формамид тоже медленно реагирует с водой, образуя аммиак и муравьиную кислоту. Возникает вопрос, как уберечь циановодород от неизбежного на первый взгляд уничтожения водой. Это и правда головоломная задача, так как формировался циановодород, скорее всего, в атмосфере, и там его концентрация должна была быть довольно низкой. Затем атмосферный циановодород попадал на поверхность, растворенный в дождевых каплях, – то есть снова в очень сильно разбавленном виде. Много лет считалось, что это тупиковый путь, так как растворенный циановодород неизбежно подвергнется гидролизу.
Гексацианоферрат (II) – пример цианидного комплекса железа.
Как часто случается, решение проблемы циановодорода лежало на поверхности – все химики прекрасно его знали, но никому не пришло в голову применить эти знания для решения этой важнейшей задачи в предбиологической химии. Выход из мнимого тупика с концентрацией циановодорода – невероятно сильные и быстрые реакции растворенного циановодорода с некоторыми ионами металлов. Наиболее примечательно в этом отношении то, что растворенное двухвалентное железо (атом железа, утративший два электрона с самыми слабыми связями) реагирует с циановодородом и дает комплекс, состоящий из одного атома железа, окруженного шестью цианогруппами. Этот комплекс, так называемый ферроцианид (или гексацианоферрат (II)), довольно стабилен, а главное – способен при различных условиях осаждаться из раствора. Например, близкородственное ему вещество под названием берлинская лазурь (гексацианоферрат железа) – это крайне малорастворимый комплекс из железа и цианида, который легко формируется и легко выпадает в осадок. Мало того, другие гексацианоферраты тоже осаждаются, если, например, раствор из-за испарения становится концентрированным. Подробные расчеты планетологов Джонатана Тонера и Дэвида Кэтлинга из Вашингтонского университета показывают, что гексацианоферраты могут накапливаться и осаждаться в содовых озерах, похожих на определенный класс озер, которые можно найти и на современной Земле, например озеро Моно в Калифорнии или озеро Ласт Ченс в Канаде. Источник растворенного железа тоже перестал быть загадкой. В вулканических регионах или вокруг мест падения метеоритов горячая вода циркулирует сквозь растрескавшиеся породы земной коры и вымывает из нее ионы металлов, в том числе железа. Когда грунтовые воды подогреваются, скажем, от залегающей под ними раскаленной магмы, они поднимаются на поверхность и приносят ионы металлов в пруды и озера. Там железо из земной коры связывается с циановодородом из земной атмосферы и образует цианидные комплексы железа, которые затем могут накапливаться тысячелетиями. При превышении определенной концентрации гексацианоферраты начинают осаждаться – либо, наоборот, мелкие озера пересыхают. Оба процесса оставляют после себя залежи осадков, смешанных с гексацианоферратами. Таким образом в геотермально активных регионах, которых было достаточно много на поверхности молодой Земли, могли накапливаться большие запасы цианидных комплексов железа.
Однако нам нужно еще понять, как толстый слой высохшего ферроцианида, смешанного с грязью, превращался в концентрированное рагу из реакционноспособных химических веществ, которое требуется, чтобы начать синтез строительного материала для живой материи. Опять же, ответ очевиден: нам поможет стандартный геологический процесс – превращение веществ при высоких давлении и температуре. Именно такая метаморфоза превращает, например, мягкие меловые осадки карбоната кальция в красивую породу, которую так любят скульпторы, – в мрамор. Какие же процессы могут превратить наши запасы инертного ферроцианида в требуемое реакционноспособное сырье? Есть два варианта: потоки лавы, которые практически неизбежны в регионах с вулканической активностью, и падения астероидов, которые, опять же, на молодой Земле случались с регулярностью. Лава, заливавшая обогащенные ферроцианидом породы, отпаривала их, запекала и поджаривала, отчего ценный циановодород высвобождался из железной хватки комплексов и частично превращался в родственное реакционноспособное вещество, например цианамид. Подобным же образом падение астероида умеренных размеров обеспечивало температуру и давление, необходимые для тех же химических трансформаций. Пикантная подробность: бо́льшая часть научной литературы о превращениях гексацианоферратов под воздействием высоких температур была опубликована больше ста лет назад! Так что не знали мы только одного – какова потенциальная важность ферроцианида для предбиологической химии. А в дальнейшем, когда горячая лава остывала и твердела, грунтовые воды медленно фильтровались сквозь осадочные породы, залегавшие под ней, и вымывали оттуда высококонцентрированную смесь циановодорода с цианамидом и другими его производными.
Чтобы четче очертить сложившуюся картину, подытожим, как все происходило поэтапно. Сначала разбавленный раствор циановодорода проливался из атмосферы с дождем. Затем железо, вынесенное на поверхность с водой, которая циркулировала по трещинам в горных породах, улавливало циановодород, и он сохранялся в виде ферроцианида. Ферроцианид накапливался в осадочных породах. Затем эти богатые цианидом отложения подвергались воздействию высоких температур из-за потоков лавы или падения метеоритов и циркулирующие грунтовые воды вымывали и разносили концентрированную смесь из реакционноспособных цианидных молекул (служащих сырьем для предбиологического синтеза) с остатками ферроцианида.