Основы минералогии гипергенеза

Если бы жизнь... не являлась порождением... неорганического мира, если бы она... не выкристаллизовалась когда-то из этого мира, она неминуемо должна была бы обладать признаками, присущими исключительно ей.

А. И. Опарин, 1968

В понятие биосферы как геологической оболочки, охваченной жизнью, принято вкладывать единство косной (минеральной) и живой (микро- и макроорганизмы) материи, обеспеченное функциональной взаимосвязью с обменом массой, энергией и информацией. Это понятие предопределяет реальную возможность участия косной материи в зарождении и эволюционировании такого феномена Земли, как живой мир, и подтверждает реальность общего принципа непрерывности связей между неживой и живой природой.

Идеи о сопряженном пути минералого-геохимической и биологической истории Земли, как и представления о возможной косной основе зарождения живого органического вещества, заложенные работами крупнейших естествоиспытателей (В. Вернадский, Дж. Бернал, А. Опарин), являются выдающимся вкладом в естествознание ХХ в.

Очевидность периода абиогенеза Земли как периода "без жизни" в настоящее время бесспорна. Этот период, видимо, существовал до времени начала формирования едва приближающихся к современным гидросферы и атмосферы, в составе которых появился окислитель - кислород, несомненно связан с развитием гипергенных процессов в виде корообразования по интрузивно-эффузивному комплексу древних пород Земли и накопления осадков. В пользу такого представления говорит почти синхронность возраста древних кор выветривания и времени появления самых первых примитивных организмов ( в пределах 4-3 млрд. лет).

Уникальные процессы гипергенного преобразования интрузивов и эффузивов на поверхности Земли привели к формированию новых силикатных минералов коры выветривания и осадочных глинистых образований со специфическими кристаллоструктурными и физическими свойствами. С особенностями гипергенных минералов, в первую очередь водосодержащих силикатов слоистой структуры, и связывается возможность развития начального биогенеза Земли - становления Биосферы (Лапидес, 1983; Кернс-Смит, 1985; Куковский, 1986).

Образование биосферы в первую очередь уникально тем, что новая геосфера по сравнению с прочими земными оболочками обладает наиболее высокой энергоплотностью. Так, в ряду энергетических характеристик отдельных геосфер (энергия атомизации Е_m, кДж/г): ядро 12, мантия 22, земная кора 29, кора выветривания 35. Биосфера имеет наиболее высокий энергетический параметр 64 (Зуев, 1995), что позволяет ее "рождение" рассматривать в виде завершающего энергетического максимума в глобальной геологической истории Земли.

В соответствии с этими данными биосферное органическое вещество уже на самой ранней стадии образования протополимеров по своим энергетическим характеристикам оказывается выше, чем косная неорганика земной коры, и в контактном взаимодействии с нею занимает место акцептора энергии (электронов), получающего энергетическую подпитку от минеральной матрицы-донора. Донорно-акцепторный механизм взаимодействия в биокосной системе становится своеобразным биореактором, обеспечивающим формирование и развитие жизни на кристаллической подложке, а возникающий при этом энтропийный градиент направляет весь процесс не только на совершенствование синтезируемой структуры, но и на параллельную деструкцию кристаллической матрицы с расширением массообмена минеральной системы с внешней средой (Яхонтова и др., 1994).

Реальность формирования живой органической материи на минеральной матрице вытекает из многочисленных экспериментальных данных, показывающих осуществление сорбции и полимеризации аминокислот на структурной поверхности минералов и свидетельствующих о проявлении уже отмеченного биокосного взаимодействия и активного гетерокатализа, способствующего, как известно, синтезу иных, чем исходные, веществ (Опарин, 1968). Формирование каталитической (ферментной) системы протобиотической субстанции, прежде всего, протоглобулярных белков с их активными центрами, видимо, уже на ранней стадии биогенеза, получившими ориентировку на структуру кристаллической подложки, является величайшим достижением эволюции биосферы.

К сказанному следует добавить, что кристаллы являются высоко самоорганизованной косной материей, способной к массо- и энергетическим преобразованиям. Структурная самосборка и рост кристаллов, перераспределение зарядов на их структурных плоскостях и связанные с этим изоморфная емкость и дефектность, а также энергетическая гетерогентность и качество катализаторов обеспечивают им такие, по существу, свойства генов, как хранение и передача информации, т.е. возможность в полном смысле этого слова быть специфическими кристаллическими генами, на которых эволюция могла построить столь же высокую организованную систему жизни, наделив ее многими качествами исходных кристаллических подложек, которые в ходе многократного копирования и самоорганизации могли быть замещены органическим веществом живого. Аналогия ряда свойств кристаллов и живых организмов (рост, самосборка, массообмен, воспроизведение себе подобных, реакции на внешние раздражители) была подмечена и соответственно оценена А. Опариным.

Некоторые структурные особенности кристаллов играют особо положительную роль в определении их "генных" качеств. В первую очередь это степень гомоаналогического родства структурных рисунков (колец, цепочек и др.) неорганических и органических соединений - чем это родство выше, тем легче проявляется "генная" способность неорганической кристаллической подложки (Кернс-Смит, 1985; Калязин, Смородин, 1995). Особый интерес в этом плане вызывают слоистые силикаты с гексагональными кольцами на плоских структурных сетках, в определенной мере сходными с кольцевыми элементами в строении аминокислотных цепочек и обеспечивающими их полимеризацию на этих сетках. Важным элементом также служит наличие в кристаллических структурах плоскостей с ослабленными связями, обычно отвечающих спайности кристаллов и расщеплению их на слои, с которыми ассоциируется понятие интеркаляции органики, т.е. возможности проникновения ее в неорганическую структуру.

В связи со сказанным встает вопрос о том, какие минералы могли стать матрицами-генами в предбиотический период земной истории. Очевидно, в большей мере в виде подложек могли быть минералы слоистой структуры, способные легко сорбировать и осуществлять полимеризацию и совершенствование органических структур, образование которых могло быть связано с энергией космического ультрафиолетового излучения, проникающего на поверхность Земли, а также с активным вулканизмом и протоатмосферной энергетикой (Руттен, 1973). Слоистые силикаты к тому же обладают высокой энергоплотностью, т.е. в донорно-акцепторном взаимодействии способны энергетически подпитывать начало жизни. Так, простейшие расчеты показывают, что по сравнению с пироксенами, полевыми шпатами и кварцем, у которых удельная энергия атомизации Е_m соответственно близки к 26-30 кДж/г, у каолинита она составляет 34 и несколько выше, чем у менее упорядоченных смектитов (Мамыров, 1989).

Следовательно, можно полагать, что продукты выветривания древних пород - слоистые силикаты и глинистые минералы осадков в большей мере могли быть генными подложками в абиогенезе, а гипергенные процессы (выветривание пород), несомненно связанные, как отмечалось, с образованием фазовых границ и взаимодействий между литосферой, гидросферой и атмосферой, можно рассматривать в виде жизнеобеспечивающего скачка в истории развития земной коры. С этих позиций каолинит - широко распространенный на литосферной поверхности земной коры, и смектиты, образованные при выветривании (в том числе и подводном) эффузивов и вулканического пепла, являются более вероятными в качестве подложек (матриц) жизни. Не случайно андалутизированные толщи каолинита часто содержат углистые (графит) вещества, которые указывают на сорбирование органики каолинитовыми скоплениями в дометаморфическое время.

Вопросы о переходе "неживого" в начальную живую субстанцию и качество этой субстанции пока остаются полностью дискуссиоными. Наиболее распространенное мнение связано с представлением о том, что первичными структурными элементами жизни были нуклеотиды, синтезированные абиогенным путем. Позднее появились биоактивные молекулы типа РНК (рибонуклеотил), обладающие каталитической активностью, еще позднее - белки и ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) (Sylvestre, 1991). В качестве неорганического субстрата обычно отмечаются глинистые силикатные минералы. Очень образно замечено, что изначальные организмы "сделаны буквально из глины" (Кернс-Смит, 1985).

Возможность закрепления органических радикалов на пластинках глинистых силикатов, в первую очередь каолинита, с точки зрения кристаллоструктурных особенностей этого минерала проанализирована в ряде работ (Кернс-Смит, 1985; Куковский, 1986). Органические молекулы могут удобно располагаться не только на поверхности пластинок каолинита, но и в их межслоевом пространстве, особенно при обладании минералом винтовыми дислокациями спирального роста, благоприятными для дисимметризации и формирования левых и правых форм органических спиралей, а также средним коэффициентом фрактальности и высокой интеркаляцией (Яхонтова и др., 1991б). Структурная упорядоченность каолинита существенно выше, чем у монтмориллонита, и, следовательно, энтропия ниже, что весьма важно для высокой активности взаимодействующей биокосной системы с каолинитом (Яхонтова и др., 1994). К тому же полярность структуры каолинита вдоль нормали к поверхности слоя и соразмерность длин полимеров ДНК и размеров БКР минералов вдоль его структурного слоя весьма благоприятны для размещения в межслоевом пространстве силиката полярных же органических мономеров. Также следует указать на то, что каолинит является единственным слоистым силикатом, у которого Al-катионы не связаны непосредственно с Si-O-тетраэдрами слоя и, легко отчуждаясь от слоевого кремния, создают активные каталитические центры, благоприятные для внедрения (интеркаляции) в структуру органических молекул.

Следует также отметить еще одну важную для биосинтеза структурную особенность каолинита, связанную с блоковым (мозаичным) строением его кристаллов и в первую очередь с блочностью их поверхности, которая влечет возможность осуществления на каолинитовых пластинках необратимых изогипсических реакций (реакций фазовых переходов, протонирования, испарения, конденсации, гидратации и пр.), формирующих потоки энергии вблизи границ структурных блоков силиката (Калязин, Смородин, 1995). В результате возникают условия энергетической мозаичности кристаллов, с которыми может быть сопряжена энергетика формирующейся клеточной структуры, влекущей синтез АТФ, образование мембранного потенциала клетки и переориентацию ферментов.

Таким образом, представляется вероятность того, что основные принципы биогенеза, которые легли в основу эволюции биосферы, могли быть продиктованы гипергенным каолинитом, возникшим в условиях выветривания магматических пород в позднем абиогенезе. Весь путь развития протожизни, видимо, определяется медленным движением от первых простейших полимеров (скорее, молекул прото-ДНК), образованных на каолинитовой подложке, и до более сложных конструкций - возможно, типа протовирусов и протобактериофагов.

В то же время ряд исследователей называют в качестве генных подложек и другие минеральные образования. В частности, внимание привлекают природные гели, обладающие интенсивным зародышеобразованием, формированием локальных каталитических центров, высокой пористостью и диффузной самоорганизацией, разнообразными изогипсическими реакциями, хаотичным поведением параметров и переходами от хаоса к локальному порядку в виде упорядочения цепочечных фрагментов "структуры" геля, т.е. возможностью удовлетворять условия масштабного самоподобия. Есть мнение о большей возможности в этом плане многоводного монтмориллонитового геля, который может выполнять функции информационной матрицы и гетерокатализатора в синтезе аминокислот и отборе их энантиоморфных модификаций.

Существует также предпочтение опираться на гипергенные же, но пленчатые глинисто-гидроксилжелезистые мембраны гелевой природы, формирующиеся в полостях выветривающихся пород (В. Фекличев). Пленки имеют волокнисто-слоистую структуру, что их роднит со структурой бактериальных мембран - важнейшего энергетического элемента клетки.

Нельзя не отметить попытку связать начало жизни с сульфидными подложками, в частности с пиритом, когда в соответствии с этой концепцией окисление сульфида могло образовать энергетическую подпитку жизни.

Не исключены также возможности участия в протобиогенезе в виде минеральных матриц и кристаллических генов и других минералов, в частности апатита, структура которого позволяет с учетом длин связей и величин валентных углов полимеризировать органические мономеры с образованием связей, характерных для белков и нуклеиновых кислот. В соответствии со структурным моделированием в этом случае наиболее благоприятными считаются грани (и соответственные структурные плоскости) 1010. Апатитовая матрица способна не только закрепить протобиотические структуры, но и обеспечить их жизненно необходимым фосфором (Мак-Коннел, 1977). Как показали расчеты, карбонатные матрицы (кальцит) в этом плане менее удобны по причине большой ограниченности содержания белков аминокислотного типа в составе биокарбонатных комплексов, хотя, имея полярные оси, карбонаты в состоянии быть участниками кодирования белков в структуре ДНК и возникновения генетического кода клетки (Лапидес, 1983).

Наконец, начало жизни, возможно, связано с углеводородными молекулярными системами-битумами, которые синтезируются как в условиях Земли, так и в космосе и которые по составу иногда приближаются к белкам. Будучи подложками, они могут не только стимулировать обменные процессы, но и вести хиральный отбор белков (левых и правых форм).

С сожалением приходится констатировать, что в глубине времени практически невозможно проследить путь сложнейших преобразований взаимодействующих неорганической (минеральной) и органической (биота) системы, хотя подобные весьма полезные, попытки такой реконструкции известны (Керн-Смит, 1985). В то время как эволюция Биосферы тщательно сокрыла этот путь, все-таки оказалось возможным говорить по крайней мере о двух непреложных фактах, свидетельствующих о реальности зарождения и развития жизни на минеральных подложках:

1. Существование структурной ориентации каталитических центров в ферментах бактериальных клеток на структуры тех минералов, с которыми они функционально (жизнеобеспечивающе) связаны, свидетельствует о специализации ферментов в ходе эволюции системы жизни, изначально протекавшей на минеральных подложках, и о ее генетическом с ними родстве (Елинов, 1989);

2. Наличие экспериментально прослеженной жизнеобеспечивающей взаимосвязи бактериальных культур с определенным видом минерального субстрата, с его энергоплотностью, кристаллоструктурными и электрофизическими свойствами - тионовых бактерий с серой и сульфидами, силикатных бацилл с силикатными и карбонатными минералами, которая не является случайной. Такая связь служит отражением начала жизни на минеральных подложках. Именно на ее основе может быть разработано рациональное выделение в составе биосферы биоминеральных (биокосных) подразделений различных уровней - систем и подсистем, определяющих ведение природозащитных мероприятий. Подобная попытка предпринята для такой биокосной системы биосферы, как зона окисления рудных месторождений (Яхонтова и др., 1994).