Роль кварца в процессах зарождения и эволюция жизни

1.

РОЛЬ КВАРЦА В ПРОЦЕССАХ
ЗАРОЖДЕНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ
ЖИЗНИ
АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
ИССЛЕДОВАНИЙ (1920 – 2010 гг)
Доцент, к.т.н. Исаев В.А., МГГУ, кафедра Физики горных пород и процессов

2.

ЖИЗНЬ, одна из форм существования
материи, закономерно возникающая
при определенных условиях в процессе
ее развития. Организмы отличаются от
неживых объектов обменом веществ,
раздражимостью, способностью к
размножению, росту, развитию,
активной регуляции своего состава и
функций, к различным формам
движения, приспособляемостью к среде
и т. п. Полагают, что жизнь возникла
путем абиогенеза

3.

Абиогенез - образование органических
соединений, распространенных в живой
природе, вне организма без участия
ферментов.
Ферменты (биокатализаторы) специфические белки, увеличивающие
скорость протекания химических
реакций в клетках всех живых
организмов.

4.

Хронология событий в истории Вселенной и
Земли
Время,
млрд.лет
События
13.7
Большой взрыв. Образование вселенной
5.0
Формирование Солнца и солнечной туманности
4.57
Образование Земли от солнечной туманности
4.57 – 3.8
Земля находится под постоянным воздействием
астероидов и комет
4.53
Земля поражена огромным болидом. Образование
Луны
4.1
Затвердевание земной коры. Образование океанов и
атмосферы

5.

Хронология событий в истории вселенной и
Земли
4.0 – 2.5
Архейский период. Зарождение жизни
2.5 – 0.54
Протерозой. Первый фотосинтез бактерий и, вероятно,
кольчатых червей
0.54
Развитие многоклеточных организмов, в т.ч. на суше
0.25
Пермский период. Локальные катастрофы
0.065
Последние масштабные катастрофы. Исчезновение
многих видов животных
0.005
Появление первых гуманоидов
0.0001-0.0002
Возникновение Homo Sapiens

6.

ЭВОЛЮЦИЯ МИНЕРАЛОВ
ЭРА / СТАДИЯ
Пренебулярные минералы
ВОЗРАСТ,
МЛРД. ЛЕТ
ЧИСЛО
РАЗНОВИДН.
>4.6
12
Эра планетарного роста (> 4.55 млрд. лет)
Первичные хондритовые минералы
Каменные метеориты и планетные
изменения
> 4.56
> 4.56 до 4.55
60
250
Эра коры и мантии Земли (4.55 – 2.5 млрд. лет)
Эволюция магматических пород
4.55 – 4.0
350 - 500
Гранитная и пегматитовая формация
4.0 – 3.5
1000
> 3.0
1500
Тектоника плит

7.

ЭВОЛЮЦИЯ МИНЕРАЛОВ
ЭРА / СТАДИЯ
ВОЗРАСТ,
МЛРД. ЛЕТ
ЧИСЛО
РАЗНОВИДН.
Эра биологически установленной минералогии (> 2.5 млрд. лет – по
н.в.)
Бескислородный биологический мир
3.9 – 2.5
1500
Активное окисление
2.5 – 1.9
> 4000
Результат посредничества океана
1.9 – 1.0
> 4000
Последствия глобального похолодания
1.0 – 0.542
> 4000
Фанерозойская эра биоминерализации
0.542–по н. в.
4400 +

8.

Абиотический органический синтез в
геологических системах
(Mg,Fe)2SiO2 + H2O
оливин
Mg6Si4O10(OH)8 + Mg(OH)2 + Fe3O4 + H2
серпентин
брукит
магнетит
CO2 + H2 → CH4 + C2H6 + C3H8 + …

9.

Теория Опарина А.И. (1894-1980)
1924 г. опубликовал книгу
«Происхождение жизни».
Создал теорию
«коацерватов»

10.

ОПЫТЫ МИЛЛЕРА - ЮРИ
1953 г. - установлено
образование
органических
соединений, в т.ч.
простейших
аминокислот в
системе,
моделирующей
пробиотическую
атмосферу Земли в
условиях
электрических
разрядов (60000 в)

11.

ПРОБЛЕМА ГОМОХИРАЛЬНОСТИ
В природе множество молекул встречается в виде двух
пространственно различных форм, которые проявляют себя как
зеркальные отражения друг друга.
Хиральный объект
Нехиральный объект
Все белки в
современных живых
формах содержат
L-аминокислоты, а
сахара состоят
исключительно из
D-рибозы

12.

Нарушение четности в природе
H
n
Co59
Ni60
Co60
T=0.1K
e
v
Chen Ning Yong, Tsung Dao Lee
(1957)

13.

Энантиоморфизм в органических соединениях
L-аминокислота
L-глицеральдегид
D-аминокислота
D-глицеральдегид

14.

Другие примеры энантиоморфизма
Тартрат натрия-аммония
В 1848 Л. Пастер впервые вручную
под микроскопом
разделил энантиоморфные
кристаллы тартрата натрияаммония

15.

Гомохиральность биомолекул
Несмотря на то, что при синтезе
аминокислот генерируются одинаковые
количества двух возможных форм, только
L-аминокислоты встраиваются в белки и
пептиды.
Это явление наблюдается для аминокислот
всех форм жизни от бактерии до слона

16.

ЭНАНТИОМОРФИЗМ КВАРЦА
Левый кварц
Правый кварц

17.

Распространение левых и правых кварцев на Земле
Регион
% левых
кварцев
% (l – d)
Бразилия, Tromsdorff (1932)
50.05
0.1
Швейцария, Friedlander (1951)
50.6
1.2
Волынь, Украина (1973)
50.8
1.6
Неройка, Россия (1950)
53.9
7.8
Plakas, Греция (1950)
58.6
17.2
Данные Frondel (1978)
49.82
- 0.36
Samshvildo, Грузия (1973)
44
- 12
Данные Lemmlein (1973)
40
- 20

18.

Асимметричный автокатализ с использованием кварца
Кварц (порошок) + пиримидин + Pr2 Zn пиримидил
Выход 95%
Выход 97%
Пиримидин – структурный фрагмент нуклеиновых
кислот
Iwao Ojima (2010)

19.

Подобие в строении ДНК и некоторых силикатов
Строение молекулы ДНК
Строение силикатов:
а – пироксен;
b – волластонит; с – родонит; d – Fe-пироксен

20.

Подобие в строении РНК и амезита
Mg-октаэдр (Al)
Si - тетраэдр
Атом
кислорода
Al -октаэдр
Al – тетраэдр (Si)
Спиральная структура амезита (Mg,Fe)4Al4Si2O10(OH)8 и фрагмент
молекулы РНК

21.

Энергия связи углерода и кремния с некоторыми
химическими элементами
Химический элемент
Энергия связи, кДж/моль
с кремнием
с углеродом
Водород
393
435
Кислород
452
~ 360
Азот
322
~ 305
Хлор
381
351
Углерод
360
368
Энергия связи в значительной степени зависит от валентности. Приведенные значения относятся к
одновалентным соединениям lGreenwood and Earnshaw (1984)]. Данные для фтора по: Ф. Коттон, Дж.
Уилкинсон. Современная неорганическая химия, ч. 2. – М.: Мир, 1969.
Кремний
Фтор
340
360
540.5
486

22.

Кварц в биоминерализационных процессах
Диатомовые водоросли
доминируют среди
фитопланктонов и
составляют 25% всей
биомассы на Земле
Процесс формирования
ткани диатомовых
водорослей –
биогенетический цикл,
которым управляют
наночастицы кварца
Структуры стен ячееек диатомовых водорослей

23.

Содержание 13С в органических веществах с
С
течением времени
13
13C ( ‰)
0
Inorganic carbon
-20
-40
-60
500
1500
возраст,
2500
3500
Age (Ma)
[Tom McCollom]

24.

Древнейшие породы на Земле
На Земле – лишь несколько мест, где
остатки древней коры не были
вовлечены в процессы спрединга и
субдукции (сдвиг тектонических плит):
- Apex Chert (Зап. Австралия)
- Isua (Зап. Гренландия)
- Barberton (Южная Африка)
- Исландия

25.

Самые ранние свидетельства жизни на Земле
Isua (Гренландия)
Возраст 3.8 млрд. лет
Органические включения
в кварцевых породах
S. J. Mojzsis et al. (1996)

26.

Древнейшие окаменелости
Волокнистые формы
цианобактерий в
мелкозернистом кварце
осадочного происхождения
(черт)
Возраст: 3.5 – 3.46 млрд. лет
How Life Began
Evolution’s Three Geneses
Alexandre Meinesz (2008)

27.

Флюидные включения в кварце
East Pilbara (Зап. Австралия)
Возраст 3.49 млрд. лет
Микробный метан мог быть
пойман в ловушку во время
формирования дайки

28.

Следы окаменелостей в базальте
Barberton (ЮАР)
Возраст
~ 3.45 млрд. лет
Следы
окаменелостей
микроорганизмов
(4х200 мкм)
(есть
современные)
биологические
аналоги)

29.

Сферические микроостатки в чертах
Исландия
Возраст
3.2 млрд. лет
Силифицированные сферы на
базальтовой
подушке
(поблизости от
гидротермальных
вентилей)

30.

Спиральные микроокаменелости в чертах
Исландия
Возраст 3.2 млрд. лет
Спиральные нити
диаметр 10 мкм и
длина 50-100 мкм,
толщина стенки
1 мкм
lна глубине 500-2000 м]

31.

Сферические микроокаменелости в
кварцитах
East Pilbara
(Зап. Австралия)
Возраст 3.0 млрд. лет

32.

СИЛИКАТЫ НА ВНЕЗЕМНЫХ ОБЪЕКТАХ
КОСМИЧЕСКАЯ ПЫЛЬ
Зерно межпланетной
пыли
Размер 10 мкм
Состав:
оливин (Mg,Fe2)SiO4;
ортопироксен (Mg,Fe)SiO3;
орг. молекулы;
лед, кварц, Fe, FeS
[84% - силикатная матрица]
From Dust to Stars. Norbert
S. Schulz, 2005

33.

Кварц на Марсе
Кварц гидротермального происхождения (космическая миссия NASA, Spirit)
(New Scientist, november 2010)

34.

Марсианские метеориты
Бактериальные колонии ~ 100 нм
Возраст 4 – 4.5 млрд. лет
(McKay, 1996)

35.

Мёрчисонский метеорит
(Австралия, 1969)
Возраст: 4.6 млрд. лет
Состав:
- силикаты
- органические вещества, в
т.ч. аминокислоты
Установлены
шарообразные структуры
диаметром от 1 до 15 мкм микрохондрулы
небиологического
происхождения
Zita Martins et all, Earth and Planetary Science
Letters 270 (2008) 130–136

36.

Силикаты в кометном веществе
Комета Галлея, 1986
Состав:
Mg2SiO4,
полицикл. аром. углеводороды,
H2O (лед)
Searching for Water in
the Universe,
Thérèse Encrenaz, 2007

37.

Комета Tempel 1 (миссия Deep Impact, 2005)
Космическая программа NASA Deep
Impact реализована 04 июля 2005 г. В
соответствии с этой программой в
комету Tempel 1 был выпущен снаряд
весом 370 кг со скоростью 10 км/с. В
результате столкновения с кометой был
инициирован выброс твердых, пылевых
и газовых веществ, спектральный
анализ которых позволил установить
состав кометного вещества.

38.

Комета Tempel 1 (миссия Deep Impact, 2005)

39.

Комета Tempel 1 (миссия Deep Impact, 2005)
Состав кометного
вещества:
-Органическое молекулы
(углеводородные
мономеры)
- глинистые минералы
- вода
DEEP IMPACT MISSION
Ed. CHRISTOPHER T. RUSSELL
Springer, 2005

40.

Неорганический синтез неживых микроструктур,
подобных биогенным
A , B – синтетические витериткварцевые нити;
С
- чистый витеритовый кристалл
после растворения кварца в
щелочи;
D
- кварцевое покрытие;
E, F - микронити обнаруженные в
чертах Зап. Австралии
(Warrawoona)
Self-Assembled Silica-Carbonate Structures and
Detection of Ancient Microfossils. J. M. Garcı ґa-aRuiz et all. 14 NOVEMBER 2003 VOL 302
SCIENCE

41.

ВЫВОД 1
Сборка органических молекул
для организации живой
материи невозможна без
участия кристаллов,
обладающих энантиоморфизмом

42.

ВЫВОД 2
Среди кристаллов, обладающих
энантиоморфизмом, следует отдать
предпочтение кварцу,
распространение которого на
региональном уровне отличается
сдвигом в сторону L-энантиомеров

43.

ВЫВОД 3
Практически все обнаруженные следы
простейших организмов приурочены
к силикатной матрице: кварц, черты,
базальты, пироксены, оливины,
глинистые минералы – т.е. к
различным комбинациям SiO4тетраэдров

44.

ВЫВОД 4
Между элементами структуры
молекулы ДНК и ряда силикатов
наблюдается однозначное подобие

45.

ВЫВОД 5
Структурная комплементарность в
последовательности
кремнекислородных тетраэдров ряда
силикатов и фрагментов молекул ДНК и
РНК позволяет предположить у кварца
функцию информационной матрицы

46.

Список использованных источников
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Вистелиус А.Б. О распространенности энантиоморфных типов кварца. Записки ВМО,
1950, N3, с. 191-195.
Handbook of Clay Science. Edited by F. Bergaya, B.K.G. Theng and G. Lagaly.
Developments in Clay Science, Vol. 1. - 2006 Elsevier Ltd.
María Támara and Martin R. Preston. A statistical reassessment of the evidence for the
racemic distribution of quartz. American Mineralogist, Volume 94, pages 1556–1559, 2009 .
Horst Rauchfuss. Chemical Evolution and the Origin of Life. 2008 Springer .
Jeffrey L. Bada. Origins of homochiralitv. Nature, Vol. 374. – 13 april 1995, p. 594-595.
Therese Encreanaz. Searching for Water in the Universe. Springer, 2007.
Introduction to Planetary Science. The Geological Perspective. GUNTER FAURE, TERESA M.
MENSING, 2007, Springer.
Robert M. Hazen and John M. Ferry. Mineral Evolution: Mineralogy in the Fourth Dimension.
Elements, February 2010, Volume 6, Number 1, p. 9-12.
Did Silica coffins trap Martian Life? New Scientist, 6 november 2010, p.7.
A Roller-Coaster Plunge Into Martian Water-and Life? Science, 17 december 2010, Vol. 330,
p. 1617.
Extraterrestrial nucleobases in the Murchison meteorite. Zita Martins, Oliver Botta, Marilyn L.
Fogel et all. Earth and Planetary Science Letters 270 (2008) 130–136.
Water and life : The unique properties of H2O. /edited by Ruth M. Lynden-Bell … [et al.]. 2010
by Taylor and Francis Group. – 356 p.
Early Life on Earth. (A Practical Guide). David Wacey. Springer, 2009. 274 p.

47.

Список использованных источников
14. Dirk Schulze-Makuch · Louis N. Irwin. Life in the Universe. Expectations and Constraints.
Second Edition. 2008 Springer-Verlag Berlin Heidelberg. – 251 p.
15. Paul J. Thomas, Roland D. Hicks, Christopher F. Chyba, Christopher P. McKay (Eds.)
Comets and the Origin and Evolution of Life. Second Edition. Springer, - 2006. – 346 p.
16. DEEP IMPACT MISSION:LOOKING BENEATH THE SURFACE OF A COMETARY NUCLEUS.
Edited by CHRISTOPHER T. RUSSELL. - 2005 Springer. - 396 p.
17. A Younger Age for ALH84001 and Its Geochemical Link to Shergottite Sources in Mars. T. J.
Lapen, M. Righter, A. D. Brandon, V. Debaille, B. L. Beard, J. T. Shafer, A. H. Peslier. Published 16 April 2010, Science 328, 347 (2010).
18. Бернал Д. Возникновение жизни. М.: 1969.
19. Происхождение биосферы и коэволюция минерального и биологического миров.
Сыктывкар, ИГ Коми НЦ Уро РАН, 2007, 202 с.
20. М. Руттен. Происхождение жизни (естественным путем). Под ред. А.И. Опарина. - М.: Мир
1973.
21. Self-Assembled Silica-Carbonate Structures and Detection of Ancient Microfossils. J. M. Garcı ґaRuiz, S. T. Hyde, A. M. Carnerup, A. G. Christy, M. J. Van Kranendonk, N. J. Welham. 14
NOVEMBER 2003 VOL 302 SCIENCE.
22. Либау Ф. Структурная химия силикатов. М.: Мир, 1988. – 412 с.
23. Morphogenesis of Self-Assembled Nanocrystalline Materials of Barium Carbonate and Silica. Science,
2009, V. 323, p. 362-365
24. Озима М. История Земли. М.: Знание, 1983. – 205 с.
25. H. A. Lowenstam, S. Weiner, On Biomineralization (Oxford Univ. Press, Oxford, 1989).
26. Г. Кастлер. Возникновение биологической организации. М.: Мир, 1967. – 90 с.

48.

Список использованных источников
27. Zita Martins, Oliver Botta, Marilyn L. Fogel et all. Extraterrestrial nucleobases in the Murchison
meteorite. Earth and Planetary Science Letters 270 (2008) 130–136.
28. Dirk Schulze-Makuch · Louis N. Irwin. Life in the Universe. Expectations and Constraints. 2008 .Springer-Verlag Berlin Heidelberg. – 251 p.

49.

БЛАГОДАРИМ ЗА ВНИМАНИЕ
В подготовке обзора принимал
участие инж. Дронов А.С.