8 ноября 2005 года состоялось очередное заседание Президиума Российской академии наук.

08.11.2005

Научное сообщение: "Органическая геохимия изотопов". Докладчик - академик Э.М.Галимов

8 ноября 2005 года состоялось очередное заседание Президиума Российской академии наук.

Члены президиума заслушали научное сообщение «Изотопная органическая геохимия». Докладчик – академик Галимов Эрик Михайлович (Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН).

На заседании был заслушан доклад академика Матишева Геннадия Григорьевича о развитии Южного научного центра РАН. Президиум принял рекомендации по дальнейшей активизации действия центра и его координации его работы с другими центрами Кавказского региона.

Президиум РАН рассмотрел вопрос о присуждении премий имени выдающихся ученых 2005 года:

имени А.А. Бочвара (представление Экспертной комиссии и Бюро Отделения химии и наук о материалах),
имени Ф. А. Цандера (представление Экспертной комиссии и Бюро Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления),
имени К.Э. Циолковского (представление Экспертной комиссии и Бюро Отделения наук о Земле).

Президиум РАН постановил:

- присудить премию имени А.А. Бочвара 2005 г. доктору технических наук Малышевскому Виктору Андреевичу (ГНЦ ФГУП Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей») и члену-корреспонденту РАН Рыбину Валерию Васильевичу за совокупность работ «Новые высокопрочные хладостойкие свариваемые стали для работы в экстремальных условиях».

Авторами выполнен цикл фундаментальных работ на стыке ряда научных направлений - физического материаловедения, физики твердого тела, механики разрушения, физической химии, теории металлургических процессов, металловедения и термической обработки металлов. На этой основе разработаны принципы легирования новых низкоуглеродистых свариваемых сталей. На основе представленных работ создана группа высокопрочных хладостойких сталей с пределом текучести 400-690 Н/мм.кв. и сталей большой прочности с дополнительным упрочением за счет вторичного твердения в процессе отпуска. Новые стали обеспечивают уникальное сочетание технологичности и, в первую очередь, свариваемости с высокой прочностью, пластичностью, вязкостью, хладостойкостью и взрывостойкостью. Полученные материалы могут работать в экстремальных условиях: при воздействии ветро-волновых нагрузок, низких температур, повторно-статических, динамических и коррозионно-механических нагружений, ледовых полей и т.д. Новые хладостойкие свариваемые стали широко внедрены при строительстве судов арктического плавания в нашей стране и за рубежом: атомных ледоколов, танкеров, сухогрузов, морских плавучих и стационарных буровых платформ для добычи нефти и газа на континентальном шельфе Баренцева и Охотского морей, стационарной морской ледостойкой платформы «Приразломная» массой 75000 т, а также морских трубопроводов.

- присудить премию имени Ф. А. Цандера 2005 г. кандидату физико-математических наук Поляховой Елене Николаевне (Научно-исследовательский астрономический институт им. В.В. Соболева Санкт-Петербургского государственного университета) за монографию «Космический полет с солнечным парусом».

Монография Поляховой Е. Н. была написана в ознаменование столетия со дня рождения Фридриха Артуровича Цандера. Она является первой в мире книгой по проблеме солнечного паруса, идея создания и использования которого принадлежит Ф. А. Цандеру. В монографии на высоком научном уровне освещен широкий спектр задач фотогравитационной небесной механики применительно к теории полета с солнечным парусом как в геоцентрическом, так и в гелиоцентрическом пространствах. Монография послужила развитию идей Ф. А. Цандера на современном уровне небесной механики и астродинамики. Она является единственной отечественной книгой по проблеме солнечного паруса. Актуальность книги подтверждается ныне проводимыми работами по предстоящим стартам солнечных парусников. Работа выполнена на высоком научном уровне и является крупным вкладом в теорию и практику космических полетов.

- присудить премию имени К.Э. Циолковского 2005 г. члену-корреспонденту РАН Ярошевскому Василию Александровичу за цикл работ, включающий монографию «Движение неуправляемого тела в атмосфере» и 11 статей.

Представленные работы посвящены исследованиям основных закономерностей углового движения неуправляемых космических аппаратов при входе в атмосферу. Асимптотическими методами нелинейной механики получены аналитические формулы для изменения основных кинематических параметров вдоль траектории, в том числе при переходе от вращательного движения аппарата к колебательному. Проанализированы опасные режимы углового движения; зависание аппарата в положении неустойчивого равновесия, которое приводит к существенному увеличению амплитуды угловых колебаний, плоская авторотация, пространственная авторотация, угловое движение аппарата с двумя устойчивыми балансировками. Получены аналитические формулы для вероятности реализаций опасных режимов и предложены методы уменьшения этой вероятности. Результаты исследований применялись, в частности, при разработке проектов космических аппаратов «Венера», «Марс». Исследованы траекторные движения космических аппаратов для реализации маневренных возможностей КЛА на участках входа в атмосферу и оптимизации теплового режима на этом участке. На основе асимптотических методов нелинейной механики предложен новый алгоритм определения времени существования спутника Земли в неизотермической атмосфере. Представленная монография и исследования, изложенные в статьях, выполнены на высоком научном уровне.

Члены Президиума обсудили и приняли решения по ряду других научно-организационных вопросов.

 

Информация предоставлена Пресс-службой РАН.

Пресс-служба РАН: Руководитель - Преснякова Ирина Васильевна

тел: 237 90 02; 237 81 15. тел./факс: 954 11 45 E-mail - irina@presidium.ras.ru

Органическая геохимия изотопов

(доклад на заседании Президиума РАН 8 ноября 2005 года)

Э.М.Галимов

В последние десятилетия в науках о Земле сформировались две новые области знания: геохимия изотопов и органическая химия.

Область их перекрывания - тема моего сегодняшнего сообщения.

Оно является сокращенной и упрощенной версией моего доклада, в Копенгагене в прошлом году по случаю присуждения мне медали имени Альфреда Трейбса, которой Геохимическое Общество США совместно с Европейской Геохимической Ассоциацией отмечает заслуги в развитии органической геохимии.

Это группа моих коллег в Институте Вернадского, которая в течение многих лет работает в области органической геохимии.

Присуждение медали Альфреда Трейбса производится уже в 16-ый раз, и впервые ученому из нашей страны, хотя многие советские и российские ученые внесли выдающийся вклад в становление и развитие органической геохимии.

Вот некоторые имена. Вернадский впервые указал на роль живого вещества и его производных в геологических процессах. Крупнейшими исследователями были Владимир Александрович Успенский, Василий Андреевич Соколов, Николай Брониславович Вассоевич, Софья Моисеевна Манская. Большинство этих ученых одновременно - крупные геологи-нефтянники.

Наша группа также начала исследования с изучения изотопного состава углерода нефти еще в 1960 годы. В ранних исследованиях, сделанных еще до начала наших работ, нефть изучали как единое целое. Нефть представляет собой смесь многих органических соединений. Мы впервые стали определять изотопный состав выделенных фракций, отдельных индивидуальных углеводородов. Однако полученные данные было трудно интерпретировать, поскольку для сложных углеводородов не были известны изотопные константы.

Некоторые термины, которые дальше будут часто употребляться.

Изотопный состав – это отношение изотопов данного элемента. У углерода два стабильных изотопа №³C и №²C. Более редкие изотопы обозначаются звездочкой. В профессиональной литературе используют не отношение изотопов, а отклонение изотопного отношения от стандарта, которое обозначается, δ и измеряют в промилях. Для углерода это δ№³C.

Я буду говорить главным образом об изотопах углерода, хотя это относится и к изотопам других элементов.

Изотопное фракционирование – это неодинаковое распределение изотопов между двумя веществами. Оно определяется как отношение их изотопных составов, отличное от единицы.

Причиной изотопного фракционирования является изотопные эффекты.

Существуют разные изотопные эффекты.

Наиболее распространены два класса изотопных эффектов: 1) кинетический и 2) термодинамический.

Кинетический изотопный эффект связан с различием скоростей реакций изотопных форм. Изотопные формы, содержащие легкий изотоп, более подвижны. В них легче рвется химическая связь и т.д.

Термодинамический изотопный эффект связан с различием энергетических состояний изотопных форм. Он определяется величиной β-фактора. Чем больше величина β-фактора, тем выше концентрация тяжелого изотопа ( в случае углерода №³C ) в данном соединении в состоянии равновесия.

Еще в 40-ые годы Бегеляйзен вместе с Гепперт-Майер и Юри показали, что β-фактор (или так называемое приведенное отношение статсумм по состояниям) может быть выражено, через соотношение колебательных частот изотопных форм.

На основе этого выражения были вычислены β-факторы для самых простых молекул, содержащих единственный обменивающийся атом углерода (CO2, CO, CH4).

Коэффициенты изотопного фракционирования для углеводородов были неизвестны. Особенностью многоатомных органических соединений является то, что атомы углерода в молекуле могут занимать неэквивалентные положения. Пропан является простейшим примером. Он имеет два периферийных атома, эквивалентных друг другу и центральный атом, отличающийся о них. Отсюда возможность внутримолекулярного фракционирования изотопов. Поэтому потребовалось развитие теоретических представлений, в том числе получение вида формул для β и α применительно к многоатомным соединениям.

В конечном счете были вычислены β-факторы для ряда углеводородов.

Они сохранили свое значение до сегодняшнего дня. В последнем справочнике наряду с новыми константами для ряда веществ воспроизводятся давно вычисленные нами изотопные константы для углеводородов.

Полученные значения был использованы для многих целей. Я приведу только один пример. Большинство присутствующих знает, что существует давняя проблема происхождения нефти – органического или неорганического. Когда в нефтях были обнаружены биомаркеры, т.е. органические соединения, характерные для биомолекул, казалось, что это доказательство органического происхождения нефти. Например, в нефтях были обнаружены фрагменты хлорофилла: тетрапиррольное ядро ( в нефтях идентифицированное как порфирин) и фитольная цепь (в нефтях идентифицированная как изопреноид). Однако этот аргумент не был принят. Сторонники неорганической гипотезы утверждали, что основная масса углеводородов нефти: парафиновые, нафтеновые и ароматические углеводороды, - поступают из глубоких недр, возможно, из мантии. Попадая в осадочные породы, они вымывают из них присутствующие там фрагменты ископаемых организмов. Иначе говоря, биомаркеры представляют соединения, чужеродные нефти.

Применив изотопные методы, мы показали, что в каждой исследованной нефти основные классы углеводородов оказывается на одной линии фракционирования с биомаркерами, содержащимися в той же нефти. Поскольку биологическое происхождение биомаркеров не вызывает сомнений, то и основная масса углеводородов должна иметь тот же биологический источник.

Это оказалось решающим аргументом в решении проблемы происхождения нефти.

Центральной задачей органической геохимии, как я отметил, является изучение химических превращений органического вещества в недрах - от биомассы к ископаемым формам.

Понятно, чтобы применить изотопные подходы для изучения этих превращений, необходимо знать распределение изотопов в исходном материале, т.е. в биомолекулах. Поэтому геохимики обратились к изучению биологического фракционирования изотопов. Возникла довольно необычная ситуация, когда распределение изотопов в организмах заинтересовало геологов раньше, чем биологов. Биологи долго еще использовали изотопы только в качестве меченых атомов.

Биомолекулы имеют несравнимо более сложное строение, чем простые углеводороды. Поэтому вычисление β-факторов путем решения колебательного движения изотопных форм для биомолекул практически нереально.

Важно было разработать приближенный метод расчета применительно к многоатомным соединениям, который давал бы достаточно хорошую оценку β-фактора без прямого решения колебательной задачи. Поиском такого приближенного метода в то время занимались несколько групп исследователей в разных странах, в том числе сильные группы Бигеляйзена и Вольфсберга в США. Перед нами также встала эта задача при обращении к исследованию биологического фракционирования.

В результате был найден метод, который я назвал методом изотопных чисел связей. Он был основан на удивительно простых предположениях, которые оказались, однако, работоспособными. При этом β-фактор как угодно сложного соединения получается путем суммирования ряда инкрементов, зависящих от вида связи.

Эффективность этого метода была признана. Здесь приведена цитата из работы Бигеляйзена с соавторами, с верифицирующей оценкой метода изотопических чисел связей.

Соответствующие числовые значения были определены для разных видов связи. В результате вычисление β-фактора сложного соединения стало тривиальной процедурой. При этом точность оценки была достаточно велика. Например, много лет спустя, решение прямой колебательной задачи для молекулы аланина, выполненное Поляковым, дало хорошее совпадение с результатами, полученными при помощи метода изотопических чисел связей.

Были вычислены температурные зависимости чисел связей. Здесь показаны зависимости для двух видов связей C-H и C-C.

К моменту, когда наша лаборатория начала экспериментальную работу с биологическим материалом, было очень мало данных в этой области. Одно из первых исследований, которое мы выполнили с моим аспирантом Ширинским, к сожалению, рано умершим, было исследование липидной фракции. Соединения липидной фракции являются главными предшественниками углеводородов нефти.

При этом выявилась корреляция между измеренными величинами δ№³C и β-факторами. Это было удивительно. Ведь β-факторы определяют сродство к изотопу №³C в состоянии равновесия. Биологические же системы явно неравновесны. Тем не менее, последующие исследования подтвердили существование подобной корреляции.

Мы впервые провели экспериментальное исследование внутримолекулярного распределения изотопов между фрагментами молекулы хлорофилла. Корреляция выявилась на внутримолекулярном уровне.

Очень важную работу предприняли американские исследователи Мейншейн с сотрудниками. Они изучили внутримолекулярное распределение изотопов в яблочной кислоте двух принципиально разных типов растений с Кальвиновским и Хетч-Слековским типом фотосинтеза и обнаружили, что в обоих случаях имеет место предсказываемая нами корреляция.

Подобные соотношения были установлены и другими группами исследователей. Например, в лимонной кислоте, в аминокислотах.

В некоторых случаях корреляция отсутствует, что, в общем, понятно. Природа этого явления не вполне ясна. Она продолжает дискутироваться в литературе. Я полагаю, что наблюдаемая закономерность обусловлена ферментативным характером биохимических реакций и предложил соответствующую модель. Но сейчас не буду углубляться в сторону биологической интерпретации.

Для геохимических приложений важно, что в биологическом материале имеется устойчивое и закономерное распределение изотопов. В отдельно взятой фракции или группе соединений упомянутая корреляция может быть сильнее или слабее и даже отсутствовать. Но в биомассе, образующей органическое вещество осадков, в которой интегрированы разные соединения, разных организмов, установленная закономерность – мы называем ее биологическим трендом – проявляется совершенно отчетливо.

Таким образом, распределение изотопов в биологическом материале дает исходную линию, от которой разворачивается фракционирование изотопов под действием геологических факторов, когда органическое вещество отмершей биомассы начинает свой путь превращений в недрах.

Нужно сказать, что применительно к ископаемому органическому мы не можем воспользоваться расчетом β-факторов. Органическое вещество в недрах представлено нерегулярными полимерами – фульвокислотами, гуминовыми кислотами, керогеном. Поскольку детальное их химическое строение неизвестно, нельзя вычислить β-факторы. Но можно использовать паллиативный метод, так как возрастающая величина β-фактора соответствует возрастающей полярности фракций.

В диагенезе, т.е. в процессе раннего превращения органического вещества в осадке, можно выделить две предельно различающиеся обстановки. Первую – когда микробиологическая переработка отмершей биомассы ослаблена. В этом случае структуры, входящие в состав легко разлагающихся белков и углеводов, частично сохраняются в результате меланоидиновой реакции, и распределение изотопов по фракциям разной полярности приобретает показанный здесь вид.

В природе действительно часто встречается такой вид распределения изотопов углерода, например, в диатомовых илах.

Другой тип обстановки – когда микробиологическая переработка отмершей биомассы была интенсивной. Тогда материал белков и углеводов практически полностью уничтожается и распределение изотопов по фракциям приобретает совершенно иной вид.

В природе такой вид распределения изотопов характерен для сапропелевых илов.

Черные сланцы, которые часто являются источником нефти, имеют изначально подобное изотопное распределение. Различие состоит только в изотопном составе гексановой фракции. Генерированные в черных сланцах углеводороды нефти обогащены легким изотопом. Они смещают изотопный состав гексановой фракции в целом в сторону отрицательных значений δ№³C.

Это – уже постдиагенетические преобразования. Они включают процессы биодеградации, окисления и термолиза.

Биодеградация приводит к смещению углеводородов гексановой фракции в сторону позитивных знанений δ№³C.

Окисление, как показали эксперименты, характеризуется заметным изменением изотопного состава бензол-метанольной фракции.

Тепловое воздействие до известного предела сказывается лишь на изотопном составе углеводородной (гексановой) фракции. На диаграмме кривые распределения изотопов приведены для диатомовых осадков, подвергшихся разной степени теплового воздействия. Оно возрастает от первого к пятому номеру. При повышенной температуре происходит изменение изотопного состава бензол-метанольной фракции (так же как при окислении), и только в условиях глубокого термолиза существенно изменяется вся картина первоначального распределения изотопов по фракциям.

Полученные сведения об особенностях фракционирования изотопов, могут иметь многочисленные практические приложения, в том числе для решения такой важной задачи как идентификация нефтематеринских отложений.

Существование проблемы нефтематеринских пород обусловлено тем, что нефтяные залежи находятся не там, где нефть возникла. Нефть в залежь мигрировала. Вопрос, откуда она мигрировала, всегда был предметом дискуссий. Отсюда возникла и проблема органического или неорганического происхождения нефти. Идентификация нефтематеринских отложений имеет большое практическое значение. Если материнские отложения для данной нефтяной залежи достоверно установлены, то, зная содержание органического вещества, мощность отложений, их распространенность в пределах геологического бассейна, можно дать научно-обоснованный прогноз перспектив нефтеносного бассейна.

Одноименные по полярности фракции можно выделить как из нефти, так и из органического вещества (керогена) пород, и сопоставить их.

Например, в пределах Волго-Уральской нефтегазоносной провинции одно время нефтематеринскими считались малиновские глины нижнего карбона. Однако применение методов изотопно-фракционого анализа показало, что в действительности нефтематеринскими являются доманиковые отложения девона. Это хорошо видно из сопоставления кривых распределения для нефти и органического вещества пород.

Другой пример – месторождение «Окружное» на острове Сахалин. Очевидно, что нефть в миоценовых отложениях происходит из кремнистых отложений пиленгской свиты. Характер распределения изотопов в соответствующих нефти и органическом веществе совпадают. Нефть в боровских отложениях имеет, на первый взгляд, иную изотопную характеристику. Однако сопоставление показывает, что различие существует только в изотопном составе бензол-метанольной фракции, а это показатель окисленности. Иначе говоря, боровская нефть – та же пиленгская нефть, только несколько окисленная.

Еще один пример. Распределение изотопов во фракциях нефти из верхнемеловых отложений Новопортовского месторождения Западной Сибири несколько отличается от распределения изотопов во фракциях нефти из нижнемеловых отложений. Отличие состоит в характерном смещении изотопного состава гексановой фракции. Это признак биодеградации. Следовательно, верхнемеловая нефть претерпела биодеградацию, хотя в остальном верхнемеловая и нижнемеловая нефти идентичны и имеют, очевидно, общий источник.

Я акцентирую внимание на специфике и возможностях изотопного метода, хотя на практике изотопия применяется в совокупности с другими методами органической геохимии.

Существенный вклад изотопная органическая геохимия внесла в понимание процессов газообразования.

Еще в ранних работах было показано, что существует закономерное изменение изотопного состава метана с глубиной отложений. Объяснения давались разные. Итальянские исследователи Коломбо и другие считали, что это результат фракционирования изотопов в процессе диффузии газов к поверхности. Группа Алексеева выдвигала на первый план фактор геологического возраста отложений. Американский исследователь Саккетт предположил, что наблюдаемая закономерность обусловлена зависимостью кинетического изотопного эффекта от температуры, которая возрастает с глубиной. Мы предположили, что метан последовательно обогащается изотопом 13С, по мере того как с глубиной увеличивается степень обуглероживания органического вещества, из которого этот метан происходит. Степень обуглероживания (углефикации) возрастает с глубиной.

Исходя из этого представления, мы впервые применили изотопный метод для выявления газоматеринской породы. Был изучен изотопный состав газа на месторождениях в пределах Аму-Дарьинской синеклизы. Определенной степени углефикации (которая маркируется буквенными обозначениями) по нашим представлениям отвечает определенный изотопный состав метана. Действительно в центральной части синеклизы изотопный состав газа соответствует ожидаемому на данной глубине. Но наиболее богатые месторождения, в том числе крупнейшее в то время в Советском Союзе месторождение Газли, имеют изотопный состав метана, совершенно не отвечающий степени преобразованности органического вещества на глубинах залегания газа. Это можно объяснить только миграцией газа из глубоко погруженных отложений Аму-Дарьинской синеклизы.

В дальнейшем этот подход использовался многими исследователями для определения источников газа в газоносных бассейнах.

Оценки степени углефикации, которые мы использовали, были качественными. Немецкий ученый Stahl впервые на хорошем эмпирическом материале установил количественную связь между изотопным составом метана и параметром R0, (отражающей способностью витринита), который характеризует степень углефикации органического вещества. Из данных Шталя следовало, что зависимость δ13С СН4 от R0 различна для гумусового и сапропелевого органического вещества. Это не имело объяснения в рамках тех представлений, которые к этому времени существовали.

Была еще одна интересная связанная с этим проблема. Самые крупные запасы газа в Западной Сибири находятся в верхнемеловых сеноманских отложениях. При этом изотопный состав сеноманских газов не укладывался в рамки эмпирических зависимостей.

Решение проблемы оказалось связано с одной характерной особенностью фракционирования изотопов. Дело в том, что метан в природе образуется из нерегулярного полимера, так называемого керогена. В этом случае его образование характеризуется некоторой полосой энергий активации, а не единственной энергией активации как в обычной химической реакции. Было показано, что в случае полосы энергии активации происходит занижение изотопного эффекта. Это занижение тем больше, чем шире полоса энергий активации. Более того, генерация продукта из веществ разной структуры может характеризоваться разной функцией распределения энергий активации в пределах этой полосы.

Гумусовое и сапропелевое органическое вещество имеют разную структуру. Если им приписать функции распределения энергий активации, показанные на этом рисунке, то можно получить разные зависимости изотопного состава метана от степени углефикации исходного органического вещества.

Полученные расчетные кривые хорошо аппроксимируют эмпирические зависимости.

При этом значения δ13С сеноманских газов Западной Сибири попадают на кривую характеризующую генерацию метана на ранней стадии углефикации гумусового органического вещества. Это согласуется с реальной геологической обстановкой в разрезе осадочных отложений Западной Сибири. Сеноманские газы подстилаются мощной 800 метровой покурской свитой, напичканной растительными остатками, т.е. гумусовым органическим веществом, причем на ранней стадии углефикации.

Раньше считалось, что газ (если он не микробиологический) образуется лишь на поздней стадии углефикации, после нефтяного окна. Новая модель утверждает, что значительное газообразование может происходить уже на ранней стадии углефикации, что меняет прогнозные оценки газоносности осадочных бассейнов.

Находит объяснение и феномен ранних конденсатов.

Таким образом, изучение изотопного фракционирования привело к существенной модификации в понимании процессов нефтегазообразования.

Несколько слов о газогидратах, которые во всем мире рассматриваются как один из основных источников газа в будущем.

Вода с растворенным метаном при давлениях, превышающих 50-100 атмосфер, переходит в твердое снегообразное состояние при температурах выше нуля. Эти условия достигаются на дне океана при глубинах водной тощи, превышающей 1000 метров. Физически подошва гидратной зоны хорошо фиксируется сейсмикой, благодаря присутствию отражающего горизонта, идущего параллельно не напластованию, как обычно, а рельефу дна океана (bottom simulating reflector).

Помимо того, что гидраты связывают микробиологический газ, образующийся в верхней зоне осадочных напластований, гидратная зона создает непроницаемый экран, под которым накапливается газ, мигрирующий из погруженных осадочных отложений.

Залежи такого газа могут накапливаться в больших объемах, и они технологически более доступны для эксплуатации.

Признаком аккумуляции газа является характерная инверсия в изотопном соотношении СН4 и СО2. В отличие от этого там, где газогидратная зона отсутствует, линии изотопного состава CH4 и CO2 следуют параллельно.

Таким образом, специфика поведения изотопного состава углерода метана и углекислоты может служить поисковым признаком газовых скоплений, связанных с гидратной зоной.

Опыт и возможности изотопной органической геохимии могут быть использованы в решении проблемы происхождения жизни. Одна из главных проблем, касается ли это момента зарождения жизни на Земле или регистрации признаков внеземной жизни, состоит в том, чтобы отличать вещество биогенное и абиогенное. Изотопия здесь может иметь решающее значение.

Известно, например, что распределение изотопов углерода в углеводородных газах осадочных пород принципиально отличается от распределения изотопов в абиогенно синтезированных углеводородах, которые встречаются в газово-жидких включениях магматических пород. В последних распределение изотопов подобно тому, которое имеет место при синтезе углеводородов из метана в электрическом разряде.

То же касается органических соединений, выделенных из биологических веществ, и тех же соединений, синтезированных искусственно.

В метеоритах встречаются аминокислоты, однако они не обнаруживают ту корреляцию δ№³C - β№³C, которая характерна для биогенных аминокислот.

Мы предложили и развиваем модель, в которой предполагается ключевая роль аденозинтрифосфата (АТФ) в предбиологической эволюции.

Реакции с участием АТФ обладают двумя замечательными свойствами: 1) гидролиз АТФ идет со значительным выделением энергии; 2) сопряжено с гидролизом АТФ могут протекать реакции синтеза все более сложных соединений. Иначе говоря, происходит упорядочение вещества, что является наиболее яркой характеристикой биологической эволюции. С геохимической точки зрения поразительной особенностью АТФ является то, что, хотя в целом это достаточно сложное соединение, обе ее органические составляющие происходят из простых предшественников.

В рамках программы №25 Президиума «Проблемы зарождения и эволюции биосферы» мы в ГЕОХИ создали экспериментальную установку с целью изучения механизма синтеза АТФ и сопровождающих этот синтез изотопных эффектов.

Здесь показана собранная в лаборатории установка и первые результаты синтеза. Из простой смеси CH4 и N2 в разряде удалось получить и идентифицировать смесь довольно сложных соединений, в том числе близких по структуре к аденину, а также многочисленные нитрилы, соединения с цианидной связью.

Анализ изотопного состава продуктов показал, что синтез идет с заметным обогащением легким изотопом по сравнению с исходным углеродом. Мы полагаем, что исследования в этом направлении в рамках Программы Президиума РАН с учетом накопленного опыта в изотопной органической геохимии позволит сделать весомый вклад в проблему происхождения и эволюции жизни.

 

©РАН 2020