Автор: Галимов Э.М.  

Теги: жизнь и ее происхождение   биология   эволюционный процесс   эволюция   биосфера   солнечная система   естественные науки  

ISBN: 978-5-396-00499-3

Год: 2013

Похожие

Проблемы эволюции. Том II

Проблемы эволюции. Том III

Некоторые проблемы органической эволюции

Проблемы дарвинизма

Текст 
                    
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского

ПРОБЛЕМЬI

ЗАРОЖДЕНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ
БИОСФЕРЬI
Допланетная стадия развития

Солнечной системы

•

Реконструкция химических и геологических

условий на ранней Земле

•

Теоретические и экспериментальные
исследования

предбиологических химических систем

•

События и факторы
эволюции биосферы
Под редакцией
академика Э. М. Галимова
Совет Подпрограммы
Программы №

28

1

Президиума РАН

«Проблемы происхождения жизни
и становления биосферы»

URSS
МОСКВА


ББК

28.01 28.02

Проблемы зарождения и эволюции биосферы: Допланетная стадия развития Солнечной

системы. Реконструкция химических и геологических условий на ранней Земле.
Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических

систем. События и факторы эволюции биосферы/ Под ред. Э. М. Галимова.
М.: КРАСАНД,

2013. -

640

с.

Настоящая книга является продолжением коллективной монографии «Проблемы зарождения

и эволюции биосферы», опубликованной в издательстве

URSS

в

2008

г. Представленные в ней ра­

боты являются продолжением исследований, проводившихся ранее по одноименной программе

Президиума РАН. Сборник объединяет результаты исследований ученых, работающих в разных
областях, использующих разные подходы, но связанных общим интересом к проблеме происхож­
дения и эволюции жизни.

Опыт исследования одной из фундаментальных проблем естествознания
хождения жизни

-

-

проблемы проис­

объединенными усилиями специалистов в области геохимии, физики, химии,

биологии и математики, является уникальным. Полученные результаты и высказанные идеи будут
интересны широкому кругу научных работников разного профиля и студентов.

Издательство «КРАСАНД».
Формат 6Ох84/8. Печ. л.

80.

117335, Москва,
1908

Нахимовский пр-т,

Отпечатано в ООО «Чебоксарская типография №1».

ISBN 978-5-396--00499-3

56.

Зак. №

428019, г.

Чебоксары, пр-т. И. Яковлева,

15.

©Российская академия наук,

2012

© КРАСАНД, 2012

НАУЧНАЯ И УЧЕБНАЯ ЛИТЕРАТУРА

E-mail:

11624 ID 168976

URSS@URSS.гu

Каталог изданий в Интернете:

http://URSS.ru

11111111111111111111111111
9 785396 004993

Тел./факс (многоканальный):

URSS

+ 7 (499) 724 25 45

Все права защищены. Никакая часть настоящей книги не может быть воспроизведена или передана в какой бы то ни было форме
и какими бы то ни бьшо средствами, будь то электронные или механические, включая фотокопирование и запись на магнитный
носитель, а также размещение в Интернете, если на то нет письменного разрешения владельцев.


ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие (Э. М Галимов) .... "" ... """"" .......... """" ...... """ .. """"" .. " ......... """"""" .. """ ... " 7

Глава

1. Допланетная

стадия развития Солнечной системы

М Я. Марав, В. А. Дорофеева, А. В. Русол, А. В. Колесниченко,
А. Е. Королев, А. А. Самылкин, А. Б. Макалкин, И Н. Зиглина

Моделирование формирования и ранней эволюции до планетных тел

""""" """""""""" ""13

К. В. Брушлинский, Г В. Долголева, В. Т. Жуков, Е. А. Забродина,
МС. Легкоступов, И С. Меньшов, Л. А. Плинер

К вопросу об эволюции протопланетного диска Солнца .""""""""""""""""""""""""""".33
Э. М Галимов

Анализ изотопных систем

(Hf-W,

RЬ-Sr,

J-Pu-Xe, U-Pb) применительно

к проблеме формирования планет на примере системы Земля-Луна

.................................. 47

А. А. Пе-Захаров, А. М Кривцов

Расчет столкновительной динамики гравитирующих частиц для моделирования

образования системы «Земля-Луна» в результате гравитационного коллапса

пылевого облака ................................................... ,....................................................................... 61
О. Л. Кусков, В. А. Кронрод

Моделирование теплового режима Луны инверсией сейсмических данных

"""" """""""" 83

А. В. Витязев, Г В. Печерникова

Астрофизика и слабая форма гипотезы панспермии
Глава

11.

".""""""""""""""""""""" """"""""" 99

Реконструкция химических и геологических
условий на ранней Земле

А. А. Кадик

Формирование

N-C-H-0 летучих

соединений ранней Земли при плавлении

мантии и сегрегации металлической фазы""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 111
Э. М Галимов, Ю. В. Наточин, Б. Н. Рыженко, Е. В. Черкасова

Термодинамическое моделирование химического состава

первичной водной фазы Земли ..... " ........... " ......... " .... " .. """ .. "" ....... """""" .. " ....... " ... " .. " ..... 125
Е. В. Бибикова, А. А. Федотова, С. Клаэссон, М О. Аносова, Л. В. Шумлянский

Время зарождения континентальной коры в ранней истории Земли:

изотопное и геохимическое

(U-Th-Pb, Lu-Hf, REE)

изучение терригенных

цирконов архейских метаосадочных пород Сарматии"" """"""""""""" """."" """"""""" 14 7


Оглавление

4
А. А. Новоселов, С. А. Силантьев

Бащшс вещества в системе «атмосфера-гидросфера-кора» ранней Земли

.................... 167

Е. Б. Лебедев, Э. М Галимов

Физико-химические условия экспериментального моделирования формирования
металлического ядра Луны в условиях частичного плавления ............................................. 183

Глава

111. Теоретические

и экспериментальные исследования

предбиологических химических систем
А. И Коновалов, Л. Я. Захарова

Самоорганизация амфифильных соединений как основа эволюции биосистем:
от модельных синтетических супрамолекулярных ансамблей
к сложным гибридным биоорганическим и биологическим объектам ................................ 199
Ю. В. Наточин

Катионы околоклеточной среды

-

от возникновения жизни к появлению

внутренней среды животных .................................................................................................... 217
В. И Баранов, Л. А. Грибов, И В. Михайлов

Дополнительность детерминизма и множественности

существования биосферы

- необходимое условие
......................................................................................................... 231

В. А. Аветисов

О первичных носителях селективных функций

..................................................................... 247

В. А. Дементьев

Некоторые вопросы химической эволюции, решаемые средствами
молекулярного моделирования ................................................................................................. 265
С. Д. Варфоломеев, С. В. Лущекина, О. Н. Карпухин

Предбиологическая эволюция макромолекул. Термоцикл
и комбинаторного

- условие синтеза
отбора .......................................................................................................... 287

М С. Крицкий, Т. А. Телегина, Ю. Л. Вечтомова,
М П. Колесников, Т. А. Людникова, А. А. Буглак

Фотохимические реакции флавинов в эволюции процессов преобразования
энергии солнечного излучения ................................................................................................. 307
А. В. Лобанов, Г. В. Синько, Г. Г. Комиссаров

Молекулярные и ассоциированные хлорофилл и хлорофиллид: координационные

и фотохимические свойства в реакциях пероксида водорода ............................................... 319
В. А. Илатовский, Г. В. Синько, Г. А. Птицын, Г. Г. Комиссаров

Исследование фотоэлектрохимических свойств дисперсных систем,
содержащих хлорофилл и его синтетические аналоги в виде тонких слоев
на поверхности инертных и металлизированных носителей ................................................ 335


Оглавление

5

О. С. Неделина, О. Н. Бржевская, Е. Н. Дегтярев,
А. С. Зубков, Л. А. Чернозатонский

Молекулярные анионы и их предшественники в формировании
электрон-транспортных цепей, сопряженных с синтезом АТФ ........................................... .347
В. Л. Рапопорт, В. М Мшzкин, Е. А. Сафаргшzеева, К. И Решетова, В. В. Горючко

Люминесцентное исследование первичных стадий химической эволюции

с участием прочносвязанных стэкинг-агрегатов аденина и урацила

................................... 365

И А. Наговицьщ Г К. Чудинова, Г В. Синько, Г Г Комиссаров

Влияние пероксида водорода на фотосинтетические модельные системы

......................... 3 73

С. В. Цыганкова, А. А. Формановский, А. А. Чинарев, А. Б. Тузиков, Н. В. Бовин

Ассоциация олигоглицинов на слюде ...................................................................................... 381
Е. А. Кузичева, М Б. Симаков, Н. Б. Гонтарева

Влияние метеоритных подложек и лунного грунта на пребиотический синтез
нуклеотидов ................................................................................................................................ 395
С. А. Маракушев, О. В. Белоногова

Зарождение примитивного хемоавтотрофного метаболизма в гидротермах
и происхождение предковых таксонов прокариот ................................................................. .403
Г Г Манагадзе

Плазменные процессы в миссии

Глава

IV.

Deep Irnpact ........................................................................ .421

События и факторы эволюции биосферы

А. Л. Верещака, Д Н. Кулагин, А. А. Лунина,
А. С. Микаэлян, А. Е. Сивкович, А. Н. Ступникова

Роль фронтальных зон в эволюции морских экосистем

....................................................... .441

МС. Бараш

Причины великого вымирания на границе пер ми и триаса .................................................. .461
М А. Семихатов, В. Н. Сергеев, Н. Г Воробьева, Н. М Чумаков

Вендская микробиота уринской свиты Патомского комплекса Средней Сибири:
биостратиграфическое и эволюционное значение

................................................................. 477

М А. Ахметьев, Г Н. Александрова, В. Н. Беньямовский,
Ю. О. Гаврилов, Н. И Запорожец, С. М Ляпунов, Т. В. Орешкина,
К. А. Печникова, Б. Г Покровский, Е. А. Щербинина

Результаты биостратиграфического, литологического и изотопно-геохимического

изучения экосистемных событий рубежа палеоцена и эоцена ............................................. .499
Ю. Б. Гладенков, В. А. Захаров, В. Г Ганелин,
А. Ю. Гладенков, А. В. Дронов, О. А. Корчагин, М А. Рогов

Новые подходы к расшифровке развития палеоэкосистем фанерозоя
бореального пояса ...................................................................................................................... 525


Оглавление

6

Т. В. Кулаковская, Н. А. Аидреева, Н. А. Бреус,
В. М Вагабов, В. В. Дмитриев, Л. П. Рязаиова, И С. Кулаев

Исследование минералообразования в живых системах на примере фосфорных
минеральных соединений у дрожжей ...................................................................................... 551
О. Н. 3езииа

О продолжительности существования облигатных родов современной морской
фауны в разных широтных фаунистических поясах (по материалам исследования
брахиопод) и о возможностях океанологических палеореконструкций

.............................. 561

Г. Н. Батурии

Металлоносность биогенных фосфатных отложений Майкопского моря
и зон апвеллинга в современном океане

................................................................................. 567

П. Н. Маккавеев

Изменения карбонатного равновесия вод Мирового океана в прошлом

............................. 581

М М Филиппов, Н. С. Бискэ

Феномен «Шуньга» и его аналоги

........................................................................................... 597

Е. Ю. Голубкова, Е. Г. Раевская, А. В. Иваиовская

Закономерности латерального распространения микрофоссилий в вендских
нефтегазоносных отложениях непского свода Непско-Ботуобинской антеклизы
Восточной Сибири ..................................................................................................................... 615
В. Н. Подковыров

Литогеохимия вендских отложений юго-востока Сибирской платформы ........................... 621
Т. Н. Герман

Конструктивные особенности древних дрожжевидных клеток

Eosaccharomyces ...... """" 629

А. Г. Малыгин

Осцилляции жизнеспособности мышей в процессе их роста и старения " ... ""."" ... """" .. 635


ПРЕДИСЛОВИЕ

Эту книгу можно рассматривать в качестве второго тома к ранее опубликованной кол­
лективной монографии «Проблемы биосферы и ее эволюции» (изд-во

URSS, 2009).

Пред­

ставленные здесь работы являются продолжением исследований, проводившихся ранее

(2006-2008)

по одноименной программе Президиума РАН.

Сборник объединяет результаты исследований ученых, работающих в разных облас­
тях, использующих разные подходы, но связанных общим интересом к проблеме происхо­
ждения и эволюции жизни.

Никто не предложил решения, которое было бы приня~::о всеми. Элементы дискуссии
и разногласий между авторами присутствуют и в этом сборнике.
Но в целом можно сказать, что публикуемые материалы отражают представления,

складьшающиеся в российской школе исследования происхождения и эволюции биосферы.
Она отличается, прежде всего, тем, что включает в качестве непременной составляющей

представление о ранней истории Земли, в частности механизме возникновения системы
Земля-Луна. Именно здесь проявляется наиболее отчетливое отличие отечественной

школы от западной. Кажется странным, что возможны какие-то географические или
национальные различия в научных взглядах. На самом деле в вопросах, где еще нет окон­
чательного

решения,

может

устанавливаться

система

согласованных

взглядов

в

рамках

отдельной научной школы. Процесс установления и смены парадигм достаточно инерци­
онный.

В западной научной литературе до сих пор доминирует представление об образовании
Земли и Луны в результате катастрофического столкновения двух тел планетарного разме­

ра. Согласно этой гипотезе столкновение привело к обширному плавлению. Из расплава

и пара, выброшенных на околоземную орбиту, сформировалась Луна. Эта гипотеза имеет,
на мой

взгляд,

ряд

фатальных

недостатков.

Альтернативой

является

представление

об образовании Земли и Луны в качестве двойной системы из общего газопылевого супра­
планетного сгущения.

В этом сборнике я помещаю статью, в которой обе концепции
ментации газопылевого облака

-

-

мегаимпакта и фраг­

обсуждаются в сравнительной манере с точки зрения

того, в какой мере та или другая удовлетворяет ограничениям, вводимым изотопными
129
136

системами (Hf-W, Rb-Sr, U-Pb, J-

Xe, Pu-

Xe). Изотопные данные хорошо согласуют­

ся с идеей фрагментации газопылевого облака. Проблема, однако, состоит в том, что время

аккреции Земли из газопылевого облака в этой модели оказывается необычно большим:
~

120 млн лет.

Это ставит вопрос об условиях формирования и достаточно длительного

существования предпланетных газопылевых образований.
В настоящем томе эта проблема рассматривается в ряде работ: К. В. Брушлинского
с соавторами, М. Я. Марова с соавторами, А. А. Ле-Захарова и А. М. Кривцова, О. Л. Кус-


Предисловие

8

кова и В. А. Кронрода. Хотя сделанные там оценки носят предварительный характер, они

дакfг основание думать, что нас ожидает крупный шаг вперед в понимании механизма об­
разования и эволюции планетных систем.

Непосредственным продолжением рассмотрения механизма образования Земли как
планеты

является

исследование

ее

ранней

истории

-

первичной

дифференциации

и эволюции окислительно-восстановительного потенциала (Е. В. Бибикова с соавторами,
А А Кадик).

В центре внимания в этом сборнике, как и в предыдущем, находится проблема проис­
хождения и эволюции жизни.

В чем состоит феномен жизни? Наиболее часто называемые признаки жизни

собность

к

соединений

размножению,

самовоспроизведение,

специфика

структур

-

спо­

органических

не уникальны для жизни и могут быть присущи искусственно созданным

-

объектам. Наиболее общим представляется утверждение, что жизнь

-

это явление возрас­

тающего упорядочения материи.

В этом своем главном проявлении феномен жизни находится, казалось бы, в конфлик­
те с самым общим законом эволюции материи

-

законом, согласно которому все предос­

тавленное самому себе движется в сторону разупорядочения, в сторону хаоса и беспоряд­
ка, т. е. в сторону увеличения энтропии.

В

сборнике

возникновения

есть

несколько

сложных

З'1;мечательных

структур

из

простых

работ,

рассматривающих

предшественников

механизмы

(А. И. Коновалов

и Л. Я. Захарова, С. Д. Варфоломеев с соавторами, В. И. Баранов с соавторами). Синтез
супрамолекулярных структур, идущий в определенных условиях самопроизвольно, и мо­

лекулярные механизмы передачи информации подталкивают к идее, что «самоорганиза­

ция

-

фундаментальное свойство материи». Но это опасное утверждение. Оно предпола­

гает наличие цели. Примеров упорядочения вне всякой связи с жизнью можно привести
множество. Дайте источник энергии, обеспечьте диспропорционирование энтропии

пол)тчите акт упорядочения. Но жизнь

-

-

и

это последовательно возрастающее упорядоче­

ние. Главное не в том, как и почему упорядочение возникает, а почему оно возрастает.

Этот вопрос фактически разделяет науку и религию. Существует ли в природе объек­
тивный механизм построения из хаотического мира атомов и молекул высокоорганизован­

ной, включая разум, материи? Или во вселенной существует творческое начало, как бы мы
его ни называли, которое может выстраивать мир в соответствии с известной ему целью.

Если второе

-

то наука обречена копаться в деталях, пытаясь из любопытства уяснить

действия творца. Если первое

-

то предстоит ответить на вопрос, как может развиваться

все возрастающее упорядочение материи, наперекор, казалось бы, безусловному опыту,
сформулированному в виде второго закона термодинамики. Опыту, свидетельствующему,
что все сущее, предоставленное самое себе, т. е. без направляющей руки создателя (Бога
или носителя разума), приходит к разрушению, распаду и хаосу.
Естественный отбор играет осмысленную роль при существовании цели. У живых ор­

ганизмов есть цель

-

выживание. Естественный отбор как путь к достижению этой цели

лежит в основе концепции дарвинизма. Но на уровне молекул понятие выживания вырож-


Предисловие

9

дается в соотношение химических потенциалов. Оптимальное их соотношение наступает
в равновесии, т. е. не предполагает эволюции.

Я свою точку зрения по поводу концепции «развивающегося упорядочения» излагал

(в том числе в предшествующем томе «Проблемы происхождения и эволюции биосфе­

рьш). Поэтому не буду на этом далее останавливаться.
Хочу

обратить

внимание

на

интересные

статьи

М. Ф. Крицкого

с

соавторами,

В. А. Дементьева, а также на блок работ, посвященных проблемам фотохимии (О. С. Неде­
лина с соавторами, В. Л. Рапопорт с соавторами, несколько работ Г. Г. Комиссарова с соав­

торами).
Заключительная часть книги посвящена рассмотрению разных аспектов эволюции

биосферы. Эта тема настолько обширна и многопланова, что нельзя ожидать ее система­
тического изложения в нескольких статьях, написанных разными авторами. Тем не менее

здесь есть немало ценных наблюдений и идей.

Нужно иметь в виду, что предлагаемая книга -

не монография, написанная по заранее

составленному плану. Это собрание результатов работы более

40

научных групп

мических учреждений, вовлеченных в исследования по Программе №
(Подпрограмме

1:

25

11

акаде­

Президиума РАН

«Проблемы зарождения и эволюции биосферы»). Отсутствие концепту­

альной связанности является неизбежным недостатком такого произведения. Зато его пре­
имуществом является автономная ценность каждой отдельно взятой статьи без необходи­

мости обращаться к текстам, изложенным в других частях книги.
Координатор Программы №

25

академик Э. М Галимов


ГЛАВА

I

ДОПЛАНЕТНАЯ СТАДИЯ РАЗВИТИЯ

СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ


М Я. Маров, В. А. Дорофеева, А. В. Русол, А. В. Колесниченко,
А. Е. Королев, А. А. Самьткuн, А. Б. Макалкuн, И Н. Зuглuна

Моделирование формирования и ранней эволюции до планетных тел

.................................. 13

К. В. Брушлuнскuй, Г В. Долголева, В. Т. Жуков, Е. А. Забродuна,
М. С. Легкоступов, И С. Меньшов, Л. А. Плuнер

К вопросу об эволюции протопланетного диска Солнца

........................................................ 33

Э. М Галuмов

Анализ изотопных систем

(Hf-W,

RЬ--Sr,

J-Pu-Xe, U-Pb) применительно
.................................. 47

к проблеме формирования планет на примере системы Земля-Луна
А. А. Ле-Захаров, А. М Крuвцов

Расчет столкновительной динамики гравитирующих частиц для моделирования

образования системы «Земля-Луна» в результате гравитационного коллапса

пылевого облака ........................................................................................................................... 61
О. Л. Кусков, В. А. Кронрод

Моделирование теплового режима Луны инверсией сейсмических данных

........................ 83

А. В. Витязев, Г В. Печернuкова

Астрофизика и слабая форма гипотезы панспермии

............................................................... 99


МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ И РАННЕЙ ЭВОЛЮЦИИ ДОПЛАНЕТНЫХ ТЕЛ

М Я Маров
А. Е.

(*)

(*)

(*)

(**)

, В. А. Дорофеева , А. В. Русол , А. В. Колесниченко ,
(**)
(**)
(***)
(***)
Королев
, А. А. Самылкин , А. Б. Макалкин
, И Н Зиглина
(*)Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН.
(**)Институт прикладной математики им. М В. Келдыша РАН.
(***)

Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН.

Методами математического моделирования исследовано поведение твердого вещества в околосолнечном

газопылевом протопланетном диске от начала аккумуляции мелкой пыли до образования первых планетезима­

лей в зоне земных планет. Проведено численное моделирование процессов кластерообразования, рассмотрены
механизмы образования и роста пылевых сгущений за счет поглощения пыли и при столкновительных взаи­

модействиях, оценены значения их важнейших параметров. Сделан вывод, что зоне Земли планетезимали мас­

сой - 1021 -10 22 г и радиусом 50-100 км могли образовываться за время - 10 -10 лет. С помощью численного
3

4

эксперимента исследован процесс ударного взаимодействия тел с учетом скорости и характера их соударений,
а также внутренней структуры тел. Сравнение полученных оценок скоростей радиального дрейфа сгущений и
твердых тел к Солнцу со скоростями их разрушения и роста позволило сделать вывод, что в состав планет во­

шло не более несколько процентов всей массы пыли околосолнечного диска, и таким образом, начальная его
масса могла достигать

- 1О %

массы Солнца. Проведенное моделирование эволюции пьшевой околосолнечно­

го диска, позволяет существенно расширить представления о ключевых механизмах, лежащих в основе фор­
мирования и ранней эволюции планетных тел, в том числе и Земли, и зарождения ее биосферы.

слипания

Введение
Проблема зарождения жизни напрямую свя­

частиц понижается,

когда

образовав­

шиеся агрегаты становятся больше

О, 1-1 см,

а при увеличении размеров до

d~
d>> 10 см

она стре­

зана с допланетной стадией формирования Сол­

мится к нулю. Были приведены дополнительные

нечной системы, образованием и ранней эволюци­

аргументы против образования планетезималей

ей Земли и планет земной группы. К сожалению,

путем прямого роста при парных столкновениях

несмотря на колоссальный прогресс в изучении

частиц, в частности, быстрый дрейф к Солнцу тел

внеземного вещества, получение данных наблю­

метрового размера в результате потери ими углового

дений околозвездных аккреционных дисков, от­

момента при их торможении газом. Расчеты показа­

крытие экзопланет, совершенствование теоретиче­

ли, что тела размером

ских

моде­

стояния Земли достигают Солнца за время ~ 100 лет,

многих

из чего следует, что рост тел от дециметровых до

подходов

лирования,

мы

и

методов

еще

математического

далеки

от

решения

ключевых проблем планетной космогонии.

Одна из таких проблем

-

d ~ 1м

километровых размеров,

поиск физического

с радиального рас­

вероятнее всего,

проис­

ходил в пылевых сгущениях или вихрях.

Предложен механизм, согласно которому твер­

механизма объединения исходных пьшевых час­

тиц субмикронного и микронного размера в про­

дые

топланетные тела. Ранее (Маров и др.,

нами

штабных долгоживущих вихрях, которые образу­

бьши подробно проанализированы результаты экс­

ются в протопланетных дисках в результате ба­

периментальных и теоретических исследований

роклинных гидродинамических неустойчивостей

роста мелких пылевых частиц с учетом действия

этих дисков

2008)

частицы

могли

накапливаться

в

крупномас­

(Klahr, Bodenheiтer, 2003; Колесни­
Маров, 2006, 2009). Чтобы агломераты час­

поверхностных сил при взаимных столкновениях

ченко,

в условиях газопылевого околосолнечного прото­

тиц могли удерживаться и накапливаться в таких

планетного диска. Было показано, что вероятность

вихрях, требуется, чтобы начальные размеры аг-


Глава

14

1. Доnланстная

стадия развития Солнечной системы

Таблица
Начальные и конечные параметры пылевых сгущений (масса М, радиус
зующихся в результате их гравитационного сжатия за время

d(см)

(.

190
3,8 х 10

Мо (г)
(см)

R0

R 1 (см)
8 1 (г/см )
3

Wi
ломератов бьmи

2010)

- 10 см.

10

16

3,8 х 10

20

3,2 х 10

1,9
1,6 х 10

6,8 х 10

7,3 х 108

5,2 х 108

3,4 х 10

1,6х 10

8

1,3 х 108

6,2 х 107

2,7 х 107

7,0 х 10-5

7,0 х 10-5

3,5 х 10-5

1,7 х 10--4

8,3 х 10-4

IЗП

13П

15П

35П

78П

(Heng,

Кепуоп,

1 мм

до

см. Поскольку относительные скорости частиц

характерные

времена радиального

области

планет земной группы

0,05

лет (для области

вихрей может происходить их объединение, при­
аккумуляции

крупных

самогравити­

сжатия

пьmе­

ности и образования первых пылевых сгущений в

что при столкновениях агломератов частиц внутри

к

8

вого субдиска до достижения критической плот­

внутри таких вихрей очень малы, предполагается,

водящее

19

1,6 х 108

По оценке

(d)

0,3
20

20

8 х 108

размеры захватываемых в вихри частиц и их

обра­

w),

20

8 х 108

агломератов находятся в интервале от

1О

плотность ди угловая скорость

4

61
20

R,

в зависимости от размеров составляющих их частиц

2

1

(лет)

t0 ,

1

млн лет (для области

r = 2,5

r

=

0,7

составляют от
а. е.) до

0,1

млн

а. е.).

Бьmи также оценены время образования и мас­
сы первичных пьmевых сгущений в зависимости от

рующих тел размером О, 1-1 км. Однако предполо­

размеров образующих их пьmевых агрегатов. Так,

жение о такой аккумуляции в настоящее время не

при размере частиц

подтверждено экспериментально. Поэтому в дан­

ной работе авторами бьmи исследованы особенно­
сти образования, эволюции и времени существова­
ния пылевых сгущений, образующихся при грави­
тационной неустойчивости пьmевого субдиска.

- 1 см, массы первичных сгу­
щений составляют 1 х 1020 г < М < 9 х 1021 г, а при
22
размере - 10 см - 4 х 1020 г < М < 1 х 10 г. Время
образования сгущений в обоих случаях по порядку

не превьшшет 10 лет. При этом происходило сжатие
2

сгущения под действием собственного тяготения до
тех пор, пока центробежная сила не уравновесит

1.

Параметры пылевых

силу гравитации. Из этого условия получаются сле­

сгущений, образующихся

дующие значения радиуса сжавшегося сгущения
и его угловой скорости вращения ш 1 :

в пылевом субдиске

R-

Пылевой субдиск образуется при оседании
наиболее крупных (~

1О

R1

1-

a2R4Q2
о
MoG ,

т.
-1

M6G2

(1)

= аЗПЗRоб

см) пылевых агрегатов к

Значение коэффициента а варьируется от

средней плоскости газопылевого диска и пред­

ставляет собой плотный слой пылевого вещества

до

0,2

0,7 в зависимости от формы сгущения (Сафро­
1969); в расчетах принималось а= 0,5. Полу­

с массовым содержанием газа ~ 1 % от массы пы­

нов,

ли. Образование в субдиске пылевых сгущений

ченные результаты оценок параметров сгущений

происходит в

до и после их сжатия для различных размеров со­

результате

гравитационной

неус­

тойчивости при достижении некоторого критиче­

ставляющих

ского значения плотности пьmи. В работе (Маров

представлены в табл.

и др.,

2008)

было показано, что наиболее вероят­

его

агломератов

пылевых

частиц

1.

Другой важный параметр

-

время существо­

ным механизмом уплотнения пылевого субдиска

вания пылевых сгущений. Для его оценки нами

является его сжатие в радиальном направлении в

бьmо рассмотрено соотношение времени радиаль­

процессе

ного дрейфа сгущения к Солнцу (до

дрейфа

частиц,

находящихся

внутри

слоя, к центральной звезде. Расчеты показали, что

r = 0,1

а. е.)

из-за трения об окружающий их газ и времени, за


15

М Я. Марав и др. Моделирование формирования и ранней эволюции допланетных тел

KO'IOpoe

сгущение уплотняется, превращаясь в твер­

дое тело в процессе своего роста за счет поmоще­

порядок больше времени эволюции пьшевого суб­
диска

(< 0,5

млн лет (Марав,

2008))

и сравнимо со

ния пьши и столкновений с другими сгущениями.

временем аккреции планетных тел. Следовательно,

Расчеты проводились для условия

радиальным дрейфом пылевых сгущений можно

r = 1 а.

е.

к

пренебречь. Отметим, что если бы сгущения дрей­

Солнцу происходит за счет трения об окружающий

фовали не в пьшевом субдиске, а в газовом диске,

Радиальный

дрейф

пылевых

сгущений

газ. Сгущения, обращающиеся вокруг Солнца с

их время дрейфа т,. было бы на два порядка мень­

кеплеровской скоростью Vк, испытывают лобовое

ше. Полученная оценка относительно эволюции

сопротивление газа, движущегося вокруг Солнца

пылевых сгущений, как и другие оценки, приве­

со скоростью меньше кеплеровской на величи-

денные ниже, существенно зависит от значений

ну ЛVg = Acf / i:: Vк из-за частичной компенсации
притяжения Солнца радиальным градиентом дав­

ления

ci

=

газа

в

(~ Т ! µ)112
Rg -

в газе,

пьшегазовом

субдиске.

Величина

изотермическая скорость звука

-

газовая постоянная,

µ-

средняя мо­

лярная масса газа, параметр A=(p+q/2+3/2)12
содержит показатели степени в заданных радиаль­

ных распределениях поверхностной плотности и

температуры газа в субдиске crg

= crg 1(r/1

а.е.)-р,

Т = 1j (r /la.e.)-q, в которых значения параметров
при

r= 1

а. е. помечены нижним индексом

раметр Е = Pd / Pg -

1.

Па­

отношение плотностей твердой

o-g,

Т и других входных параметров, возможные ва­

риации которых необходимо учесть в дальнttйших
исследованиях.

Как видно из выражения (2), для того, чтобы
5
пылевые сгущения за время - 10 лет не покинули
зону образования Земли, необходимо увеличение
их массы и/или плотности. Один из возможных
механизмов увеличения масс сгущений

-

взаим­

ные столкновения. Чтобы получить оценку харак­
терного времени между столкновениями, примем

в качестве типичного различия масс сгущений ве­
личину ЛМ

=М / 2

и рассчитаем разность ради­

альных скоростей для тел разных масс

=Vr(M)-Vr(M/2),

Л Vr

=

которую примем в качестве

средней относительной скорости сталкивающихся

и газовой фаз в субдиске. По результатам расчета

сгущений. В результате получим оценку времени

модели эволюции субдиска (Марав и др.,

столкновения сгущений, приводящих к удвоению

лучено & =

150 в

области

r ""' 1 а.

2008)

по­

е. В результате со­

их массы:

противления газа сгущения передают ему угловой

м21з

'tc =

момент и, уменьшая радиус своих орбит, прибли­
жаются к Солнцу. Из решения задачи орбитального
движения

крупного

тела,

испытывающего

притя­

011з
с

fj~crd лvr

где коэффициент р - 3х10-3

-

'

3х10-2 соответст­

жение центрального тела и силу сопротивления со

вует малой массовой доле пыли, изначально во­

стороны окружающей

шедшей в состав сгущений. Параметр

среды,

можно рассчитать

.;

зависит

скорость радиального дрейфа сгущения с массой М

от

и плотностью Ре, используя соотношение

эффективности слияния при соударении и варьи­

d

vr = -

:i =в

(
1

~.е.

соотношения

размеров

рует в пределах.;=

)-p+q/2

0,5-1,85.

ос = о

(2)

1

при размерах частиц в сгущении

(см. табл.

тел

и

Как и в случае оцен­

ки 'tr, для оценки 'tc примем значения М

'

где

сталкивающих

=

М0 и

d = 10

см

1) и получим время удвоения массы

сгущений в результате столкновений 'с =(О, 1-1) х
Для значений параметров сгущений М

х107 ~-l лет. Как видим, эта величина сравнима с

= М0 ,
o-g 1 =

характерным временем радиального дрейфа 1 r и

= 2500 г см- , Т1 = 500 К,µ= 2,4 получаем скорость

значительно больше времени эволюции пьшевого

см с- , что дает время пере-

субдиска. В отсутствие пьшевого субдиска харак­

ос = о

1

из табл.

1

и параметров для газа

2

0 75
Vr ""'O,l(r /la.e.)- •

1

носа от 1 а. е. до 0,1 а. е.

'tr =

8х10 6 лет, что на

терное время между столкновениями сгущений

бьшо бы в 102 - 103 раз меньше. Также к значитель-


Глава

16

1. Допланетная

стадия развития Солнечной системы

Скорость роста массы сгущения за счет по­

ному уменьшению времени между столкновениями

СJtlдений могло привести изменение входных па­

глощения пьmи определяется уравнением:

раметров, например существенное увеличение тем­

dM / dt = ~nR ~el Pd,

2

пературы в диске.

Эффективный

механизм

увеличения

массы

сгущения, сопровождающийся его уплотнением,

-

t; ~ 1 определяет

где параметр

рическому сечению

(7)

поправку к геомет­

столкновения частицы,

пред­

это поглощение им окружающих пьmевых частиц.

ставляющей собой рыхлый пылевой агломерат, со

Заметим, что при большой доле пьmи, изначально

сгущением

не вошедшей в состав сгущений, случайные скоро­

частицы.

сти сгущений определяются их взаимодействием с

из-за

сопротивления

газа

Подставив в это уравнение зависимость радиу­

пьmевыми частицами. Средняя орбитальная ско­

са сгущения от массы из

рость пьmевых частиц Vdq> относительно круговой

Лt

скорости определяется взаимодействием частиц с

0
Лt=_!_[(МJ
-1]1
,где1
=
А:[
0
0
Мо
~ тtR1

газом и приблизительно равна

IVd<p

1

~ ЛV / Е. Если

(6),

интегрируя его, найдем

время роста массы сгущения от М

принять, в соответствии с (Маров и др.,

&=

2008),

для

1

=

50 м/с, получим 1vd<p1~30 см/с. От­

носительная скорость пьmевой частицы и пьmевого

сгущения получается по формуле

где

Vi; -

случайная скорость пьmевых частиц, воз­

никающая при взаимодействии с турбулентным га­

зом; для десятисантиметровых частиц
Тогда из уравнения

(3) следует Vre 1 ~ 45

v; ~ 30 см/с.

см/с.

По нашей оценке при поглощении пыли сгущением его момент количества движения относи-

тельно центра масс возрастает лишь незначитель­

но (в пределах

1-3 %),

и поэтому его можно счи­

тать постоянным. Момент количества движения
сгущения К

,

его масса Ми радиус

R

связаны ус­

ловием равновесия частиц на орбите относитель­

но центра масс сгущения (Сафронов,

К= 3._к(r:,G~) 112 М,
5

10

характерное время роста мас­

-

сы сгущений в начальный момент (время удвоения

ны значения

d = 1 см

d = 1О см.

10
и

~

1О

10

~

(4)

лет при размере пьmевых час-

30

лет при размере частиц

Поскольку начальные параметры сгуще­

ний зависят от размеров входящих в них частиц

(см. табл.

1), то, согласно расчетам, увеличение
плотности сгущения до ~ 1 г/см 3 и образование
твердого тела за счет пьmевых частиц

d

=

1 см дос­
3 раза,

тигается при увеличении массы сгущения в

сопровождающемся одновременным уменьшением

радиуса в

27 раз, за время Лt = 3500 лет, а при разме­
ре частиц d = 1О см - за время Лt = 9600 лет. Отсю­
да следует, что сжатие сгущений при увеличении
массы за счет поглощения частиц и мелких тел

-

это эффективный процесс, который мог приводить

бразованию планетезималеи массои ~ 1021 - 1022 г
3
4
и радиусом 50-100 км за время Тр ~ 10 -10 лет.
u

к о

1969):

(8)

массы при неизменном радиусе). Для него получе­

тиц

(3)

.

Vrel Pd

Параметр

е. на стадии образования пьmевых сгущений

150, лv

до М:

0

-

7

r = 1 а.

движению

u

Существенное изменение входных параметров

задачи об эволюции пьmевых сгущений (в частно­
единицы и зави­

сти распределения температуры и поверхностной

сят от распределения массы в сгущении. Полагая

плотности газа и пьmи в протопланетном диске и

где коэффициенты к и

к=

r:; порядка

r:, = 1 и возводя в квадрат соотношение (4), по-

субдиске) приведет к существенному изменению
значений характерных времен рассмотренных про­

лучаем, что при поглощении пыли сгущением

цессов

M 3R=const.
Из

(5)

( тг,

Тс и

ip)

в зоне образования планет земной

(5)

группы, но не изменит вывода о главной роли сжа­

мы получаем, что при увеличении мае-

тия пьmевых сгущений до превращения их в твер­

сы сгущения

с сохранением момента количества

дые тела за счет поглощения пьmевых частиц. Вре­
мя этого процесса

движения

Rосм-3 , 0=_2._~-3 осм 10 .
4тс

ip

остается много меньше харак-

терного времени между парными столкновениями

( 6)

сгущений т0 и времени их радиального дрейфа Тf.


М Я. Марав и др. Моделирование формирования и ранней эволюции допланетных тел

Время

существования

пылевого

17

субдиска

ранних наблюдений и предполагавшаяся в теории

определялось временем дрейфа пылевых частиц

образования планет из диска <<МИнимальной мас­

из его удаленных частей к Солнцу и составляло

сьш (Сафротюв,

~(1-5)-10 лет (Марав идр., 2008). В течение боль­

околозвездных

шей части этого времени могли одновременно су­

ные

нами

ществовать и пьmевые сгущения, и образовавшие­

~ О, 1

%

ся из них планетезимали, и пылевые частицы, не

ных пьmевых сгущений, а затем еще несколько

вошедшие в состав сгущений и планетезималей.

процентов массы пьmи бьmи аккумулированы рас­

Из приведенных выше результатов наших расчетов

тущими сгущениями и планетезималями и таким

следует, что сгущения, прежде чем превратиться в

образом вошли в состав планет.

5

1969).

Новым данным наблюдений

дисков

результаты,

не

противоречат

согласно

получен­

которым

лишь

всей массы пьmи вошло в состав первич­

твердые тела, вычерпьшали массу пьmи в несколько

раз больше своей начальной массы. В этом смысле
эффективность

вычерпывания

пьmи

растущими

допланетными телами бьmа высокой.

Численное моделирование

2.

столкновений частиц

С другой

стороны, из результатов расчетов (Маров и др.,

2008)

и твердых тел

следует, что к началу образования допланет­

ных пьmевых сгущений в зоне образования планет

При эволюции сгущений механизм укрупне­

земной группы в составе пылевых частиц находи­

ния пьmевых частиц и аккумуляции в них твердых

лась приблизительно в

тел, по-видимому, обусловлен столкновительными

дого вещества,

чем

15 раз

большая масса твер­

суммарная

масса планет зем­

взаимодействиями.

В

предыдущих разделах

мы

ной группы. Следовательно, масса пьmи, по край­

обсуждали вопрос о физических процессах, за счет

ней мере, на порядок большая той, которая была

которых возможно укрупнение отдельных пьmевых

поглощена допланетными телами и пошла на фор­

частиц в условиях протопланетного диска, и при­

мирование планет земной группы, бьmа потеряна

водили некоторые вероятностные оценки. Теперь

из зоны их образования. Как следует из современ­

обратимся непосредственно к моделированию про­

ных моделей, пьmевые частицы в результате ради­

цессов

столкновений,

используя два модельных

ального дрейфа, обусловленного трением о газ в

подхода:

протопланетном диске, приближались к Солнцу и

обладающих примерно одинаковыми физическими

испарялись вблизи него. Поскольку в диске суще­

свойствами, и

ствовали турбулентные движения газа, причем во

(тел) при различных условиях взаимодействия.

1)

кластеризация конгломерата частиц,

2)

физическое столкновение частиц

внутренней зоне наиболее вероятным источником
турбулентности

была

магнитно-гидродинамиче­

2. 1.

ская неустойчивость течения газа, то происходил

Численное моделирование
процесса кластеризации

эффективный перенос массы и углового момента
по радиусу диска и выпадение газа на Солнце (см.

Изучение динамики частиц и кластерообразо­

Испарившее­

вания при достаточно большом (> 106) числе мо­

ся в.ещество пьmевых частиц, смешавшись с водо­

дельных объектов эффективно обеспечивается ме­

родом и гелием, также вьшадало на Солнце, что

тодами молекулярной динамики, хорошо зареко­

подтверждается данными об обогащении его фото­

мендовавшими себя при моделировании процессов

сферы тугоплавкими элементами (Chaтbers,

2010).

в разреженных газах. Такой подход требует приме­

Заметим, что обнаружение крупных пьmевых агре­

нения современных схем численного моделирова­

гатов в дисках вокруг молодых звезд

ния Монте-Карло с использованием метода пере­

ссьmки в статье (Маров и др.,

2007)

2008)).

(Natta et al.,

позволяет предположить, что массы около­

менных весовых множителей. Предлагаемая мо­

звездных дисков (или пылевой фазы этих дисков)

дель

бьmи занижены при интерпретации наблюдатель­

частиц в ячейках Белоцерковского---Яницкого, ко­

ных данных об их оптической толщине, так как не

торая построена на основе метода частиц в ячейках

бьmо учтено присутствие крупных частиц. Вероят­

Харлоу в статистической трактовке Берда и идей

но, массы многих дисков могут быть на порядок

Каца о существовании моделей, асимптотически

больше, чем величина ~ 1 %

эквивалентных уравнению Больцмана (Берд,

Ms,

оцененная из более

является

развитием

статистического

метода

1981;


18
Кац,

Глава

1965).

1. Допланетная

стадия развития Солнечной системы

Кроме того, в весовой модели введены

одинаковые массу т и диаметр

на протяжении

d

переменными массами

всего времени моделирования. Принципиально но­

(fщаметрами), что позволяет учитывать упругие и

вой в рамках весового подхода является разрабо­

в рассмотрение частицы с

неупругие парные взаимодействия частиц, имити­

танная нами модифицированная расчётная схема,

ровать процессы зарождения кластеров и их роста,

позволяющая моделировать процессы кластерооб­

моделировать

разования и когерентного поведения в диссипатив­

различные

типы

взаимодействий

частиц с кластерами и границами фаз.

ных молекулярных потоках и уподобляемых им

В случае, когда суммарная масса частиц ста­

потоках массивных частиц. Это стало возможным

новится довольно большой и появляется самосо­

при отказе от постоянных значений масс т и

гласованное поле,

диаметров

использование статистических

d для

всех частиц и переходу к схеме с

методов молекулярной динамики становится ма­

индивидуальными для каждого модельного пред­

лоэффективным.

ставителя

времени значе­

способами решения таких задач являются иерар­

ниями

Таким образом,

хические методы, среди которых самым простым

список персональных характеристик каждой

является алгоритм Барнса-Хата, который

дельной частиць1 пополнился ещё двумя и стал ра-

пользовался

Наиболее

нами

для

распространенными

исследования

и ис-

эволюции

кольцевой области протопланетного диска.

Ai и переменными во
m;(t), d;(t) соответственно.

вен (в 3-мерном случае) шести:

(w;, m;, d;,
t.

мо-

х;, у;,

z;).

Все параметры зависят от времени

В дальнейшем, без ограничения общности, в

Суть имитационной модели столкновитель­
ной релаксации, используемой в весовой схеме,

случае

состоит в том, что рассматриваемый газ в однород­

дельных частиц А; и Ап с относительной энергией

ном объеме

V заменяется системой из сравнитель­
3
но небольшого числа модельных частиц N ~ 10 .

ER,

Поле течений разбивается на ряд областей или яче­

объединения (слипания) двух подмножеств реаль­

ек, размеры которых малы по сравнению с харак­

ных молекул равной мощности, испарения моле­

терными масштабами изменения геометрических

кул с поверхности кластера, разрушения кластера

параметров среды. Время считается дискретным и

при столкновении, а также перехода кинетической

характеризуется шагом Лt, который мал по сравне­

энергии столкновения во внутренние степени сво­

нию со средним временем между столкновениями.

боды. Вводится пороговая функция аь которая оп­

Случайный процесс строится как последователь­

ределяет условие реализации слипания:

ность

столкновений

частиц,

разыгрываемых

столкновительного

взаимодействия

мо­

меньшей порогового значения Ер, предусмот­

рена возможность моделирования конденсации

по

схеме Монте-Карло. Для пространственно неодно­

crk =

родных нестационарных задач на каждом времен­

ном шаге, наряду с этапом столкновений, имитиру­

{1,

О, приЕп > Er,
при Еп

< Er.

-

.

В общем случае, при кластерообразовании

ется этап пространственного сдвига, в ходе которого

могут

возможен переход частиц в

действий в зависимости от начальных условий.

соседние пространст­

реализовываться

венные ячейки расчетной области. Алгоритм «под­

Например, если

держивает» в ячейках постоянное число частиц не­

цию типа

зависимо от интенсивности переходов, как на рав­

2
w < min(w1,

~

w

2.

=

различные

min(w1,

типы

взаимо­

wп), то получим реак­

В другом возможном случае при

wп) получаем более сложную комби­

номерных сетках, так и на переменных. При этом

нацию типа

алгоритм естественным образом сохраняет это ус­

реализовать

все

ловие при работе с адаптивными сетками. Без ка­

(тип

до образования многочисленных ос­

ких-либо принципиальных изменений в данном ал­

колков (тип

горитме возможно рассмотрение осесимметричных

и трехмерных течений.

1981;

Кац,

1965)

~

1)

2

~

~

позволяет существенно по­

3.

Весовой подход позволяет

сценарии

S, S

~

от

полного

слипания

2).

Здесь мы ограничимся подробным рассмотре­
нием схемы типа

Переход к весовым схемам моделирования

(Берд,

2

2

2 ~ 2,

к которой относится, в ча­

стности, процедура моделирования коалесценции

частиц. Для нее принципиальным моментом являет­

высить эффективность работы данных алгоритмов.

ся пересчёт значений масс, диаметров и скоростей

В наиболее распространенных вычислитель­

вновь образованных объектов. В схему моделирова­

ных схемах

DSMC

(Берд,

1981)

все частицы имеют

ния кластеров бьшо добавлено условие потери час-


М Я. Марав и др. Моделирование формирования и ранней эволюции допланетных тел

19

1.бе-09
1.4е-09

1.2е-О9

1.бе-09

le-09
1.4е-09

conc,m-3

8е-10

1.2е-09

бе-10
4е-10

le-09

2е-10

Ве-10

о

бе-10
4е-10
2е-10

о

2

size

time, s
Рис.

1.

Эволюция концентрации кластеров различного размера с течением времени

ти энергии частицами при слипании. Детали этого

равной

подхода можно найти в работе (Марав и др.,

ции

2010).

Метод обладает большой общностью и позво­
ляет, вообще говоря, распространить его на моде­

0,55

зависимость эволюции концентра­

кластеров

ставлена на рис.

от

их

размера

и

времени

пред­

1.

При различных вероятностях слипания эволю­

лирование взаимодействия частиц любых разме­

ция концентрации кластеров, состоящих из

ров, включая крупные твердые тела, образующиеся

тиц, представлена на рис.

в течение первого миллиона лет. Здесь, в качестве

повышение

примера, приведены результаты численного моде­

только к более быстрому росту кластеров, но и к

лирования пространственно-однородной релакса­

большим максимальным значениям концентрации

ции тел («макрочастиц») со следующими пара-

кластеров соответствующих размеров. Этот эффект

-13

-3

вероятности

2.

1О

час­

Из графика видно, что

слипания приводит не

= 2 , 5 10
м
; масса
кг; диаметр d= 2750 м;
300 м/с. Во всех после­

можно объяснить инерционностью слипания: кла­

дующих расчетах данной части в начальный мо­

приводит к кратковременному перенасыщению.

мент времени все частицы имеют одинаковые массы

Была исследована зависимость вероятности

и диаметры, а скорость имеет нормальное распре­

кластерообразования от относительной скорости

деление с дисперсией, равной cd. Никаких воздей­

столкновения. Показано, что кластерообразование

метрами:

концентрация

макрочастицы т

=

п

6,0 10

11

дисперсия скоростей cd =

стеры более высокого порядка еще не успевают об­
разовываться из кластеров низкого

порядка, что

ствий извне не происходит, т. е. систему частиц

на быстрых частицах происходит намного быст­

можно отнести к закрытому типу.

рее (рис.

Вначале рассмотрим процессы,

в

которых

двух

3).

частиц

При этом вероятность столкновения
прямо

пропорциональна их относи­

посто­

тельной скорости, а выбор наиболее быстрых час­

янна и не зависит от других параметров. При ве­

тиц приводит существенному ускорению класте­

роятности слипания двух столкнувшихся частиц

рообразования.

вероятность

слипания

двух

макрочастиц


20

Глава

1. Допланетная

стадия развития Солнечной системы

2.5е-10

025 .. "".
0.45 ················
0.85 - -

2е-10

········

1.5е-10

"!

Е
о

с
о

()

1е-10

5е-11

.....

о

....

.....

2Е+О4

ЗЕ+О4

~~~--'~~~~

1Е+О4

ое+оо

~~~~

.......

~~~~.._~~~

4Е+О4

~~~~......_-

5Е+О4

6Е+О4

Time, 104 s
Рис.

2.

Эволюция концентрации кластеров при различных вероятностях слипания

Slaw-Fast "_"" __ _

,,..-.... ......._

;

1е-10

;

,t

f

f/
Ве-11

"·е
u·

-~~

/

/

1

'"~"-....

..... " ... " ......" ..... "
•• •••

с0 •

/ /
: Jf
J '

··.,,_со• 250

m/s

······-•.~:~---...___ __
150 m/s ·-•• ,

-..... •• __
. . . ,"................

... "...

li
J f

Ве-11

........ "......". . . . "~ ...... "_

__

" ....... ,,.__

--

1 1

с
о

1/

()

i'

1/

4е-11

;:

1!

2е-11

/i

1/

1:

/1

!l

J

0"""''------'------'------'------'------'-------'~

ОЕ+ОО

1Е+О4

2Е+О4

ЭЕ+О4

4Е+О4

5Е+О4

6Е+О4

Timв, 1a4s
Рис.

3. Эволюция концентрации кластеров в зависимости от относительной скорости частиц

Исследовано также влияние начальной отно­
сительной скорости частиц на процесс кластеро­

образования. На рис.

является распределение относительных скоростей
частиц в системе.

показана зависимость раз­

С использованием данного метода было про­

мера максимального кластера в системе при раз­

ведено исследование взаимодействия двух газо­

ных дисперсиях скоростей. Из графика видно, что

пылевых облаков при их столкновении. Поста­

максимальный размер кластера прямо пропорцио­

новка задачи показана на рис.

нален начальной дисперсии системы, ее «темпера­

область х

туре» на старте эксперимента. Таким образом, од­

двумя облаками макрочастиц.

4

ним из существенных параметров, влияющих на

ход

эволюции

процессов

кластерообразования,

= 600 км

на у=

5: дана двумерная
300 км, заполненная

Без ограничения общности можно перейти в
систему отсчета, в которой правое скопление поко-


21

М Я. Марав и др. Моделирование формирования и ранней эволюции допланетных тел

7.ОЕ+О4

,....--

/

6.ОЕ+О4

5.ОЕ+О4

/

/

_____

4.ОЕ+О4

.~

Co•270rnls

ф

1

__...._/

,."-·-_..,.....

Э.ОЕ+О4

... ·-----------.........

./

~·/
Co•150rnls
.••/
/;:-::-·····
·····································----··

2.ОЕ+О4

1.ОЕ+О4

,./~/,,.

.,.-~-------

________Со_я_9_о_m1~------·--------······"

.;:/

0.ОЕ+ОО

Co·ЭOrnls

-=='-----'-------'------..______._______,__

ОЕ+ОО

2Е+О7

1Е+О7

ЭЕ+О7

4Е+О7

5Е+О7

Tirne, s
Рис.

4.

Эволюция кластера наибольшего размера в системе при различной относительной скорости слипания

ится, а левое

100 м/с.

-

движется со скоростью

v

~

х

20-

Для того чтобы полностью описать столк­

новение двух сгущений необходимо знать пара­
метры макрочастиц, из которых состоит сгущение,

у

степень пересечения сгущений при столкновении

и их относительную скорость. Параметры макро­
частиц, их которых состоят сгущения, и парамет­

ры самих сгущений представлены в в табл.

2.]

При столкновении двух макрочастиц выделя­

Рис.

5.

Постановка задачи столкновения массивных
пылевых сгущений

лось тепло Q = 1,6· 10 Дж. Если относительная ки­
13

t=Os

нетическая энергия двух макрочастиц К= 0,5·mr·v}
была меньше, то частицы слипались. Если К>

t = 600

s

Q,

то относительные скорости частиц изменялись в

соответствии с механикой неупругого удара.

Общий характер взаимодействия макрочастиц
можно проследить по изменению их масс (диамет­

ров) в различные моменты времени (рис.

6).

Основной процесс, который нас интересует

-

как будет изменяться суммарная масса кластеров
при изменении массы частиц, из которых состоит

правое облако. Предполагается, что удельная и

Рис.

6.

Изменение формы (диаметров) двух сталкиваю­
щихся макрочастиц с течением времени

числовая плотности остаются неизменными.

На рис.

7

представлен характер изменения

массы кластеров от отношения масс частиц. Не­

кластера начинает давать более тяжелый сорт
частиц.

линейный характер изменения суммарной массы

Теперь рассмотрим изменение массы класте­

кластеров объясняется тем, что уже при отношении

ров от скорости набегающих облаков. Нас интере­

масс частиц больше

сует, как изменяется масса кластеров при измене-

1/3

суммарный вклад в массу


22

Глава

1. Допланетная

стадия развития Солнечной системы

1

0.95

0.9

0.85
~

-:;;

0.8

.а

u

:;:

0.75

0.7

0.65

О.б '-----'----'-----'---""------'-----'-----'---.._----'----~
о
0.1
03
0.4
0.5
о.б
0.7
02
о.в
0.9
1

Ml/M2
Рис.

7.

Зависимость относительной массы кластеров от изменения массы частиц

единяющей центры облаков, на ось, перпендику­
Таблица

2

лярную вектору относительной скорости. Зависи­
мость массы кластеров от части пересечения вы­

Параметры макрочастиц, из которых состоят скопления,
и параметры каждого из облаков

глядит следующим образом (рис.

-

1О).

Общий характер изменения суммарной массы

Параметр

Значение

Масса макрочастицы

8· 10 кг

Диаметр макрочастицы

100 м

Удельная плотность

5000 кг/м 3

Числовая плотность

1,68·10-9 шт/м3

что при больших встречных скоростях макрочас­

Количество макрочастиц

136 ООО

тиц (до

Масса облака

1,08·10 кг

·-

8

кластеров в зависимости от относительной скоро­

сти и области пересечения скоплений представлен

--

на рис.

200км

Область пересечения

100 км

500

м/с) происходит большое количество

столкновений и, как следствие, обильное класте­

14

Диаметр облака

11.

Численные эксперименты привели к выводу,

рообразование (почти все частицы

Уменьшение встречной скорости до

слипаются).

300 м/с

при­

водит к уменьшению числа столкновений и при­
мерно равной концентрации частиц и кластеров в

нии относительной скорости облаков в диапазоне

20-100 м!с

(рис.

8).

Характер изменений

-

почти

линейный.

середине рассматриваемой области.

Чтобы облака прошли друг сквозь друга, необ­
ходимо уменьшить либо их относительные посту­

Общий характер изменения суммарной массы

пательные скорости, либо концентрации частиц.

кластеров в зависимости от относительной скоро­

Однако как показали численные эксперименты,

сти и отношения масс частиц представлен на рис.

уменьшение скорости даже до

Столкновение двух

сгущений

9.

может зада­

ваться также областью пересечения этих облаков.

10 м/с

не приводит

к сквозному пролету.

На рис.

12

представлены рез)[!ьтаты исследо­

Рассмотрим два сгущения одинакового диаметра.

вания зависимости суммарной массы продуктов

Областью пересечения будет проекция линии, со-

взаимодействия частиц, не покинувших расчетную


М Я Марав и др. Моделирование формирования и ранней эволюции допланетных тел

23

1.4

1.3

s

u""'

1.2

~

1.1

1

0.9
20

30

50

40

60

70

80

90

100

Vel. m/s
Рис.

8.

Зависимость суммарной массы кластеров от относительной скорости облаков

1

0.9

!"'"

-

о.е

\Л

~

u

:!:

'О

0.1

0.2

О.б

o.s

0.8

0.7

о.6

o.s

М1/М2
Рис.

9.

0.4

0.3

0.2

Зависимость массы кластеров от относительных масс облаков и их скорости


Глава

24

1. Допланетная стадия развития Солнечной системы

1
0.98
0.96
0.94
0.92
::Е
"С

0.9
0.88
0.86
0.84
0.82
0.8
0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.7

0.6

0.8

0.9

ln tersection
Рис.

10. Зависимость суммарной массы кластеров от степени пересечения. 1 -

полное пересечение, О

-

облака не пере­

секаются

~

"О

0,8

\ntersee.t\on
Рис.

11.

Зависимость массы кластеров от относительной скорости и области пересечения

область за характерный временной интервал, рав­

проследить характер эволюции поля концентра­

ный времени пролета частиц сквозь область взаи­

ций и наложить вполне определенные ограни­

модействия, от начальных концентраций и диа­

чения на условия

метров тел. Расчеты показали, что при определен­

щениях (кластерообразования). Это подкрепляет

ном соотношении данных параметров линейный

представления о начальном этапе образования

характер зависимости нарушается.

зародышей планет вследствие возникновения в

Как видим, результаты численных экспери­

слипания макрочастиц в

сгу­

протопланетном диске первичных пылевых сгу­

взаи­

щений и их взаимодействий, как о значитель­

модействия массивных пылевых сгущений в за­

но более вероятном механизме, чем рост пыле­

висимости

вых частиц при непосредственных соударениях

ментов

по

изучению

от

столкновительного

концентрации

частиц

и

относи­

тельных поступательных скоростей позволяют

в диске.


25

М Я. Марав и др. Моделирование формирования и ранней эволюции дОiшанетных тел

_____ .. -------------------------------~:.::.-·
""--------

0.8

No = 0.63

Е-15, m~ - -

_,,",•.-·''

N0 = 1.26 Е-15, m_3 ------N0 0.32 Е-15, m ·-······

_..

,-

./

//

...

,,

""

/

,'/

0.4

..""."".

,,,,,
,

....····

///

...........
"."

..······

..······

,/,/
0.2

••••••••• "·········

,,--'

=

0.6

."."""."."··

--

..."··"'

..····

,,,,,, ...·············

D,m

..::: ... ····_ _ __ _ J i - - - - - ' - - - - - ' - - - - - ' - - - - - ' - - - - - ' - -

OL..ol~=..-.1.

1000

3000

2000

5000

4000

6000

7000

Рис. 12. Зависимость суммарной массы кластеров от диаметров при начальной концентрации частиц N0 = О,63·10- 15 ,
1,26·10-15 , О,32·10- 5 м- 3

2.2.

Численное моделирование

частиц, формирующих моделируемые тела (диа­

физических столкновений тел

пазоны диаметров и плотностей частиц).

Точный учет процессов, проходящих в зоне

контакта при столкновениях тел, требует решения
сложной контактной задачи с учетом как геомет­

рической, так и физической нелинейности. При
моделировании столкновений с участием десят­
ков тысяч частиц, решение такой задачи для каж­

дой пары частиц представляется нецелесообраз­
ным, а в некоторых случаях

-

невозможным.

В рамках данной модели ударное взаимодей­
ствие тел в зависимости от скорости соударения и

внутренней структуры объектов, а также свойств
образующих их частиц может приводить к полно­

му или частичному разрушению одного или обоих
объектов с последующим рассеиванием их фраг­

Моделируемые тела

представляются

или несколькими совокупностями

N

одной

частиц. Час­

тицы, принадлежащие совокупностям с разными

физическими свойствами, могут быть локализова­
ны, моделируя многослойный объект, или распола­

гаться хаотически во всем его объеме. Математиче­
ская реализация модели потребовала существенной
модификации широко используемого в молеку­

лярной динамике метода частиц (см" напр"
Иствуд,

( Хокни,

1987)), оперирующего либо жесткими час­

тицами, которые не могут проникать друг в друга,

либо жидкими частицами, которые объединяются

при контакте, но не учитывающего эффектов внут­
реннего строения и перераспределения энергии в
зоне контакта частиц.

ментов либо полному или частичному разруше­

Для обеспечения адекватности численной мо­

нию одного или обоих объектов с последующим

дели физическому поведению частиц при столк­

частичным восстановлением (аккумуляцией всех

новениях без существенного увеличения вычисли­

или

тело).

тельной сложности нами использовано феномено­

Входными параметрами модели являются харак­

логическое описание перераспределения энергии в

теристики моделируемых тел (строение

диф­

зоне контакта. В настоящий момент реализована

большинства

фрагментов

в

единое

-

ференцированные или нет, плотности недиффе­

зависимость количества расходуемой энергии от

ренцированных тел, распределение плотностей по

плотности

глубине дифференцированных тел, относительные

тельной скорости столкновений. Такой механизм

скорости тел в пространстве) и характеристики

позволит в дальнейшем произвести пропорцио-

и размера частиц,

а также от относи­


26

Глава

нальное

распределение

1.

Допланетная стадия развития Солнечной системы

энергии

по

процессам

в

ЗОНf контакта: тепловой выход, фазовые переходы,

для набора параметров n; в
приняты значения

Параметр

деформирование, разрушение.

соотношениях

(9)

{1, 2, 3, 4, 5}.
входящий в

Kv,

(9),

описывает за­

частиц,

висимость коэффициента восстановления от ско­

являющийся модификацией метода частиц, по­

рости соударения и в данной модели вычисляется

зволил учесть внутреннюю структуру объектов и

следующим образом:

Предложенный

метод

проницаемых

сложный характер их взаимодействия. Суть предла­

гаемого подхода заключается в том, что при фор­

(10)

мировании начальных конфигураций, а также при
постоянном шаге по времени частицы при взаимо­

действии могут образовывать пересечения. Исходя
из физических свойств частиц, а также относитель­

ных скоростей, вычисляется коэффициент восста­
новления для

ний.

Для

моделирования процесса

численного

столкнове­

моделирования

процессов

столкновения предложено построение аппроксими­

рующих зависимостей для коэффициента восста­
новления, которые позволяют учесть физико-меха­
нические эффекты в зоне контакта.

сическая модель Ньютона (Пановко,

1976),

торая

скорость соударения частиц;
критическая

скорость,

неко­

Vcr -

зависящая

от

меха­

нических свойств частиц.

В качестве критической скорости Vсн входящей

в соотношения

(10),

могут быть приняты некоторые

характерные скорости, например, скорость звука в

материале с приведенной плотностью или скорость,
при которой кинетическая энергия сталкивающихся

частиц становится сравнимой с энергией необхо­

или хрупкого разрушения частиц.

однако

в отличие от нее, в нашу модель введен коэффици­

k,

v -

димой для начала пластического деформирования

За основу модели столкновений принята клас­

ент восстановления

где

Взаимодействие частиц описывается систе­
мой

зависящий от расстояния

N

уравнений:

N

между центрами частиц и от скорости столкнове­

L

mi·a;=

ния и учитывающий физическую природу частиц:

(11)

/>'i=l
где

N -

число частиц, моделирующих сталки­

вающиеся тела;

m;, mj -

соответственно; а;

масса i-й и j-й частиц,

ускорение i-й частицы;

-

r;, rj -

радиус-вектор i-й и j-й частиц соответственно;

G -

гравитационная постоянная. При решении

задачи соударений

N

тел необходимо удовлетво­

рить ряду специальных требований, касающихся
алгоритма вычисления сил, скоростей и переме­
щений, в частности, получать на каждом времен­

ном шаге данные о быстротекущих процессах,
происходящих в зоне контакта. Соответственно,
метод интегрирования уравнений движения дол­

жен обеспечить требуемую точность расчетов на
коротких временных интервалах. В методе прони­
цаемых частиц критерий выбора величины шага

(9)

по времени учитывает размеры наименьших час­
тиц, входящих в модель, и диапазон заданных ско­

Здесь р;,
частиц

и

моделью;
тиц;

В

Ртах -

плотности соударяющихся

максимальная

ru -

rcoI -

частиц;

PJ,

Kv -

плотность,

допускаемая

расстояние между центрами час­

ростей с целью обеспечения физической непроти­
воречивости получаемых результатов.

Из существующих методов быстрого интег­

радиусов

рирования уравнений движения наиболее эффек­

параметр, зависящий от скорости.

тивным, но и наименее точным, является алгоритм

расстояние

равное

сумме

дальнейшем, при проведении моделирования

Верле (Кунин,

1992;

Рит,

2005).

Для уменьшения


М Я Маров и др. Моделирование формирования и ранней эволюции допланетных тел

••

••

••

••

27

Рис. 13. Столкновение кластеров плотностью 4,2·10- г/см на скорости 5 м/сек: (а)-лобовое; (б)- со смещением
3

2

погрешности алгоритма Верле нами использована

1,5· 10-2 г/см 3 ) они практически не «замечают» друг

одна из его модификаций

друга из-за отсутствия парных столкновений. При

нием

-

схема с перешагива­

увеличении плотности до 4,2· 10-2 г/см 3 возрастает

(leapfrog).

Для проведения верификации предложенной
модели, с учетом вышеописанных этапов эволю­

число парных столкновений, что приводит к по­
тере кластерами до половины их массы.

ции, было проведено моделирование объектов,
отдельные

этапы

эволюции

которых

связаны

с

ударными процессами, а набор характеристик, яв­

Для случая уплотненных пылевых кластеров
с плотностями

20

1,4, 2,8

и

3,7

г/см

3

и размером

2

и

см было рассмотрено их лобовое столкновение.

ляющихся входными параметрами модели, можно

Проведенные расчеты показывают, что при взаи­

корректно оценить. Наилучшим образом этим ус­

модействии

ловиям удовлетворяют:

•

пылевые

уплотнившихся

кластеров

D

~

см

2

происходит их полное разрушение, если их плот­

кластеры

с

характерным

размером

3

ность< 3,0 г/см .
При росте размера кластеров размером ~

порядка десятков сантиметров;

см

20

•

крупные

до

по мере увеличения их плотности происходит каче­

•

недифференцированные тела, при столкнове­
нии которых могут образовываться семейства

ствия (рис. 14). При плотности кластеров 1,4 г/см
столкновение на скорости 5 м/сек приводит к их

астероидов;

разрушению. При достижении пьmевыми класте­

дифференцированные тела астероидных раз­

рами плотности 3,7 г/см 3 они начинают проявлять

меров и образование кратеров на них;

свойства «сверхпластичностю>. При столкновении

10 ООО

•
•

пылевые

сгущения

диаметром

км;

ственное изменение характера ударного взаимодей­
3

дифференцированные тела, попадающие в пре­

происходит закрытие пор в кластере, что приводит

дел Роша крупных планет, где в результате

к большим деформациям и существенному увели­

приливных разрушений могут образовывать

чению плотности образующегося тела.

Для

кольца.

верификации

предложенной

модели

в

С использованием данного метода было про­

случае соударений твердых массивных тел бьm ис­

ведено численное моделирование взаимодействия

пользован подход, связанный с реконструкцией об­

разреженных и уплотненных пылевых кластеров.

разования семейств астероидов в Главном поясе.

Рассмотрены два случая столкновения: лобовое и

С этой целью были использованы данные по кон­

со

смещением.

Разреженные

кластеры

имеют

3

плотности 1,4 10- г/см и 4,2 10- г/см . Пример
расчета для второй модели показан на рис. 13.
2

3

2

кретным объектам астероидного пояса, в частности

по семейству Коронид, насчитывающему более

300

членов,

км.

20

из которых имеют размеры более

20

Оказалось, что при взаимодействии сущест­

Предполагается, что члены семейства образова­

венно разреженных кластеров (плотность менее

лись при фрагментации в результате столкновения


Глава

28

1. Допланетная

стадия развития Солнечной системы

••
'~ - :~::

••

.

·.·..

--:-'

&, .

·.\~··

~r

"

Рис. 14. Лобовое столкновение уплотненных кластеров на скорости 5 м/сек: (а) 2,8 г/см 3 ; (в)- плотность 3,7 г/см 3

•
Рис.

15.

•

•

•

•••.

(0=100

км) со скоростью

3

км/сек

J~-,,
·,

":·

Результат лобового столкновения недифференцированных тел

16.

плотность

'1

Результат лобового столкновения недифференцированных тел

•
Рис.

:

плотность 1,4 г/см 3 ; {б) -

(0=100

км) со скоростью

5

км/сек, образование

семейства астероидов

родительских тел размером ~

90-100 км

при скоро­

стях столкновений~ 0,5-1,О км/с.

вении на скорости

8 км/сек

обломки, образующие

семейство, имеют слишком маль1е размеры. Полу­

При проведении численных расчетов в качестве

ченные результаты хорошо соrnасуются с наблюдае­

родительских тел были приняты недифференциро­

мой фрагментацией родительских тел, породивших

ванные тела диаметром 100 км, IШОТНостью 3,5 г/см

3

семейство астероидов Корониды, и не противоре­

и рассмотрены лобовое и касательное столкнове­

чат современным представлениям о столкновитель­

ния при относительных скоростях

ной эволюции тел пояса астероидов.

3, 5
15

Примеры расчетов показаны на рис.

и
и

8 км/сек.
16.

Как видим, при лобовом столкновении на ско­

рости

3 км/сек

образовавшиеся крупные обломки

Предложенная модель бьmа применена также к
численной реконструкции процесса образования ги­
гантского кратера на астероиде Веста недифферен­

не приобретают достаточной кинетической энер­

цированным

гии для покидания области родительских тел и со­

метром

бираются в «груду», в то время как при скорости

рофическое соударение должно бьmо породить це­

5 км/сек

лое

семейство

17).

образовавшиеся крупные обломки имеют

36 км

железо-силикатным

при скорости

ударником

8 км/сек.

сравнительно

диа­

Такое катаст­

мелких

астероидов

близкий к необходимому размер и приобретают

(рис.

достаточно кинетической энергии для покидания

венных столкновениях твердых тел различных раз­

Оно отвечает представлениям о множест­

области родительских тел. При лобовом столкно-

меров в процессе эволюции протоIШанетного диска.


М Я Марав и др. Моделирование формирования и ранней эволюции допланетных тел

29

• • •
~

••

>

Рис.

Рис.

18.

17.

•

Реконструкция образования крупного кратера на астероиде Веста

Реконструкция пролета тела внутри предела Роша на параболической скорости

Бьшо проведено также моделирование прилив­

ного разрушения дифференцированных тел внутри

образования. Данное исследование носит сугубо
модельный характер, однако оно важно для по­

предела Роша для скоростей входа тел меньше,

нимания

больше или близкой к круговой, а в предельном слу­

тел внутри области кольцевого сжатия. Для уп­

чае

рощения модели можно вначале выделить в дис­

порядка параболической. Такая модель также

-

характера

формирования

планетных

представляет большой интерес в качестве одного из

ке кольцевую область и изучить, какие парамет­

важных механизмов взаимодействия остатков плане­

ры и как влияют на эволюцию планетезималей

тезималей с растушей планетой. Показано, в частно­

внутри заданной области, а затем перейти ко

сти, что если скорость тела больше круговой, но

всему диску.

меньше параболической, то фрагменты разрушивше­

Наиболее сложной частью исследуемой сис­

гося тела распределяются по эЛЛШiтической орбите,

темы является большое количество объектов и,

параметры которой зависят от конечной приобре­

в особенности,

тенной скорости. При пролете внутри предела Роша

когда суммарная масса планетезималей стано­

на параболической скорости тело быстро покидает

вится довольно большой и появляется самосо­

окрестности планеты. Однако начавшееся прилив­

гласованное

ное разрушение продолжается и на удаленных уча­

стках орбиты. Пример такого разрушения для одного
из вариантов расчетов показан на рис.

18.

их взаимодействие. В случае,

поле,

использование

статистиче­

ских методов молекулярной динамики становится

малоэффективным. Наиболее распространенными
способами решения таких задач являются ие­
рархические методы, наиболее простым и рас­
пространенным среди которых является алгоритм

3.

Моделирование

Барнса-Хата. Моделируемый объем представля­

устойчивости области

ется в виде октодерева (дерево с

кольцевого сжатия в диске

8

узлами) из ку­

бических ячеек. Взаимодействие частиц из со­
седних

ячеек

осуществляется

напрямую,

а

уда­

Наконец, нами была промоделирована эво­

ленные области рассматриваются как одна боль­

люция кольцевой области протопланетного дис­

шая частица, расположенная в центре масс этой

ка с целью определения устойчивости данного

области.


30

Глава

1.

Допланетная стадия развития Солнечной системы

Т=О,О

Т=

Т=

Т=3,О

1,5
Рис.

19.

Гравитационная неустойчивость кольца тел

Постановка задачи выглядит следующим образом:

Функция
внутри кольца
рость

Значение

Параметр

1,0

Масса солнца

Количество частиц

1,0

10

5

-

распределения

-

скоростей

частиц

максвелловская. Средняя ско-

кеплерова для каждой частицы, а дис­

персия составляет

1%

от кеплеровой скорости.

Система рассматривается в первом приближении
как бесстолкновительная. Ключевым параметром
является отношение суммарной массы тел,

со­

ставляющих кольцо, к массе солнца. В случае, ко­

Суммарная масса частиц

10-3-10-5

Внешний радиус кольца

1,05

тационная неустойчивость (рис.

Внутренний радиус кольца

0,95

гда суммарная масса астероидов в кольце меньше

толщина кольца

0,03

Гравитационная постоянная

1

гда этот параметр порядка

1%

1 %,

возникает грави­

19).

В случае, ко­

массы центрального тела, неустойчивость не

наблюдается (рис.

20).

Изменение геометрических параметров коль­

цевой области (толщины, внутреннего или внеш­
z

него радиусов) не приводит к образованию вихре­

Lx
с)

hj

- с)

вых структур.

При уменьшении дисперсии скоростей до О, 1 %
в диске образуются не вихревые, а сферические
сгущения (рис.

21).

Заключение
Проблемы, связанные с формированием Сол­
нечной системы и планетных систем у других

звезд, находятся на самых передовых рубежах со­
временной науки. Прогрессу в этом направлении

...

исследований способствовали достижения, в пер­
вую очередь, в областях астрофизики, космохимии,


М Я. Маров и др. Моделирование формирования и ранней эволюции допланетных тел

Т=О,О
Рис.

31

Т=2,О

20.

Масса кольца

= О, 1 % массы центрального тела

Т=О,О

Т=О,5

Т=

Т=О,9

0,65
Рис. 21. Дисперсия скоростей О, 1

%

Vк

вычислительной математики. В наших предыду­

этом важном направлении исследований, с кото­

щих работах по планетной космогонии мы уделя­

рым напрямую связаны проблемы происхождения

ли основное внимание вопросам структуры иди­

и ранней эволюцией Земли и зарождения ее био­

намики

сферы.

аккреционного

газопылевого

протопла­

нетного диска, в том числе, подробному изучению
его термодинамических свойств с целью получе­

ния

космохимических

следствий

относительно

Литература

природы допланетного вещества. В данной рабо­
те,

развивающей

наши предыдущие исследова­

ния, внимание сосредоточено на математическом

моделировании эволюции пылевой составляющей
диска,

включая

модели

кластерообразования

и

столкновительного взаимодействия пылевых сгу­

щений и плотных тел в широком диапазоне пара­
метров,

что

позволило

существенно

расширить

представления о ключевых механизмах, лежащих

Берд Г
Кац М

(1981) Молекулярная газовая динамика. М.: Наука.
(1965) Вероятность и смежные вопросы в фи­

зике. М.: Мир.

KaлecJJuчeJJкa А. В., Марав М Я.
ники гетерогенных сред

в

(2006)

Основы меха­

околосолнечном допла­

нетном облаке: влияние твердых частиц на турбу­
лентность в диске

!! Астрон.

вести. Т.

40. № 1. С. 1-62.

(2009)

Турбулентность

KaлecJJuчeJJкa А. В. Марав М Я.

и самоорганизация: Проблемы моделирования кос­

в основе формирования планет. Это открывает

мических и природных сред. М.: Бином. Лаборато­

возможности дальнейшего углубления знаний в

рия знаний.

701

с.


Глава

32

Кунин С.

(1992) Вычислительная

1. Допланетная

стадия развития Солнечной системы

Сафронов В. С.

физика. М.: Мир.

Маров М Я., Колесниченко А. В., Макалкин А. Б., Дорофе­

ева В. А., Зиглина И Н, Чернов А. В.

(2008)

Ог прото­

солнечного облака к шшнетной системе: Модель ран­
ней эволюции газопьmевого диска
ждения и эволюции биосферы
мов. М.:

URSS.

С.

/

//

Проблемы заро­
Ред.

Э. М. Гали­

223-273.

Маров М Я., Королев А. Е., Осипов В. П., Самылкин А. А.

(2009)

Имитационное моделирование струйных те­

чений и диссипативных потоков методом перемен­

ных весовых множителей
т.

21.

№

9.

с.

//

Мат. Моделирование.

34-42.

Маров М Я., Королев А. Е., Осипов В. Л., Самылки// А. А.

(2010)

Численное стохастическое моделирование

образования кластеров// Доклады Академии наук.
т.

432.

№

Пановко Я. Г

4. с. 1--4.
(1976) Основы

прикладной теории коле­

баний и удара. Л.: Машиностроение.
Рит М

(2005)

Наноконструирование науке и технике.

М.: НИЦ <<Регулярная и хаотическая динамика».

160 с.

(1969)

Эволюция допланетного облака

и образование Земли и планет. М.: Наука.

Хокни Р, ИствудДж.

(1987)

244

с.

Численное моделирование

методом частиц. М.: Мир.

Е. (2010) Stellar elemental abundance pattems:
implications for planet formation // Astrophys. J. V. 724.
Р. 92-97.
Непg К.. Кепуоп S. J (2010) Vortices as nurseries for planetesimal formation in protoplanetary disks // Mon. Not.
Astron. Soc. V. 408. Р. 1476-1493.
lpatov S. /. (2010) Тhе angular momentum of colliding rarefied preplanetesimals and the formation of binaries //
Mon. Not. R. Astron. Soc. V. 403. Р. 405--414.
К/ahr Н Н, Bodeпheimer Р (2003) Turbulence in accretion
disks: vorticity generation and angular momentum transport via the global baroclinic instability // Astrophys.
J. V. 582. Р. 869-892.
Natta А., Testi L., Calvet N. et al. (2007) Dust in protoplanetary disks: properties and evolution // Protostars
and Planets V / Eds В. Reipurth, D. Jewitt, К. Keil.
Tucson: Univ. of Arizona Press. 951 р. Р. 767-781.

Chambers J


К ВОПРОСУ ОБ ЭВОЛЮЦИИ ПРОТОПЛАНЕТНОГО ДИСКА СОЛНЦА

К. В. Брушлинский, Г В. Долголева, В. Т Жуков,

Е. А. Забродина, М С. Легкоступов, И. С. Меньшов,
Л. А. Плинер
Институт прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН.
vic.zhиkov@gтail. сот

Рассмотрены приближенные численные модели описания протопланетного диска Солнца на начальной

стадии его эволюции в двумерном и одномерном приближениях. На основе предложенных моделей выполне­
ны численные расчеты эволюции протопланетного диска Солнца с учетом его собственного гравитационного
поля. Приведены результаты расчетов и их анализ. Показано, что при учете собственного гравитационного по­
ля диска в нем возникают нарастающие со временем кольцеобразные возмущения плотности, которые имеют
характер распространяющейся по диску волны. Эти возмущения не только приводят к перераспределению ве­

щества в диске, но также меняют его геометрическую форму.

Введение

Численное моделирование

1.

эволюции протопланетного

Настоящая

исследований,

работа

является

выполненных

в

продолжением

Институте

диска Солнца в двумерном

при­

приближении

кладной математики им. М. В. Келдыша РАН по

Программе фундаментальных исследований Пре­
зидиума РАН №

25

и представленных в публика­

циях (Численное моделирование эволюции прото­

В общем случае задача об эволюции прото­
планетного диска является трехмерной. В такой
постановке реализация задачи даже на современ­

планетного диска Солнца на начальной ее ста­

ных суперкомпьютерах требует весьма больших

дии,

затрат машинного времени. В работах (Забро­

2005, 2006, 2009;

Влияние начальных условий

на характеристики и эволюцию протопланетного

диска,

дин А. В. и др.,

2006;

Забродин А. В. и др.,

2008)

Некоторые приближенные модели

было показано, что возможно изучение некоторых

для численного решения задачи об эволюции про­

аспектов эволюции протопланетного диска Солн­

топланетного диска Солнца,

ца в двумерном приближении. В разделе

и др.,

2007;

2008;

Забродин А. В.

2008).

1 приво­

дятся результаты численного моделирования эво­

Первый раздел работы посвящен двумерным
расчетам эволюции

протопланетного диска.

Во

втором разделе представлены более простые при­

люции

протопланетного

диска

в

осесимметрич­

ной постановке, которая и сводится к двумерному

приближению.

ближения, сводящиеся к одномерным расчетам и
дающие возможность

характерными

проследить за некоторыми

особенностями

эволюции

прото­

1. 1.

Постановка задачи численного
моделирования эволюции

планетного диска, многократно сократив при этом

протопланетного диска Солнца

время расчетов.

в двумерном приближении
Начальное состояние протопланетного диска

Исследования проведены при финансовой поддержке про­
граммы Президиума РАН №

25.

Солнца задавалось с помощью аналитического ре­

шения в приближении Роша (Забродин А. В. и др.,


Глава

34

1. Допланетная

стадия развития Солнечной системы

-л.J
1Е15

1Е14

1Е13

1Е13

1Е14
Г, СМ

Рис.

1.

Распределение длины волны Джинса для а =О, 005

2006; Забродин А. В. и др., 2008; Мануковский К. В"
2005). Газовая среда диска подчинялась политроп-

'ln = 0,449·10

ному уравнению состояния р(р) =Кр У. Закон вра­

rex =0,591·10

щения среды протопланетного диска был принят

в форме, близкой к закону Кеплера ( n 2 ~

r

15

см,

0,005,

полная масса протопланетного диска Солнца при

0,005 составляет Md ~ О,096М8 •
Оценки показывают, что в диске при задан­

к-У-ру-1 =Gмs(_!_ __1_i+
у-1

а=

а=

теме координат имеет следующий вид:

СМ,

К=9 7446·1013
'
'

G;s ).

В этом случае решение задачи в сферической сис­

13

ных параметрах существует область гравитаци­

rex)

онной неустойчивости, которая обусловлена на­

+ Gм 1/rex-1/ljn [ -1- - - -1- - )
s 1 / r~;a -1 / 'l~+a r~;a (r sin 8)l+a '

(1.1)

личием собственного гравитационного поля. В со­
ответствии

с

критерием

Джинса

критическая

длина волны может быть вычислена по локаль-

( l .2)

ному значению плотности в соответствии с выраже ни ем

где а -

Gn

и

малый параметр, М 8 -

rex -

внутренние

и

масса Солнца,

внешние радиусы

протопланетного диска.

Это решение

описывает некоторое стацио­

нарное состояние диска. В данном разделе иссле­
дования проводились при следующих параметрах
аналитического решения:

у=

1,43'

G = 6,673·10-8 см 3 /(г·сек 2 ),
М8 =

1, 989 · 1О 33 г ,

(1.3)
в котором с обозначает скорость звука, а

G -

гравитационную постоянную. Из сравнения этой
величины с характерным размером протопланет­
ного диска можно легко судить о подверженности

протопланетного диска гравитационной неустой­

чивости в тех его областях, где выполняется усло­

вие ЛG

< Л(7

вается

меньше

=

r,

т. е. длина волны Джинса оказы­
характерного

радиуса.

Зависи­

мость длины волны Джинса от радиуса диска при
а = О, 005 имеет вид, представленный на рис.

1.


К. В. Брушлинский и др. К вопросу об эволюции протопланетного диска Солнца

Метод численного моделирования

1.2.

эволюции протопланетного диска
Описать с достаточной точностью эволюцию

•
•

r, t) р = р(х, r, t) 2
• е =р[&+(и +

адекватных

многомерных

численных

Эта модель может

использоваться на начальной стадии эволюции
протопланетного

диска,

когда

пылевая

w2 )/2] -

энергия единицы

внутренняя энергия единицы

массы газа;

• rp

=

lAX,

гравитационный потенциал.

r, t) -

Гравитационный

симметричному движению газовой среды в гра­

витационном поле Солнца.

давление газа;

v2 +

• с = в(х, r, t) -

моделей. Построена численная двумерная газо­
динамическая модель, которая соответствует осе­

плотность газа;

объема газа;

протопланетного диска Солнца можно только с
помощью

р = Дх,

35

потенциал может

ваться из двух частей: <р

= <р 8

+ <pd .

склады­

Первое слагае­

мое обусловлено гравитационным полем, созда­

компо­

ваемым внешним источником. В представленных

нента распределена относительно равномерно по

расчетах внешним источником является Солнце,

объему диска.

помещенное в начало координат: <р 8

Уравнения газовой динамики с учетом

1.2.1.

гравитационного поля среды при осевой

=

GM

~

.

vx2 +r2

Второе слагаемое связано с собственным грави­
тационным полем протопланетного диска. В этом

симметрии задачи

случае потенциал <pd может быть представлен в
Будем

предполагать,

что

задача

эволюции

протопланетного диска Солнца имеет осевую сим­
метрию. В этом случае трехмерная задача сводит­
ся к двумерной, которая в цилиндрической систе­

ме координат (х,

В)

r,

следующем виде:

<pd ( х, r, t) = G

f
V(t)

р(хт,rт,t)

rтdxтdrтd8т ,

(1.1 О)

R

описывается следующими
где

уравнениями:

д(рr)

д(риr)

д(pvr)

дt

дх

дr

R=

--+---+--=О

д(риr) а(р+ри2)r д(puvr)

--+
дt

+

дх

дr

дt

+

д.х

д<р

Хт, rт,

д.х

ТЫ, по которым ведется интегрирование в

дr

д(puwr)

дt

дх

+

(1.6)

д(pvwr)
дr

(1.10)

(1.10).

в силу симметрии может быть

8 Т·

Внутри газового диска в фиксированный мо­

дr

д(pwr)

Текущие ЦИЛИНДрИЧеСКИе КООрдина­

выполнено интегрирование по координате

=

=p+pw +pr-,

~-+

8Т-

В интеграле

д<р

2

=~( х-хт )2 +(r·cos8-rгcos8т )2 +(r·sin8-rгsin8т )2 ,
(1.11)

= pr-, (1.5)

д(pvr) д(puvr) а( р + pv2) r

---+

(1.4)

'

мент времени гравитационный потенциал

(1.1 О)

удовлетворяет уравнению Пуассона:
2

=-pvw,

(1.7)

Л<рd

д <рd- +а- (rд<рd)
- - =-4nGp ( x,r,t ) ,
(x,r,t ) =-2
дх

rдr

дr

(1.12)

д(еr) а[(е+р)иr] a[(e+p)vr]
--+
+
дt

дх

д(риr<р)

=

дх

+

дr

д(pvr<p)
дr

д(рr)

+<р--.
дt

а вне газового диска

=

рости й

и,

,

v, w -

уравнению Лапласа:

Л<рd (х,

(1.8)

Уравнения

r, t)

(1.4 )-(1.13)

=О.

(1.13)

для численных рас­

четов были записаны в безразмерных перемен-

Ось х направлена по оси вращения газового диска;

-

пых.

составляющие вектора ско-

осевая, радиальная и угловая, соот-

ветственно:

1.2.2.

Численная методика

Используемая численная методика (Алалы-

(1.9)

кин Г. Б. и др., 2004) является вариантом методики


36

Глава

1. Допланетная

стадия развития Солнечной системы

для численного решения двумерных газодинамиче­

скцк течений в областях сложной формы с подвиж­

--

ными границами, разработанной Годуновым С. К. и
Забродиным А. В. с соавторами (Годунов С. К. и др.,

1976).

Преимущества данного метода заключают­

о.

75 ~_,___.__._,___,__-1-L---'----'---

ся в том, что он позволяет выделить границы об­

ластей газа с разными физическими свойствами
(например, контактные границы, ударные волны,
ввести эйлерову границу и т. д.) и проследить за

о

.5 ~f--+--+-l--+-+-+----+-----1--

сложным движением этих границ.

По положению границ, рассматриваемых как
топологический «четырехугольнию>, строятся два

семейства

координатных

линий,

1

разбивающих

0.25--t---i>\---+---+--+-

всю область течения на криволинейные четырех­
угольники

-

няется

времени,

во

/

ячейки счетной сетки. Сетка изме­
подстраиваясь

под

1/

характер

движения границ. Поэтому ее конфигурация мо­
о''

жет быть достаточно сложной, а стороны ячеек

'''' '''' '''' '' '' '

-0.1

о

0.1

0.2

0.3

х

существенно криволинейными.
Рис.

Расчетные сетки

2.

Расчетная область с границами подобластей

Расчеты по численному моделированию эво­
люции протопланетного диска предъявляют очень

ток, в том числе с разным количеством ячеек. Рас­

высокие требования к структуре расчетной сетки

четная сетка с максимальным разбиением содер­

и размерам ее ячеек. Это объясняется строением

жит

протопланетного диска

и

распределением

в

124 800 ячеек.

нем

Граничные условия

вещества.

Естественным условием на внешней границе

Протопланетный диск имеет форму плоского
тора, внутренняя часть которого сужается

по на­

протопланетного диска является р = О. При его

правлению к центру (Некоторые прибли.женные

реализации встретились значительные трудности.

модели для численного решения задачи об эволю­

Поэтому на данном этапе расчетов динамики рас­

ции протопланетного диска Солнца,

пределения среды в протопланетном диске было

2008).

Силь­

ное гравитационное поле Солнца притягивает га­
зопылевую

среду

протопланетного

диска

к

цен­

тру, и за счет этого эффекта плотность пьmевой
среды

достигает

максимума

у

внутреннего

края

предложено

использовать

граничное

условие

в

виде жесткой стенки. Все результаты, представ­
ленные в данном разделе, были получены при
этом граничном условии.

диска. Это создает очень значительные градиенты
Тестовые и проверочные расчеты

плотности. Для того чтобы с достаточной точно­

Для проверки и отладки разработанного про­

стью прослеживать динамику всех участков про­

топланетного диска, вся расчетная область была

разбита на подобласти

-

ярусы. Такая структура

сетки с выделенными границами ярусов позволя­
ет

достаточно

движения

аккуратно

отдельных

описывать

участков

среды

динамику

протопла­

нетного диска.

граммного комплекса были проведены тестовые
расчеты следующих задач:

•
•
•

задачи Эмдена (Крат В. А"

1950);
задач Лидова (Лидов МЛ., 1950);
задачи о вихре газа (Меп 'shov 1" Nakaтиra
2005).

У.,

область про­

Эти расчеты показали, что результаты, полу­

топланетного диска, разбитая на ярусы неподвиж­

ченные с помощью разработанного численного

ными эйлеровыми границами. В расчетах были

метода, достаточно хорошо согласуются с реше­

использованы несколько вариантов расчетных се-

ниями вышеуказанных задач.

На рис.

2 представлена расчетная


К. В. Брушлинский и др. К вопросу об эволюции протопланетного диска Солнца

Результаты численного

1.3.

'- 1

моделирования эволюции

t=O

протопланетного диска Солнца

0.9

в двумерном приближении

позволяет

проводить

расчеты

как

в

Level

1
22
21
20
19
,•..•• 18
н 17
н 16
н 15
№! 14

0.8

Разработанный алгоритм программного ком­
плекса

при­

ближении Роша, когда собственным гравитацион­

0.7

ным полем протопланетного диска пренебрегаем,
так и с его учетом. При учете гравитационного

11\m

та гравитационного потенциала, разработанный

Жуковым В. Т. с соавторами (Жуков В. Т.,

адаптированный к данной структуре сеток (За­

2006;

2009).

0.3

Сравнение двух картин, описывающих состояния
протопланетного диска как при действии только

~:~:~~

5
4
3

1

0.0743401
0.0378582
0.0192795
0.00981823
0.005

0.2

0.3

2

0.2

гравитационного поля Солнца, так и при совмест­
ном действии гравитационного поля

l

1.10529
0.562876

'Ш" ~

0.4

Численное моделирование

эволюции протопланетного диска Солнца,

9
~ 8

0.5

2010),

RO
1850
1595.82
1213.59
942.125
479 783
244.333
124.428
63.3659
32.2695

1j~ ~1~

0.6

поля диска используется разностный метод расче­

бродин А. В. и др.,

37

Солнца и

собственного гравитационного поля диска, дает

0.1

наглядное представление о влиянии собственного

о -0.1

гравитационного поля протопланетного диска на
его эволюцию.

1.3.1.

о

0.1

0.4

0.5

х

Численное моделирование

Рис.

3.

стационарного состояния

Изолинии плотности среды диска на момент вре­
мени

t=

О

протопланетного диска

Начальное состояние протопланетного диска,

1800

как уже отмечалось, задавалось с помощью ана­

литического решения в приближении Роша. На

1600

рис.

1400

3

показано распределение плотности среды

диска, описываемое формулой

( 1.1 ),

качестве начальных данных для а
рис.

4

1200

задаваемое в

= О, 005 .

На

1000
а.

800

дополнительно приведено распределение

600

плотности среды диска в зависимости от коорди­

наты

r

при

r

=

0,02,

\

200

этом же рисунке показано распределение плотно­
сти среды диска в

\

400

при х =О (в экваториальной плоскости). На

'-0.25

00

зависимости от координаты х

0.5

0.75

о

соответствующем максимуму плот­

ности. Из представленных графиков видно, что в
масштабе рисунка

p(r)

кривая р(х) выглядит как

0.002

х

Рис.

4.

Зависимость плотности среды диска от координа­
ты

дельта-функция. При численном моделировании

r

r

при

х

=О

(слева)

и

от

координаты

х

при

= 0,02 (справа)

эволюции протопланетного диска стационарное
состояние, задаваемое в качестве начальных дан­

ных, при «выключенном» собственном гравита­

сложны. Стационарное состояние диска, заданное

ционном поле диска необходимо «удерживать»

в начальных условиях, удалось «удержать», толь­

длительное время. Расчеты таких задач с показан­

ко

ным на рис.

четной сетки.

4

распределением плотности крайне

значительно

увеличив

количество

ячеек

рас­


Глава

38

1. Допланетная стадия развития Солнечной системы

... 1

... 1

0.9

0.9

о

-0.1

0.1

0.2

о

х

Рис.

5.

Линии тока среды диска в расчете без учета собст-

Рис.

6.

венного гравитационного поля на грубой сетке

1.3.2.

Перестройка структуры протопланетного
диска Солнца при «включении» его
собственного гравитационного поля

Анализ результатов расчетов эволюции про­
топланетного диска с заданными начальными ха­
рактеристиками

показывает,

что

при

«включе­

нии» собственного гравитационного поля диска

лением кольцевых областей, в которых течения
среды развиваются таким образом, что они при­
водят к увеличению плотности вещества в опре­

деленных сечениях этих областей. Несмотря на
то, что собственное гравитационное поле прото­

планетного диска составляет

0,007-0,1

от грави­

тационного поля Солнца, влияние его на распре­
вещества

в

диске

не

является

малым.

Наблюдаемый эффект виден даже при расчетах
на грубой сетке на фоне изменяющегося во вре­
мени стационарного состояния диска, задаваемо­
го начальными данными.

в

протопланетном

диске

при

сравнении

расчетов с включенным собственным гравитаци­
онным полем и без него.

На рис.

5

и

6

показаны линии тока среды без

собственного гравитационного поля диска на гру-

Линии тока среды диска в расчете без учета собст-

бой сетке и на сетке с максимальным разбиением,
соответственно.

Следует

отметить,

что

в

этом

случае скорости должны быть равны нулю, а на­
блюдаемые скорости есть погрешности численно­
го расчета. Для проводимого нами анализа они

служат лишь нулевой (реперной) точкой отсчета.
Видно, что линии тока направлены вверх за ис­

ключением одной точки в районе r =

0,3-0,4.

Результаты расчетов с «включенным» собст­
венным гравитационным полем диска для време­

ни

1,45 (;::; 72 года) представлены в виде линий то­
ка. На рис. 7 показаны результаты расчета, прове­
денного на грубой сетке, а на рис. 8 на сетке с
максимальным

разбиением.

Из

этих

рисунков

видно, что течение среды меняется кардинальным

образом. На рис.

7, 8 можно

выделить три области

течений. В каждой из этих областей газ как бы
стягивается к одному определенному сечению об­
ласти. При этом течение в верхних частях этих

областей, а именно частях, расположенных выше
этого

Наиболее показательны картины линий тока
среды

0.2

венного гравитационного поля на мелкой сетке

происходит перестройка структуры диска с появ­

деление

0.1
х

сечения,

меняется

на противоположное по

сравнению с картиной течения в отсутствии соб­
ственного гравитационного поля.

Следует также отметить, что без собственно­
го гравитационного поля диска скорости среды в

диске, обусловленные счетными погрешностями,

в основном составляют

0,2-0,3

от скорости звука,


К. В. Брушлинский и др. К вопросу об эволюции протопланетного диска Солнца

39

... 1
t=0.685
level
22
21
20
19
,~, 18
~ 17
t'"'ci 16
~ 15
~ 14

1

0.8
0.7
0.6

1Н

0.6

0.5

~~iШ

111!!1 10

2.1704
1.10529

М!11 9

1~

0.5

0.4

0.3

0.4

0.2

0.3

RO
1850
1595.82
1213.59
942.125
479.783
244.333
124.428
63.3659
32.2695

~;~~:

6
5
4
3
2
1

1

0.145978
0.0743401
0.0378582
0.0192795
0.00981823
0.005

0.2

0.3

0.1

о

-0.1

0.2

о

0.1

0.2

х
Рис.

7.

0.1

Линии тока среды диска в расчете с учетом собст­

о -0.1

венного гравитационного поля на грубой сетке

0.1

о

0.4

0.5

х
Рис.

9.

Изолинии плотности среды диска в расчете с учетом

собственного гравитационного поля на грубой сетке

В соответствии с изменением линий тока ме­
няются и изолинии плотности в протопланетном

диске. При «включению> собственного гравитаци­
онного поля в распределении плотности появляют­

ся характерные особенности. На изолиниях плот­

ности становятся видны как бы «пережатия»
темные участки в районе
грубая сетка, рис.

0.3

1О -

0,2

~

r

~

0,45

(рис.

9-

сетка с максимальным ко­

личеством ячеек), в то время как в отсутствие

собственного гравитационного поля эти особен­

0.2

ности не наблюдаются.

0.1

о

Более детальный анализ изолиний плотности

-0.1

показывает,

о

0.1

0.2

х

Рис.

8.

Линии тока среды диска в расчете с учетом собст­
венного гравитационного поля на мелкой сетке

включении

что

в

протопланетном

диске

при

собственного гравитационного

поля

могут зарождаться неустойчивости в виде колец

плотности (рис.

11 -

грубая сетка, рис.

12 -

сетка

с максимальным количеством ячеек). На рис.

12

11

и

отчетливо видны локальные максимумы и ха­

в то время как скорости среды при «включении»

рактерное «пережатие» изолиний плотности про­

поля оказываются примерно на порядок выше и в

топланетного диска. Естественно, что показанные

некоторых областях могут становиться сверхзвуко­

на изолиниях кольца плотности точно коррелиру­

выми. Точность данных расчетов позволяет очень

ют с локальными максимумами на зависимостях

уверенно фиксировать наблюдаемые эффекты.

р(х =О, r,

t).


Глава

40

1. Допланетная

стадия развития Солнечной системы

t=0.633

1

0.35

~;"el18~~

22
21
20
'
19
1
~ 18

1595.82
1213.59
942.125
479 783
244 333

17

158 169
124.428
102.29
84.3783

82.06
63 3659

0.3

44.6
32.2695

16.4335
10
8 36885
25
1
05
0.25
о 05

0.25

0.01

о
Рис.

12.

0.05

0.1

х

0.15

Изолинии плотности среды диска в районе
«Пережатию> в расчете на мелкой сетке

2.

Некоторые упрощенные
численные модели эволюции
протопланетного диска

х
Рис.

10.

Солнца, сводящиеся
к одномерным приближениям

Изолинии плотности среды диска в расчете

с учетом собственного гравитационного поля
на мелкой сетке

Так как численное решение задачи эволюции
протопланетного диска Солнца в
новках

...

наталкивается

на

2D

и ЗD поста­

значительные

сложно­

сти, а также требует больших затрат машинного

0.4

времени, то представляют интерес более простые
численные

модели,

дающие

возможность

иссле­

довать некоторые характерные особенности эво­

0.35

люции протопланетного диска.

2. 1.

0.3

Уравнения газовой динамики
для описания движения среды
в экваториальной плоскости

протопланетного диска Солнца

0.25

Экваториальная
диска

имеет

позволяет

плоскость протопланетного

определенную

свести

симметрию,

уравнения

газовой

которая

динамики

при описании среды в этой плоскости к более

-0.05

о

0.05
х

0.1

0.15

простому виду.

Эйлеровы координаты
Рис.

11.

Изолинии плотности среды диска в районе

«пережатия» в расчете на грубой сетке

В экваториальной плоскости в силу симмет­

рии в системе уравнений

(1.4)-(1.8)

имеют место


К. В. Брушлинский и др. К вопросу об эволюции протопланетного диска Солнца

соотношения др = ди = д<р = др =О, и
дх

дх

дх

=

дх

д(рr)

д(pvr)

дt

дr

--+--=0

д(pvr) д( р + pv2) r

---+
дt

дr'

д(pwr)

+

дt

д(pvwr)
дr

д(еr) д[(е+ p)vr]
--+
дt

=

дr

(2.2)

v, w -

д(pvr<p)
дr

'

д(рr)

+<р--.
дt

(2.3)

2.2.

:

-

р= Дr,

t) p(r, t) -

Солнца в приближении Роша
Для задачи о протопланетном диске Солнца в
приближении Роша будем
выше,

использовать, как и

аналитическое решение

(1.1), (1.2).

2

2

(2.5)

линдрических координатах имеет вид:

плотность газа;

•р=
давление
• е =р[& + (v2 + w 2 )/2] -

газа;

энергия единицы объ­

ема газа;

• & =

c(r, t) -

(2.12)
внутренняя энергия единицы мас­

сы газа.

Система уравнений

(2.1)-(2.4)

n2 = (l+a)(l/rex -l/11n) GMS

является од­

. !+а
1/rех l+a -l/ 'ln

номерной.

Система уравнений

(2.1)-(2.4)

для описания

движения среды в экваториальной плоскости дис­

dи
д(р + ri) w 2 д<р
-=-r
+-+dt
дт
r
дr'

d
dt

(1)р

r

(2.6)

таты

по

1983),

сравнению

расчеты

показали,

с

дает более точные резуль­
используемым

одномерных

задач.

вариантом

2004)
По

для
этой

причине далее будут приводиться в основном ре­

(2.7)

зультаты, полученные в расчетах с использовани­

ем уравнений

-=и

(2.9)

дт ( ru) '

одномерные

рассматриваемых

(2.8)

dr
dt

Численные

метода Годунова (Алалыкин Г Б. и др.,

д

=

нат. Уравнение состояния задается в виде р = Кр У •

(Долголева Г. В.,

математическая вязкость),

uw

(2.13)

З+а'

что методика, базирующаяся на методе Лагранжа

ка в лагранжевых координатах имеет вид:

dw
dt

rц

где rц -радиус в цилиндрической системе коорди­

Лагранжевы координаты

(17 -

Это

решение в экваториальной плоскости диска в ци­
2

IИI =v +w;

•

Движение среды в экваториальной

плоскости протопланетного диска

(2.4)

радиальная и угловая составляющие

вектора скорости й

объем газа, создающий гравитационное поле.

V(t) =-pvw

Ось х направлена по оси вращения газового
диска;

где

(2.1)

'

&р
=p+pw2 +pr-

дr

Гравитационный потенциал имеет вид:

О. В этом

случае эта система преобразуется в следующую:

41

(2.6)-(2.11 ).

Аналитическое решение

(2.12), (2.13)

есть

стационарное решение. В этом случае численное

решение на основе уравнений

'

dr.
д
dt = -(р+ТJ) дт (ru)'

т = pr 2 / 2.

чальными данными

(2.6)-(2.11) с на­
(2.12), (2.13) должно приво­

дить к решению, не зависящему от времени, при

(2.1 О)
(2.11)

условии, что аналитическое решение является ус­

тойчивым (устойчивость решения данной анали­
тической задачи рассматривалась в работе (Забро­
дин А. В. и др.,

2006)).


Глава

42

1. Допланетная

стадия развития Солнечной системы

9000
8000
7000
6000
5000
4000

~

....
....
....
....

~

....
....

~

....
....
....
....

1

Finn line - t =О
Square - t= 10

~
~
~

3000

~

~
~

р

~

2000

~

~
~

р

~

1000
о

~

~
~

]

о

Рис.

\
\

'

IL,...

,_ -

-

- -

0.25

- - - - - - 0.75

0.5
г

13. Распределение плотности в одномерной модели на моменты времени
ного гравитационного поля для а= 0,01

Численные расчеты с использованием ре­

шений

t =О

и

t = 1О

в расчете без учета собствен­

могут дать представления о развитии возмущений

(2.12}-(2.13) проводились для значений
а= 0,002, 0,005, 0,01. Соответственно, масса дис­
3
ка Md составляла 7,168-10- М8 , 0,096 М" 0,667 М8 ,
где М,, - масса Солнца.
Результаты расчетов представлены на рис. 13

в диске при наложении его собственного гравита­

распределением плотности газа р в зависимости

нейшем не менялось во времени. Вторая серия

от расстояния

а=

0,01

r

ционного поля.

Были проведены две серии численных расче­

тов. Одна серия проводилась с «включением» пол­
ного гравитационного поля диска, которое в даль­

на разные моменты времени для

проводилась с «включением» гравитационного поля,

(без учета собственного гравитационного

создаваемого только частью массы диска, находя­

поля диска).
Максимальные

щейся в его экваториальной плоскости. В послед­
отклонения

зависимостей

p(r, t) от начальной зависимости исходных дан­
ных p(r, t = О) на временах t : : ; 1О не превышает
десятых долей процента, т. е. решение аналити­

нем случае была реализована возможность расчета
гравитационного поля на каждом временном шаге
численного расчета.

Для первой серии расчет полного гравитаци­

ческой задачи в постановке Роша и соответст­

онного поля диска проводился по двумерной ме­

вующее численное решение действительно яв­

тодике (раздел

ляются устойчивыми.

1).

Расчет гравитационного поля диска в его эк­
ваториальной плоскости проводился путем вычис­

2.3.

Численные расчеты

ления интеграла

с <<включенным» собственным

бо методом с использованием формул, предложен­

гравитационным полем диска

с

«включенным»

либо прямым методом, ли­

ных Дубошиным Г. Н. (Дубошин Г Н.,

Численные расчеты движения среды диска в
экваториальной плоскости

(1.10)

его

На рис.

1961).

14 приведены зависимости плотности
r в разные моменты времени для

от расстояния

гравитационным полем являются приближенны-

а= 0,01. Этот расчет был проведен с «Включен­

ми, так как это движение зависит от течений во

ным» полным гравитационным полем диска, ко­

всем объеме диска. Тем не менее, такие расчеты

торое не менялось во времени.


К. В. Брушлинский и др. К вопросу об эволюции протопланетного диска Солнца

43

t=0,16

4000
t

= 0,14

3000

2000

t= 0,3

1000

о

0.2

0.1

r
Рис.

14. Распределение плотности в одномерной модели на разные моменты времени в расчете с учетом собственного
гравитационного поля для а= 0,01

Как видно из этого рисунка, величина возму­

щения плотности в протопланетном диске массой

0,667
го

Мs (а=

0,01)

десятков

массы диска.

при наложении его собственно­

гравитационного

скольких

этих возмущений быстро убывает с уменьшением

поля

достигать

не­

была также проведена серия расчетов с «включе­

максимума

на­

нием» лишь

может

процентов

от

Наряду с представленными выше расчетами

части

находящегося

чального распределения его плотности.

Расчеты, проведенные для дисков с массами
3

в

гравитационного

его экваториальной плоскости.

В этом случае в экваториальной плоскости диска

0,096 Мs (а= 0,005), 7,168·10- Мs (а= 0,002), по­

выделялась полоска шириной

казали, что величина наблюдаемых возмущений

«создавала» гравитационное поле.

На рис.

плотности при наложении собственного гравита­
ционного поля диска резко убывает с уменьшени­
ем его массы. Максимальная величина возмуще­

ний плотности дисков для а=
составляет соответственно
шение

максимальной

0,01, 0,005, 0,002
2500, 43, 0,9, а отно­

величины

возмущений

к

максимальной начальной плотности диска есть
соответственно

что

при

всех

значениях

15, 16, 17

0,01

которая

представлены зависимости

Лр(r) соответственно для а
а=

0,00048,

= 0,002,

а=

0,005

и

в разные моменты времени, где Лр(r) =

=p(r,t)-p(r,t=O).
Анализ результатов, полученных в серии од­

номерных расчетов, показывает, что кольцеобраз­

ные возмущения плотности наблюдаются как в

0,27, 0,022, 0,004.

Анализ результатов численных расчетов пока­
зывает,

поля диска,

а,

для

которых

случае
поля

«включения»

диска,

так

и

в

полного
случае

гравитационного

«включения» только

0,01), в

малой части гравитационного поля диска, нахо­

диске наблюдаются кольцеобразные возмущения

дящегося в его экваториальной плоскости. Однако

проводился расчет (а=

плотности,

которые

0,002,

со

а=

0,005,

временем

а=

смещаются

в

сторону внешнего края диска. Однако величина

в последнем случае величина возмущений стано­
вится значительно меньше,

чем

в

случае

«вклю-


44

Глава

1. Допланетная

стадия развития Солнечной системы

t = 0,3

0.1

t= 1

0.075
0.05
Лр 0.025
о

-0.05

о

0.2

0.4

0.6

r
Рис.

15.

Распределение приращения плотности в одномерной модели на разные моменты времени в расчете с учетом
части гравитационного поля для а=

0,002

t= 0,3

5

4

t=J

3
t=2

2
др

о

-1

-2
-3
о

Рис.

1б.

0.2

0.4

r

0.8

0.6

1

Распределение приращения плотности в одномерной модепи на разные моменты времени в расчете с учетом
части гравитационного поля для а=

0,005

чения» полного гравитационного поля диска. Так,

альной

в расчетах при а=

2500

0,01

максимальная величина

и

плоскости,

148.

составляет

соответственно

Наблюдаемые кольцеобразных воз­

возмущений для случаев «включения» полного

мущения плотности в одномерных расчетах по­

гравитационного поля и только части гравитаци-

добны кольцеобразным возмущениям плотности в

онного поля диска, находящегося в его экватори-

двумерных расчетах.


К. В. Брушлинский и др. К вопросу об эволюции протопланетного диска Солнца

45

t~0,3

70
60
50
40
30
20
Лр

10
о

10
-20
-30

-40
-50
-60
о

Рис.

17.

0.2

0.4

r

0.6

0.8

Распределение приращения плотности в одномерной модели на разные моменты времени в расчете с учетом
части гравитационного поля для а=

0,01

Заключение

гипотеза не является новой. Возможности образо­

В настоящей работе представлены результа­

вития кольцеобразных неустойчивостей посвящен

ты расчетов по численному моделированию эво­

ряд работ, например, Эберта Р., Поляченко В. Л.,

люции протопланетного диска Солнца на ее на­

Фридмана А. М. (Местел Л.,

чальной стадии. Предложены приближенные мо­

Представленные результаты численного экспе­

дели протопланетного

од­

римента наиболее близки к выводам работы По­

номерном приближениях. Численные расчеты в

ляченко В. Л. и Фридмана А. М. (Поляченко В. Л.,

вания планетной системы Солнца в процессе раз­

диска в двумерном и

1976; Ebert R., 1964).

двумерной постановке, требующие больших вы­

Фридман А. М,

числительных мощностей, осуществлялись с по­

возможность образования нарастающих со вре­

мощью модифицированного программного ком­

менем

плекса на вычислительной системе МВС-1 ООО

достаточно плоского диска в условиях его грави­

Института прикладной математики им. М. В. Кел­

тационной неустойчивости. В отличие от цити­

дыша РАН.

руемой работы в представленных исследованиях

1972),

в которой они предсказали

кольцеобразных

возмущений

плотности

В проведенных численных экспериментах как

характеристики диска были более близки к реаль­

в двумерной, так и в одномерной постановках на­

ным. Численное моделирование эволюции прото­

блюдалась перестройка структуры протопланет­

планетного диска показало, что нарастающие

со

ного диска Солнца с появлением кольцевых об­

временем кольцеобразные возмущения плотности

ластей, в которых течения среды развиваются та­

имеют характер волны возмущений, распростра­

ким образом, что они приводят к концентрации

няющейся по диску, причем возмущения затраги­

вещества (увеличению плотности вещества) в оп­

вают не только плотность вещества, но и форму

ределенных сечениях этих областей.

(геометрические размеры) диска. Достаточно вы­

Одна из гипотез, которая может объяснить

сокая

точность

численного

эксперимента

дает

наблюдаемые эффекты при перестройке прото­

возможность

планетного диска Солнца, есть гравитационная

тойчивости, когда они еще практически не прояв­

неустойчивость диска, в результате которой могут

ляются в изменениях плотности, но уже видны на

образовываться кольцевые неустойчивости.

линиях тока среды диска.

Эга

проследить

зарождающиеся

неус­


Глава

46

1. Допланетная стадия развития Солнечной системы
Крат В. А.

Литература

Фигуры равновесия небесных тел.

(1950)

М.:ГТТИ.

1

Алшzыкин Г. Б.,
на Е. А.,

Жуков В. Т.,

Забродин А. В.,

Новожилова Г. Н.,

Заброди­

Плинер Л. А.,

пов Г. П., Феодоритова О. Б.

(2004)

Проко­

Методика чис­

ленного моделирования двумерных нестационарных

течений теплопроводного газа в трехтемпературном

Лидов МЛ.

(1954)

Точные решения уравнений одно­

мерных неустановившихся движений газа с учетом

сил ньютоновского тяготения

//

ДАН СССР. Т.

97.

№3. С.409.
Мануковский К. В.

(2005)

Гидродинамические процес­

приближении в областях сложной формы с подвиж­

сы в тороидальной атмосфере вращающегося кол­

ными границами (Н3Т). М.: ИПМ им. М. В. Кел­

лапсара: Дис .... к. ф.-м. н. М.

дыша РАН. Отчет НИР №

8-1-04. 244

Местел Л.

с.

Влияние начальных условий на характеристики и эво­

люцию протопланетного диска.

Программе
№

18

(2007)

Отчет по

фундаментальных исследований РАН

«Проблема зарождения биосферы Земли и ее

эволюции», подпрограмма №

1,

пункт

1.1.2.

М.

Годунов С К., Забродин А. В., Иванов М Я., Крайко А. М,
Прокопов Г. П.

(1976)

Численное решение много­

мерных задач газовой динамики. М.: Наука.

Долголева Г. В.

(1983)

400 с.

Методы расчета движения двух­

температурного излучающего газа

//

ВАНТ. Сер.

Методики и программы численного решения задач

математической физики. Вып.

2/13/. С. 29-33.
(1961) Теория притяжения. М.: Физмат­
гиз. С. 113-120.
Жуков В. Т. (2010) О явных методах численного интег­
рирования для параболических уравнений // Мате­
матическое моделирование. Т. 22. № 10. С. 127-158.

Дубошин Г. Н.

Забродин А. В., Забродина Е. А., Легкоступов М. С,
Мануковский К. В., Плинер Л. А.

(2006)

Некоторые

Магнитная гидродинамика, гидро­

(1976)

динамика, динамика солнечной системы в различ­

ных моделях// Происхождение солнечной систе­
мы/ Под ред. Г. Ривса. М.: Мир. С.39-49.
Некоторые приближенные модели для численного ре­

шения задачи об эволюции протопланетного диска
Солнца.

(2008)

Отчет по Программе фундаменталь­

ных исследований РАН №

18

ма №

1,

пункт

1.1.2. М.

Поляченко В. Л., Фридман А. М.

Численное моделирование эволюции протопланетного

диска Солнца на начальной ее стадии.

№

25

Мануковский К. В., Плинер Л. А.

(2008)

Некоторые

модели описания протопланетного диска Солнца на

начальной стадии его эволюции

//

ждения и эволюции биосферы

/

Под ред. Э. М. Га­

лимова.

«Либроком»/URSS.

Книжный дом

М.

диска Солнца на начальной ее стадии.

(2006)

Отчет

по Программе фундаментальных исследований РАН

25

«Проблема зарождения биосферы Земли и ее

1,

пункт

1.1.2.

М.

Численное моделирование эволюции протопланетного

Забродин А. В., Забродина Е. А., Легкоступов М. С,

М.:

1, пункт 1.1.2.

Численное моделирование эволюции протопланетного

эволюции», подпрограмма №

297-316.

Отчет

«Проблема зарождения биосферы Земли и ее

эволюции», подпрограмма №

№

С.

(2005)

по Программе фундаментальных исследований РАН

начальной стадии его эволюции// Препринт ИПМ

70.

(1972) О законе пла­
49. № 1. С. 157-164.

нетных расстояний// Астр. ж. Т.

модели описания протопланетного диска Солнца на

им. М. В. Келдыша РАН. №

«Проблема зарожде­

ния биосферы Земли и ее эволюцию>, подпрограм­

Проблемы заро­

диска Солнца.

(2009)

Отчет по Программе фунда­

ментальных исследований Президиума РАН №

15

«Происхождение биосферы и эволюция геобиоло­

1. М.
(2005) Instability of isolated compressiЬ!e entropy-stratified vortices // Physics of Fluids.
V. 17. Р. 1-15.
гических систем», подпрограмма №

Меп 'shov

I,

Nakamиra У.


(HF-W, RB-SR, J-Pu-XE,

АНАЛИЗ изотопных СИСТЕМ

U-Рв) ПРИМЕНИТЕЛЬНО

К ПРОБЛЕМЕ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛАНЕТ НА ПРИМЕРЕ СИСТЕМЫ ЗЕМЛЯ-ЛУНА

Э. М Галимов
Институт геохимии и аналитической химии им. В. И Вернадского РАН
galiтov@geokhi.ru

Анализ изотопных систем приводит к следующим заключениям, которые должны быть учтены в качестве
геохимических ограничений при создании моделей аккумуляции планет, в том числе системы Земля-Луна.

Анализ

182

Hf- 184W системы показывает, что Луна не могла образоваться раньше 50 млн лет, отсчитывая

от времени возникновения Солнечной системы. Поскольку, с другой стороны, на Луне имеются породы, воз­

раст которых определен приблизительно в

70 млн

лет с момента образования Солнечной системы,

тема указывает на вероятный интервал образования Луны
Из анализа

Rb-Sr

Hf-W

сис­

50-70 млн лет.

системы следует, что прежде, чем Луна сформировалась как конденсированное тело,

она должна была развиваться в среде с более высоким отношением RЬ/Sr. Рубидий мог быть утрачен как высо­
ко летучий элемент. Но вследствие большого атомного веса его убегание невозможно с поверхности Луны, а
возможно лишь с нагретой поверхности небольших тел или частиц. Следовательно, наиболее вероятно, что

вещество, исходное для Луны первые

50

млн лет (как следует из

Hf-W

системы), пребывало в диспергирован­

ном состоянии, например, в виде газопылевого скопления.

В отношении Земли известен Хе-парадокс, суть которого в том, что атмосферный земной ксенон содер­

жит существенно меньше изотопов

129

Хе и

134

Хе, образующихся из

129

J и

244

Pu, чем следовало бы ожидать.
120 млн лет существо­

Изотопный состав земного Хе выглядит так, как если бы Хе, образовавшийся в первые
вания вещества Земли, был утрачен. Хе

-

атмофильный элемент, концентрирующийся в атмосфере планеты.

Но вследствие высокого атомного веса убегание его с поверхности планеты невозможно. Он мог быть утрачен

либо при катастрофической потере атмосферы планеты, либо если исходное вещество Земли находилось пер­
вые

120

млн лет в диспергированном состоянии в виде частиц или небольших тел.

Аналогичная ситуация с дефицитом свинца имеет место в

U-Pb системе. Французский ученый К. Аллегр и
206
другие исследователи показали, что существует дефицит радиогенных изотопов свинца РЬ и 207 РЬ, как если бы
первичный свинец на Земле был утрачен. Одна из возможностей, которую поддерживают К. Аллегр с соавтора­

ми, состоит в том, что дефицит свинца вызван его вовлечением в земное ядро. Однако РЬ

-

высоко-летучий эле­

мент. В силу высокого атомного веса он не может быть утрачен с поверхности планеты, даже если она представ­

ляла собой раскаленную магму. Но он мог быть утрачен с поверхности нагретых частиц и небольших тел. Совме­

стное решение уравнений для систем
если исходное вещество Земли

U-206Pb и 231 U-207Pb, показывает, что согласованное решение получается,
первые - 120 млн лет пребывало в диспергированном состоянии.
238

Таким образом, рассмотренные изотопные системы согласуются с моделью, согласно которой формиро­

вание планет происходит за счет аккумуляции и последующей конденсации крупных газопылевых сгущений.
Это не исключает частичную твердотельную аккумуляцию. В отношении системы Земля-Луна можно пред­
положить, что ко времени

- 50-70 млн

лет произошла фрагментация исходного облака, приведшая к обособ­

лению и формированию Луны, а полная конденсация его завершилась к

- 120

млн лет, когда планета Земля

сформировалась как консолидированное тело.

Твердотельная

Введение

аккумуляция

предполагает,

что в протопланетной небуле, окружавшей ранее
Современная,

так

называемая

стандартная

Солнце, происходило слипание пылевых частиц,

теория планетообразования, предусматривает твер­

образование

дотельную аккумуляцию планет, по крайней мере,

крупного размера: от сантиметрового до многоки­

внутренних планет солнечной системы

лометрового. Столкновение планетезималей в ко­

1980;

Chaтbers,

2004).

( Wetherill,

тел

(планетезималей)

все

более

нечном счете привело к формированию четырех


Глава

48

1. Допланетная

стадия развития Солнечной системы

внугренних· планет Солнечной системы: Мерку­

момент, отвечающий угловому моменту системы

рия, Венеры, Земли, Марса.

Земля-Луна.

мегаимпакта:

формирования Луны в результате

действующих на нее сил. Это сила гравитации,

столкновения Земли с другим небесным телом

т. е. притяжения между частицами, упругие силы,

планетного размера

возникающие при столкновении частиц, наконец,

~ русле этой логики находится и гипотеза

2000;

Сапар,

(Hartmann, Davis 1975; Melosh,

2004).

Для каждой

частицы составлялся баланс

это сила, учитывающая потерю энергии частицей

Мы полагаем, что образование консолиди­

в связи с переходом ее в тепло. Внутри облака

рованных тел в Солнечной системе происходи­

должно происходить адиабатическое увеличение

ло двумя путями. Часть вещества протопланет­

температуры. Соответствующие уравнения были

ной небулы достаточно быстро, в течение от

1 до

переведены на язык компьютерной программы.

в твердые тела

Затем на суперкомпьютере решалась задача кол­

(планетезимали) размером до десятков километ­

лективного поведения сотен тысяч таких частиц,

ров. Другая (большая) часть образовывала растущие

имитирующих газопылевое облако.

1О млн

лет,

консолидировалось

крупные газопылевые сгущения. Формирование

При компьютерном моделировании действи­

планет происходило за счет сжатия супрапланет­

тельно происходило сжатие облака частиц, увели­

ных газопылевых сгущений, формировавшихся в

чение температуры во внутренней части облака,

первичной протопланетной небуле параллельно с

но не происходила фрагментация, т. е. раздельное

образованием твердых тел (Галимов и др.,

образование зародышей Земли и Луны. Фрагмен­

Галимов,

2005;

2011).

тация ожидается вследствие увеличения скорости

В этой работе мы не рассматриваем механизм

вращения в процессе сжатия облака. Заложенный

возникновения газопылевых сгущений, а интере­

в условия задачи суммарный вращательный мо­

суемся вопросом, насколько эволюция таких газо­

мент облака, отвечающий суммарному вращатель­

пылевых сгущений согласуется с геохимическими

ному моменту Земли и Луны, оказался недоста­

ограничениями.

точным для фрагментации.
Следовало однако учесть, что в процессе сжа­
тия облака происходило испарение частиц. Поток

1.

Модель

пара с поверхности испаряющейся частицы обра­
зует

В качестве примера возьмем систему Земля­

силу

силы

отталкивания,

гравитации

и

направленную

частично

против

компенсирующую

Луна, для которой мы располагаем наибольшим

ее. Тогда фрагментация становится возможной при

количеством данных.

меньшей величине вращательного момента. Учет

Из внугренних планет Солнечной системы

этой силы в уравнениях баланса сил привел к ре­

только Земля имеет крупный спутник. Два спутни­

шению задачи. Сжатие облака теперь на опреде­

ка Марса,

ленном этапе процесса приводило к его фрагмен­

Фобос и Деймос, представляют собой

небольшие обломки неизвестного происхождения.

тации. Рисунок

Венера и Меркурий не имеют спутников.

ментации,

1 показывает

полученные

при

фазы развития фраг­
численном

компью­

Фрагментация газопылевого облака и образо­

терном моделировании процесса сжатия с учетом

вание спутников зависит от величины первичного

процесса испарения частиц. Более подробно смот­

вращательного момента облака. Существенно, что

рите в (Галимов и др.,

система Земля-Луна имеет наибольший момент

цов,

2005;

Ле-Захаров, Крив­

2008).

количества движения среди внутренних планет.

Испарение оказывает влияние не только на

Для исследования процесса сжатия газопы­

динамическое поведение газопылевого облака, но

левого облака был привлечен метод динамики

и

частиц

пылевых частиц.

цова,

(Hockney, Eastwood, 1988; Кривцов, Крив­
2002; Ле-Захаров, Кривцов, 2008). Ансамбль

частиц

описывался

классическим

уравнением

приводит

к

изменению

химического

Луна, как известно, обеднена
оксидами Са,

Al, Ti.

Fe

состава

и обогащена

Необходимость объяснить

Газопылевому облаку

обедненность Луны железом всегда была главным

для конкретного случая был приписан угловой

требованием к предлагаемым моделям происхож-

Ньютоновской динамики.


Э. М Галимов. Анализ изотопных систем применительно к проблеме формирования планет

."'·· ·~

. .:
"~

Рис.

49

..

"

".~"

" ...

:

."

1. Фазы фрагментации газопылевого сгущения родоначального для Земли и Луны, полученные с помощью компыо­
терного моделирования (Галимов и др., 2005)

дения Луны. Земля, как известно, имеет массив­

возникнуть в процессе сжатия газопылевого обла­

ное железное ядро, составляющее более

ка первичного космического состава.

30 %

ее

массы, в то время как Луна, исходя из ее плотно­
сти и момента инерции, не может иметь железное

ядро, превосходящее

5 % ее

Возникает, однако, вопрос

-

почему только

Луна обнаруживает высокотемпературные свой­
ства, а Земля имеет состав, практически неизме­

массы.

Эффект испарения позволяет одновременно
объяснить как наблюдаемый дефицит

нённый по отношению к первичному космиче­

так и

скому составу. Ведь в момент фрагментации оба

обогащенность Луны тугоплавкими окислами Са,

фрагмента, и будущая Луна, и будущая Земля, яв­

Al

и

Fe

Ti.

ляются одинаково высокотемпературными обра­

Основные породообразующие окислы обра­

зованиями. Дело в том, что при фрагментации об­

зуют ряд от наиболее летучих к наиболее туго­

разуются лишь зародыши Земли и Луны. Большая

плавким. Окислы Са,

наиболее туго­

часть материала газопылевого облака продолжает

плавкие окислы, входящие в состав пород. Если

оставаться в окрестностях образовавшихся кон­

взять любую породу, расплавить ее и начать ис­

денсированных тел. Компьютерное моделирова­

парять, то первыми уйдут в виде пара так назы­

ние показывает, что если возникшие фрагменты

Al

и

Ti -

ваемые щелочные элементы: окислы К и
тем окисел железа

(FeO).

Na,

за­

Потом настанет очередь

более тугоплавких окислов

Si

и

Mg.

После этого

в расплаве останутся в основном окислы Са,

и

сильев и др.

2011).

( Vasilyev et al, 2004,

Ва­

Если фрагмент, которому пред­

стояло стать Землей, имел большую массу, чем

в ко­

фрагмент, которому предстояло стать Луной, по­

торой оно присутствует в первичном веществе,

давляющая часть окружающего вещества была

обнаруживает относительную летучесть. Расче­

поглощена зародышем Земли, и лишь незначи­

ты,

данных,

тельная часть выпала на протолуну. Компьютер­

первичного

ное моделирование показывает, что если зародыш

Ti (Hashimoto, 1983).

основанные

показали,

что

на

если

Железо в форме

Al

имеют неодинаковую массу, то больший из них

растет гораздо быстрее

FeO,

экспериментальных
взять

вещество

космического состава (его называют хондрито­

Земли был в

вым), то после испарения приблизительно

Земля в ходе последующей аккреции окружающе­

40 %

4 раза

больше зародыша Луны, то

этого первичного вещества, состав остатка почти

го материала вырастет в

точно соответствует составу материала Луны (Га­

Луна вырастет только на

лимов,

Земли, аккумулировавшей большую часть исход­

2004).

26 раз,
30 %.

в то время как
Поэтому состав

Таким образом, химический состав Луны, в

ного материала, приблизился к первичному кос­

том числе наблюдаемый дефицит железа, может

мическому составу, в то время как Луна практиче-


Глава

50

1. Допланетная

стадия развития Солнечной системы

ски сохранила свой вь1сокотемпературный облик

окисленном состоянии

и состав.

венные хондриты

flротопланетное газопылевое сгущение, в

-

в форме

Обыкно­

FeO.

содержат металлическое желе­

зо, но лишь в подчиненном количестве.

том числе родоначальное для Земли и Луны га­

Образование при этом массивного металли­

зопылевое сгущение, имело состав, близкий к

ческого ядра требует удаления эквивалентной мас­

составу солнечной небулы. Соответственно, пы­

сы кислорода. Приемлемого механизма для этого

левая компонента имела состав, подобный соста­

никогда не было предложено.

ву углистых хондритов

а газовая среда, как и

Процесс восстановления железа первичным

в солнечной небуле, была представлена в основ­

водородом в ходе сжатия облака частиц дает есте­

CI,

ном водородом. Причем ресурс водорода был ог­

ственное решение этой проблемы. Вода, вьще­

ромен.

супрапланетного

ляющаяся в этом процессе, выжимается вместе с

сгущения первоначально должна бьmа более чем

водородом в парогазовой фазе из сжимающегося

на

облака частиц и покидает протоземное сгущение.

Масса

порядок

его

в

составе

превосходить

суммарную

массу

ос­

Это

тальных частиц.

-

процесс гидродинамического выноса.

Водород выполняет две функции. Во-первых,

В этой связи важно отметить, что новую ин­

это газ-носитель, обеспечивающий в процессе сжа­

терпретацию приобретает вообще проблема дега­

тия газопылевого сгущения гидродинамический

зации Земли. Земля утратила не только летучие

вынос соединений и элементов, вышедших в га­

соединения

зовую фазу. Во-вторых, это эффективный восста­

азот, метан, СО 2 , но она обеднена тяжелыми лету­

новитель.

чими. Их она должна бьmа удерживать. Гидроди­

легких

элементов,

такие

как

воду,

В центральной фрагментирующей части об­

намический режим в потоке водорода обеспечи­

лака будут достигнуты температуры, достаточные

вает вынос летучих тяжелых элементов, таких как

для испарения

Хе и другие благородные газы, а также неатмо­

FeO.
Испарение FeO

происходит инконгруэнтно.

Фактически в паре присутствуют

Fe + 0 2 .

фильных тяжелых элементов, таких как

Rb,

РЬ и

Кисло­

других, находящихся при РТ-условиях газопыле­

род связывается водородом, а металлическое же­

вой среды в фазе пара. Такой вынос невозможен с

лезо выделяется в диспергированном виде.

поверхности планеты и невозможен без огромно­

Зародыши Луны и Земли обеднены железом в
результате утраты его в виде

го ресурса газа-носителя.

Однако в ходе

Утрата летучих, в том числе тяжелых элемен­

продолжающейся аккреции Земли, протекающей

тов, естественно вписывается в сценарий, в кото­

в среде водорода, диспергированное железо будет

ром формирующаяся планета имела протяженную

конденсироваться в металлические частицы.

оболочку, представленную смесью частиц и газо­

FeO.

Твердые металлические частицы могут осаж­

вой фазы, в которой доминировал водород.

даться против газового потока к центру масс. Таким

Общность источника вещества Земли и Лу­

образом, материал будущего ядра Земли начинает

ны делает естественным и необходимым совпа­

формироваться за счет осаждения металлического

дение

железа сквозь парогазовую фазу.

один из труднообъяснимых фактов гипотезы ме­

Луна сохранила остаточное железо в основ­

ном в виде

изотопных

составов

элементов.

Это

-

гаимпакта.

в то время как Земля в ходе даль­

Прежде всего, это относится к совпадению

нейшей аккреции наращивала содержание метал­

линий изотопного фракционирования кислорода:

FeO,

16

лического железа.

Осуществление такого сценария влечет за со­

0- 17 0- 180. Линии изотопного фракционирова­

ния кислорода весьма индивидуальны для разных

2011).

тел Солнечной системы. На этом фоне совпа­

Всегда представляло собой проблему объяс­

дающие линии фракционирования Луны и Земли

нение того факта, что Земля и другие планеты со­

являются сильным свидетельством генетического

держат массивные металлические ядра, в то время

сходства их вещества.

бой несколько важных следствий (Галимов,

как первичное вещество содержит железо в окис­

Компьютерные

расчеты

показали,

что

рас­

ленной форме. В исходном веществе состава уг­

плавленное вещество, выбрасываемое согласно ги­

листых

потезе мегаимпакта на околоземную орбиту, про-

хондритов

железо

содержится

только

в


Э. М Галимов. Анализ изотопных систем применительно к проблеме формирования планет

51

80 % за счет вещества ударника (Melosh, 2000;
Сапар, 2004). Но тогда имеющиеся черты сходст­

182
ческую фазу. Так как источник W, радиоизотоп
1s2Hf, остается в силикатном части, отношение
182W/184W там увеличивается по сравнению с не­

ва состава Луны

дифференцированным веществом (хондритового

исходит не из земной мантии, а, по крайней мере,

на

и

Земли

оказывались

скорее

v

контраргументами к гипотезе мегаимпакта. Сов­

состава). Чем раньше произошла дифференциация,

падение

тем больше будет величина сдвига

трех-изотопно-кислородной

характери­

(Ew).

Диффе­

стики Луны и Земли маловероятно для случайно

ренциация должна произойти в первые десятки

столкнувшихся тел. Чтобы спасти гипотезу, вы­

миллионов лет,

двигались разные предположения, например, что

ностью не вымер. Вначале были обнаружены до­

вещество, формировавшее Луну, пребывало в ат­

вольно заметные позитивные сдвиги

1s2Hf

пол-

(Stevenson, 2005;

Ew для Луны
и отсутствие таковых для Земли (Lee, Halliday,
1995; Lee et al" 1997; Halliday, Lee, 1999). Позже
были опубликованы работы (Schoeberg et al" 2002;
Yin et al" 2002), ставящие под сомнение аналитиче­

Если даже допустить

скую методику, использованную в ранних работах.

мосфере силикатного пара Земли, вызванного ме­
гаимпактом. При этом якобы произошло пере­
уравновешивание и выравнивание изотопного со­

става кислорода Луны и Земли

Pahlevan, Stevenson, 2008).

v

пока короткоживущим

ки­

Ревизия изотопных данных привела к переоценке

слорода в атмосфере пара, что крайне маловеро­

времени формирования ядра Земли и возникнове­

возможность

переуравновешивания

изотопов

ятно, то это совершенно исключено для тугоплав­

ния Луны

ких элементов, таких как

родил также тот факт, что, как выяснилось, замет-

Ti

и

W,

которые в пар не

v

ныи вклад в продукцию из

переходят.

Недавно было показано, что изотопные соста­
вы

Ti

Луны и Земли совпадают в пределах

ницы Е

sот·

1,

Неопределенность по­

(Yin et al" 2002).

0,1

еди­

в то время как для разных космических

ыточного

1s2w

может

вносить реакция взаимодействия тантала с космо­
182
182
генными нейтронами {1 81 Та (n)---'* Та (~)---'* W)
(Leya et al" 2000). Недавние исследования изото­

единиц

пии вольфрама в лунных металлах, которые не

Аналогичным образом уста­

содержат Та, показали, что в этом случае избыток

v

тел диапазон вариации

(Zhang et al, 2011).

s:soт·

б

u

1

превосходит

7

W совпадают для
182
Земли и Луны, хотя величины e W заметно

182W вообще отсутствует (Kleine et al" 2005; Touboul et al" 2007).

варьируют в разных небесных телах. На этом мы

В конечном счете, после внесения корректи­

подробно остановимся ниже в связи с анализом

вов в предшествующие исследования был достиг­

Hf-W системы.

нут консенсус и сформулированы следующие по­

новлено, что изотопные составы

Наблюдаемая картина распределения стабиль­
ных изотопов в системе Земля-Луна в деталях

ложения (Кleine

1)

согласуется рассматриваемой гипотезой и не со­

гласуется

с

гипотезой

мегаимпакта

(Галимов,

отношения

et al" 2009):
Hf/W различны для современных
17 ± 5 и 26 ± 2 соответственно;
состав W практически одинаков

Земли и Луны:

2)

2004, 2011).

изотопный

для Земли и Луны в пределах

Рассмотрим теперь некоторые изотопные сис­

ле 182 w = о,о9 ± 0,1;

темы, включающие радиогенные изотопы, с целью

анализа временной эволюции протопланетного га­
зопылевого облака. Начнем с системы

3)

Hf-W.

изотопные составы

e

известно,

Земли и Луны незначи­

182W=+l,9.

Что из этого следует в рамках гипотезы мега­

2. Hf-W
к ак

W

тельно отличаются от хондритового

импакта с одной стороны и гипотезы фрагмента­

1s2Hf -

v

короткоживущим изо-

топ, который с периодом полураспада

8,9 млн лет
182
переходит в W. Гафний и вольфрам разделяются
при сепарации железа из силикатов. Hf лито­
фил, удерживающийся в силикатах, W пре­
имущественно сидорофил, уходящий в металли-

ции

-

с другой?

Поскольку изотопный состав Луны и Земли
одинаков, а

Hf/W отношение

различно, это значит,

что наблюдаемое различие возникло после того,
как источник радиогенного
тически полностью вымер.

182W,

т. е.

182Н f,

прак-


Глава

52

1. Допланетная

стадия развития Солнечной системы

Авторы

(Kleine et а!., 2009) произвели такую
182
оценку. Для того, чтобы величина ЛЕ W оказа­
лась'1в пределах 0,09±0,1 (если величина + 0,09
значима!), возраст события должен быть ~ 60 млн
лет после возникновения Солнечной системы. Во

фрагментации одинаковость изотопного состава

вольфрама Луны и Земли естественны. При этом
мы получаем численную оценку времени фраг­
ментации: приблизительно

лет после за­

В предшествующих работах различие Ew ме­

всяком случае, Луна не могла образоваться рань­
ше

60 млн

рождения Солнечной системы.

жду хондритовым (исходным) и земным изотоп­

50 млн лет.
Эта величина представляет важное времен­

ным составом вольфрама связывали с процессом

ное ограничение для событий в обеих гипотезах.

формирования ядра. Действительно, это

В гипотезе фрагментации

более

-

это время фрагмен­

очевидная

возможность,

Hf и W

наи­

-

вытекающая

из

тации, когда геохимическая история Луны и Земли

склонности

разделились. До этого момента они представляли

кат/металл. Между тем, сдвиг Ew возникает, если

к разделению в системе сили­

общее вещество, и естественно, изотопный состав

просто имело место различие отношений

их вольфрама был одинаков. После

для принятого хондритового и исходного для про­

соотношение

Hf/W

- 60

млн лет

стало различным, но оно уже

не могло заметно изменить изотопный состав

W

тоземного (лунного)

В гипотезе мегаимпакта это должно означать

отношения. Расчет по­

казывает, что наблюдаемое Ew =
если за

ни в Луне, ни в Земле.

Hf/W

Hf/W

+1,9

возникает,

50-60 млн лет Hf/W отношение для прото­
2,2 раза

земного газопылевого тела в среднем в

время мегаимпакта. Но здесь ситуация гораздо

превосходило хондритовое. Заметим, что отноше­

хуже. Во время мегаимпакта встретились тела,

историю. Поэтому они либо случайно должны

ние Hf/W для углистых хондритов, 180Hf/1 W =
= 1,21±0,06, в 2 раза отличается от Н-хондрито­
180
184
вого: Hf/ W = 0,63 ± 0,20 (Кleine et а!., 2008).

иметь совпадающие изотопные составы вольфра­

Ограничивающим критерием для любой ги­

имевшие к тому времени разную геохимическую

84

ма, либо процесс мегаимпакта должен привести к

потезы является экспериментально

гомогенизации изотопного состава всей возник­

возраст древнейших пород Луны. Если нижняя

шей общей массы. Эта проблема аналогична про­

граница образования Луны составляет

блеме, которую ставит перед гипотезой мегаим­

то верхняя граница определяется возрастом самых

пакта наблюдаемое совпадение линий фракцио­

ранних пород.

нирования изотопов кислорода для Луны и Земли.
В любом случае, это противоречит динамиче­
ской

модели

что более

табл.

1

видно,

что

возраст

50 млн

лет,

изученных

4,44--4,50 млрд

лет,

утверждает,

т. е. даже при случайном отборе образцов астро­

вещества выброса и, следователь­

навтами экспедиции «Аполлою> в коллекции ока­

мегаимпакта,

80 %

Из

древнейших пород составляет

измеренный

которая

но, гипотетической Луны, происходит за счет ве­

зались образцы, для которых определен возраст

щества импактора.

70-11 О

миллионов лет. Вполне возможно, что это

Авторы статьи это понимают. Я цитирую:

не самые древние образцы. Следовательно, Луна

«То, что такие разные объекты как протоземля и

образовалась, скорее всего, в период, не выходя­

импактор, эволюционировали бы к идентичному

щий за пределы

изотопному составу

Солнечной системы.

W

весьма маловероятным

составы

W

в их мантиях,

... идентичные

кажется

50-70 млн

лет после образования

изотопные

лунной и земной мантий могли бы

3. Rb-Sr

указывать на то, что Луна произошла главным об­
разом из вещества земной мантии

... но

это не со­

87Rb -

гласуется с результатами численного моделирова­

ния, которые во всех случаях указывают, что Луна
состоит преимущественно из материала импакто­

et а!., 2009).
Данные Hf-W изотопного

v

долгоживущим изотоп с очень длитель-

ным периодом полураспада: Т 112 = 48,8 · 109 лет,
постоянная распада Л 87 =1,42·10- 11 лет- 1 .
Особенность RЬ-Sr системы применительно

рю> (Кliene

анализа ставят пе­

к рассматриваемой модели состоит в том, что

весьма летучий элемент. Очевидно, что Луна

ред гипотезой мегаимпакта трудные, я думаю, не­

Rb -

преодолимые проблемы. В то же время в гипотезе

должна быть существенно обеднена

Rb.


Э. М Галимов. Анализ изотопных систем применительно к проблеме формирования планет

53

Таблица

1

Оценка возраста древнейших пород Луны
Возраст

Объект анализа

Ферроанортозит

от сегодняшнего дня

от начала Солнечной

(млрд лет)

системы (млн лет)

4,5 ± 0,01

67 ± 10

Изотопная

Лунная кора

Descartes
breccia 67215

117 ± 100

4,46 ±0,04

107 ± 40

4,47 ±0,02

97±20

Напап, Тilton,

2обРЬ-201рь

1987

60025
4,45 ± 0,1

Авторы

система

Перерасчет данных
(Напап, Тilton,

Halliday, 2008

1987)

Norman et а/.
2003
Tera et al., 1973

U-Pb

Alibert et а/.,
1994

141Sm-14зNd

Ферроанортозит

67016

> 4,5 (*)

< 70

Ферроанортозит

62236

4,29 ±0,03
4,45 ± 0,01

277 ± 30

4,42 ± 0,07

137 ± 70

4,46 ± 0,07

107 ± 60

Sm-Nd

Shih et al., 1993

4,44 ± 0,02

127 ± 20

Sm-Nd

Carlson and
Lugmair, 1988

КRЕЕР
Норит обломочный

Ферроанортозит

15445

60025

141Sm-'4зNd

Nyquist, Shih,
1992

4,562 ± 0,068

*

Нулевая точка эволюции RЬ--Sr системы оп­
ределяется исходным (солнечным) отношением
87

86

RЫ Sr

т. е. 4,568 млрд лет.
времени t.

0,92 (Grevese et а!., 1998) и начальным

=

отношением изотопов

стронция в

самых ранних

образованиях CAI: ( Sr/ Sr)0 = 0,69892 (Carlson,
86
87
RЬ/ Sr = 0,018. На­
87

86

Lugmair, 1988). У Луны

чальное отношение изотопов стронция для Луны
7
86
Sr / Sr)i-Moon = 0,69906 (Carlson, Lugmair, 1988).

(8

87

При наблюдаемой величине отношения RЬ/ Sr
для Луны (0,018) через 60 млн лет отношение изо­
топов Sr достигло бы только величины 0,69893 меньшей, чем присушее Луне 0,69906. Следова­
86

тельно, исходное для Луны вещество находилось

до образования Луны в среде с более высоким со­

держанием

Rb.

газопылевом

-

родоначальное газо­

теле,

постепенно

теряющем

рубидий, можно описать следующим образом.
Изотопный состав стронция в некоторый дан­
ный момент

t определяется

соотношением:

87 ) = [ ~
87 ) ~[
87 ь Л 8 1То
~
86
+ 86
е
[ 86 Sr
Sr 0
Sr
1
где То

-

RЬ/ Sr относится к моменту
86

Если отношение RЬ/Sr изменяется вследствие
утраты

ния

Rb,

можно, сохранив структуру выраже­

рассматривать

(1 ),

некоторое эффективное

отношение (RЬ/Sr)etr:

s7sr) =[87sr) +[s7Rb)
[ 86Sr
86sr
86Sr
О

t

.is1(To-t)(is1·t

-1).

ejf

(2)
Экспоненциальный множитель е" 87 (Т0 -t) обо­
значим а 87 • При

лет,

t = 0,06 млрд лет и Т0 = 4,568 млрд
as 7 = 1,07.
87
86
Эффективное отношение ( RЬ/ Sr)e// пред­

функции <i'Rь(t), определенное следующим образом:

пьmевое тело. Изменение изотопного состава строн­
в

87

ставляет собой интегрально усредненное значение

В нашей модели это

ция

Borg et al., 1999

Sm-Nd

_

е

Л 87 (Т0 -t)]

'

(1)

время, прошедшее с момента возникно­

вения Солнечной системы до сегодняшнего дня,

[ <l'Rb (t)

1Р

: 6~:)
7

=

1,07[

=

н <l'Rь(t) · dt.

ejf

(3)

О

Здесь есть аналогия с величиной ( 87 RЬ/ Sr)пR
(time integrated ratio), которую применяли Хали­
дей и Порсели (Halliday, Porcelli 2001), хотя и с
86

другим смысловым содержанием.

(/)Rь(t)

-

закон, по которому происходит из­

менение RЬ/Sr отношения в исходном газопыле­
вом супрапланетном сгушении.


Глава

54

1. Допланетная

стадия развития Солнечной системы

87Rb; sбsr
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,11°·2
0,1
0,018
10

о

Рис.

2.

87

=

30

40

60

50

70

млн. лет

Кривая, приблизительно аппроксимирующая функцию Q>Rь(t) при ее начальном значении
О, 17 в интервале от О до

т.

20

60

0,92

и среднем значении

млн лет

86

87

86

Если отождествить ( Sr/ Sr)o,Oб с ( Sr/ Sr)i-M<xш,
е. 0,69906, то получим значение для [</>Rь(t)]cp =
0,17. Эта величина характеризует интегрально

сом

(Podosek, Ozima, 2000; Swindle, Podosek, 1988;
Allegre, et al" 1995). Парадокс состоит в том, что
судя по изотопному составу земного Хе, Земля

усредненное значение отношения RЬ/Sr от начала

утратила ксенон, образовавшийся в первые

Солнечной системы ( RЬ/86 Sr = 0,92) до момента
86
фраrментации (выделения Луны). Значение 87 RЬ/ Sr

130 млн лет,

87

его удерживать.

Содержание радиогенного

в момент фрагментации не определено. Его мож­

129

но вычислить, если известна функция </>Rь(t).

Точный вид этой функции остается неизвест­
ным. Но приблизительно ее ход можно построить

110-

хотя гравитационно она должна была
129

Хе, источником

136

которого является
1 и Хе, источником которого
244
является Pu, в атмосферном Хе, гораздо меньше,
129
2
чем можно было бы ожидать. 1 и 44pu являются

по правилам построения усредняющих функций.

относительно

Возникнет семейство кривых, удовлетворяющих

риодами полураспада

короткоживущими

изотопами

с

пе­

60 млн лет.

17 и 81 млн лет соответст­
венно. Было показано (Podosek, Ozima, 2000), что
1291 129
как в случае системы
- Хе, так и в случае сис244
13
темы Pu- 6xe наблюдаемые соотношения изото­

Она соответствует изменению величины потока ле­

пов ксенона отвечают ксенону такого состава, кото­

тучего компонента

рый Земля начала удерживать после

одной и той же средней величине

0,17.

На рис.

2 по­

казана кривая, качественно отвечающая характеру

зависимости <i>Rь(t) в интервале от О до

(Rb) из сжимающегося облака.
87
86
Отношение RЬ/ Sr, характерное собственно
86
87
для Луны ( RЬ/ Sr = 0,018), возникло в результа­
те быстрой утраты Rb в относительно коротком и

ря на то, что источником этих радиогенных изо-

высокотемпературном

топов могут быть не только

процессе

фрагментации,

который не повлиял существенно на достигнутое

к этому времени отношение ( Sr/ Sr)i-Moon·
87

86

Применить анализ RЬ-Sr системы к случаю

лет

110-130 млн
(Podosek, Ozima, 2000; Allegre et al" 2008).
Дефициты

ков, Мешик,

129

Хе и

136

Хе проявляются несмот129

1и

244

Pu (шуколю-

1994).

Объяснение этого факта, помимо некоторых
экзотических гипотез

(Porcelli et

а!"

2001),

сво­

мегаимпакта, строго говоря, невозможно, так как

дится к предположению, что первичная атмосфе­

речь идет о теле (импакторе), геохимический об­

ра Земли, накопившаяся за счет ее дегазации в

лик которого неизвестен.

процессе аккреции (имеется в виду столкнови­
тельная, ударная аккумуляция), была потеряна в

результате какого-то катастрофического события,
приходящегося на время~

В изотопии ксенона существует проблема,
которую

иногда

называют

ксеноновым

парадок-

Халлидей

110-130 млн лет.
(Halliday, 2008) предположил,

что

это как раз было событием мегаимпакта, привед-


Э. М Галимов. Анализ изотопных систем применительно к проблеме формирования планет

55

шего к образованию Луны. Но этому, по меньшей

является скорее литофильным, чем сидерофиль­

мере, противоречит наличие лунных пород, имею­

ным элементом, хотя при низком редокс-потенци­

щих время образования ранее

млн лет (см.

але и сульфидной форме может проявлять сидеро­

Если же мегаимпакт, приведший к обра­

фильные свойства. Но вряд ли достаточные, чтобы

табл.

1).

11 О

зованию Луны, произошел раньше, то это исклю­

объяснить 30-кратную обедненность им земной ман­

чает последующие крупные удары, которые могли

тии, большую, чем для некоторых сидерофильных

бы привести к утрате атмосферы ( Сапар,

элементов, таких как

Asphaug,

Со.

W,

Логичным представляется удаление РЬ, так же

2001).
В рамках рассматриваемой концепции утрата
раннего

ксенона

является

следствием

удаления

как и Хе и
нец

-

Rb,

в газодинамическом потоке. Сви­

один из наиболее летучих элементов. Обед­

выделившихся летучих в гидродинамическом по­

нение им Земли и в еще большей степени Луны

токе в процессе сжатия газопылевого тела, как это

логично вписываются в излагаемую модель.

описано выше. Тогда величина~

120 млн

лет

это время завершения газодинамического

тинга. Иначе говоря, рубеж ~

Предположим, что при

-

лиф­

120 млн лет является

t.

произошло закры­

тие газодинамического лифтинга и прекратилась

утрата свинца. Тогда в случае системы

возрастом закрытия ксеноновой системы. С этого

имеет место следующее соотношение:

момента завершается процесс аккреции и начинает­

206 Р_
ь)
__
[ 204 РЬ

ся история Земли как консолидированного тела.

Замечу, что, как известно, земной ксенон

=

[____!!:_
206 )
204
РЬ

present

+

238

U-206РЪ

238 [ Л.238 ( 4,568-t.) - l]
µ е
,

*

фракционирован относительно метеоритного ксе­

нона

(Podosek, Ozima, 2000).

Подобное фракцио­

нирование возможно в результате гравитационного

разделения при газодинамическом выносе

et

а/.,

1987).

(Hunten

Это хорошо согласуется с аргументи­

руемой здесь моделью. Но подобный эффект ис­
ключается при одномоментной утрате атмосферы.

(4)
20

где (2°6ры 4рь ).

времени закрытия процесса утраты свинца.

Если бы система оставалась закрытой, то ко

времени t. имело бы место при

206 )
____!!:_
204рь

5. U-Pb
Rb

Земля утратила около
238

97 %

204

нец характеризуется отношением
U/ РЪ (так
0,27 (Anders, Grevesse, 1889),
238 µ = 8-10 (Allegre et а/.,
а земной свинец имеет
1995).
К. Аллегр (Allegre et а/., 2008) связывает по­

назьmаемым µ)равным

что они отражают общее крупное событие в диффе­
ренциации Земли ~

4,45 млрд

лет назад

(~ 117 млн

лет с начала Солнечной системы). В случае свинца
о

=

*

[ ____!!:_
206 ) + 238µ·еЛ. 238 (4,568-t.)(еЛ.238t* -1).
204Рь

о

Но поскольку на этапе сжатия происходит га~
зодинамическии вынос

возможном

удалении

его

в

ядро

свинца, то

чение µэФФ· Обозначим еЛ.238 ( 4, 568 - 1*)

(::~:). ~ [::~~1

+ µ,ff "238

µeff · а238 = -

=

а238· Тогда

(е'""'· -1)

(6)

1 1.

t.

J
<р238 (t)dt ·
о

шаяся в это время сегрегация ядра сопровождалась

Аналогично для системы

огромным энерговыделением, вызвавшим возник­

новение океана магмы и утрату атмосферы.

ня, хотя имеет гораздо меньшее ядро. Вообще РЬ

µ

По аналогии с RЬ-Sr системой определим

сульфидной форме. Предполагается, что случив­

11очему Луна истощена свинцом сильнее, чем Зем­

238

µeff·a233 как интегрально усредненную величину,
38
4
меняющуюся от (2 U/2° Pb)o= 0,27 до µ·а233:

в

Идея удаления свинца в ядро не объясняет,

величину

следует заменить на некоторое эффективное зна-

терю раннего Хе и потерю раннего РЬ, полагая,

идет

µ следующее

(5)

первичного свинца. Первичный (солнечный) сви­

речь

238

соотношение:

[

Подобно Хе и

изотопный состав свинца ко

-

207 )
____!!:_
[

235

207
U- Pb имеем

207 ) + __
238 µ_ [еЛ. 235 ( 4,568-t.) = [ ____!.!!_

204Рь

204Рь

present

*

137 , 88

(7)

l]
(8)


Глава

56
'04РЬ

1.

Допланетная стадия развития Солнечной системы

H7Rb

238u r ••sr
3,7

0,92

Сжатие супрапланетного

Формирование Луны

Завершение

и зародыша Земли

аккреции Земли

50-70

110 -130

газо -пылевого диска

0,71

0,06

млн. лет

Hf-W
Rb-Sr

0,17

млн. лет

U-Pb
Xe-1-Pu

0,09
фрагментация

10

о

20

50

40

30

4568

- 60

60

70

90

80

млн. лет

100

110

- 120

120
млн. лет

млн. лет

Рис.

3.

Эволюция протоземного супрапланетного газопылевого сгущения, оцениваемая по изменению RЬ/Sr и РЫU отно­
шений

238 µ из уравнений
При известной величине
(11) и (12), можно определить µ,ФФ и t •. При ва­
238 µ в диапазоне 8-10 время за­
риациях оценок
вершения аккреции из среды «газ частицы» ока­

и

(9)

1
Л.235 (4 568-1.)
'
, тогда
137,88

Обозначим а235 =---е

1 1.

f

µeff . а235 = <р235 (t)dt
t* о

.

(1 О)

но

110-130 млн лет.
При µ = 9 получаем t. = 120 млн лет и µeff =
= 0,7, а 238 = 1,99 и а 235 = 0,41, соответственно сред­
ние величины функций (<р238)ср= 1,4 и (<рш)ср= 0,29.
Поскольку в отличие от RЬ-Sr системы в U-Pb
системе улетучивающийся компонент находится в

Выразив (2° 6 РЫ РЬ )• в ( 4) через ( 6) и
204
7
(2° рь; РЬ )• в (8) через (9) и используя известные
1
числовые значения А,238 = 0,155125 (млрд лет)- ;
A23s = 0,98485 (млрд лет)- 1 ; (206pь;204pь)present = 18,279;
204
(2°7 PЫ Pb)present = 15,491; начальные для Солнеч­
ной системы (метеорит Canion DiaЫo) отношения
204
(2° 6 РЫ РЬ) 0 = 9,307 и (2° 7 РЫ204 РЬ) 0 = 10,294, по204

лучим:

18,279 = 9,307 + µeffeЛ.238(4,568-t.) (еО,1551251. -1) +
+ 238µ[ eQ,155125(4,568-1.) _ 1],

зывается варьирующим в диапазоне приблизитель­

(11)

знаменателе, функцию <ррь(t) следует сопоставлять
1

с функцией <(>238- (t).
238
Соответственно шкала величин для 204РЫ U
1
38
1
значений приобретет вид: (2 Uf204pb)o- =0,2Т = 3,7,
-1
238
)-1
(<рщ)ср = 0,71, ( µ·аш
= 0,06; а для 204Р ь;23su :
35
204
{2 U/ Pb )-I = 0,085-l = 11, 72; (<рш)ср-! = 2,43 И
35

1

(2 µ·аш)- = 0,19. в приведенных к одному мас­
штабу ход кривых (<fJ238)cp-I и (<p23s)cp-I совпадают.
На рис. 3 показана кривая, построенная для
1
случая <р 238- (t) по тому же принципу, что и кривая <fJRь(t) на рис.

2.

эволюции системы

15491=10 294+ µeff еЛ. 238 ( 4 · 568 - 1*) х
'
,
137,88
238
x(e0,98485t. -l)+--µ-[e0,98485(4,568-t.) -l].
137,88
(12)

Она характеризует общий ход

Pb-U

при указанных выше па­

раметрах.

Получив время завершения аккреции Земли
(~

120 млн лет), можно продолжать линию эволю­
86
ции 87 RЬ/ Sr, так чтобы к этому времени функция
<fJRь(t) приобрела значение, соответствующее от-


Э. М Галимов. Анализ изотопных систем применительно к проблеме формирования планет

ношению

87

RЫ

86

Sr,

характерному для Земли, т. е.

левая аккреция завершается в период
лет (наиболее вероятно ~

0,09.
Утрата

Rb,

РЬ и Хе, если она происходит за

счет

газодинамического

вать

зависимостям

выноса,

сходного

должна

типа,

т. е.

120 млн

57

110-130

млн

лет) с начала

возникновения Солнечной системы. С этого мо­

следо­

мента прекращается газодинамический лифтинг,

кривые

утрата летучих, и начинается история Земли как

<pRыsr(t) и <p-\ыu(t) должны быть более или менее
конформны. Как видно из рис. 3, такое подобие

конденсированного тела.

Гипотеза предлагает обоснованную альтерна­
тиву

присутствует.

гипотезе

мегаимпакта

и

лишена

основных

Таким образом, мы получаем время завершения

трудностей этой гипотезы. Общность источника

эволюции исходного для Земли и Луны супрапла­

Луны и Земли решает проблему совпадения ли~
Ф
-11 -18

нетного газопьшевого тела в интервале
лет, с наиболее вероятным временем~

а по данным

Hf-W

и

систем время фраг­

Rb-Sr

ментации и выделения Луны
лее вероятным временем ~

60

110-130 млн
120 млн лет,

50-70 млн

с наибо­

нии изотопного

Из числа основных изотопных систем мы ос­
147

0

0

0

для

Земли и Луны. Естественным является также сов­
182
184

падение изотопного состава вольфрама

W/

W

Луны и Земли, что фатально осложняет интерпре­
тацию данных

млн лет.

ракционирования

мегаимпакта.

Hf-W

системы в рамках гипотезы

Предлагаемая гипотеза объясняет

тавляем без рассмотрения системы 143Nd- Sm и
142
Nd-146 Sm. Эти системы важны для понимания

наблюдаемый дефицит железа на Луне. Показано,

ранней дифференциации Луны и планет как кон­

щенностью Луны трудно летучими элементами

денсированных тел. Для случая предполагаемой

(Al,

эволюции протопланетного вещества в газопыле­

частица» объясняет, почему утрата Луной летучих

вом

не сопровождается изотопным фракционировани­

состоянии,

что

является

целью

настоящего

что утрата
Са,

Fe

численно коррелирована с обога­

Изотопный обмен в системе «пар

Ti).

-

ем. Это трудно объяснимый факт в гипотезе мега­

анализа, эти системы не информативны.

импакта. Зависимость вероятности фрагментации
от величины углового момента газопьшевого дис­

ка объясняет, почему Земля имеет спутник, а Ве­

Заключение

нера

Итак, рассмотрение эволюции протопланет­

-

нет.

Происхождение планеты из газопьшевого сгу­

ного облака на примере газопылевого сгущения

щения

родоначального для Земли

Луны, показывает,

протяженной оболочки, состоящей из частиц и газа.

с

Газодинамический режим, связанный с восходящим

что

эта

гипотеза

-

согласуется

геохимическими

предполагает

длительное

существование

потоком водорода (газодинамический лифтинг),

ограничениями.

Сжатие супрапланетного газопылевого обра­

решает проблему утраты Землей в течение первых

зования приводит к адиабатическому повышению

100-130 млн

температуры его внутренних частей, испарению

тов, в том числе,

летучих с поверхности частиц, в том числе желе­

объяснить

за. На определенном этапе, в пределах периода

ским импактным удалением первичной атмосферы

млн лет с начала возникновения Солнечной

(в случае Хе), удалением РЬ в ядро и другими

системы, происходит фрагментация супрапланет­

причинами. Но каждое из этих объяснений проти­

ного газопылевого диска, отделение Луны и обра­

воречило определенным фактам.

50-70

зование зародыша Земли. Аккреция оставшейся

лет целого ряда легколетучих элемен­

Rb,

разными

Хе, РЬ. Это явление пытались

причинами:

катастрофиче­

Из предложенной гипотезы вытекает пред­

осуществляется

ставление о формировании ядра путём сегрегации

преимущественно Землей. В ходе этого процесса

железа из парогазового состояния, т. е. путём ме­

части

газопылевого

материала

газ, представленный первичным водородом, вы­

ханизма, имитирующего гетерогенную аккрецию.

жимается из диска. С водородом выносится из

При этом решается всегда представлявшая труд­

межчастичного пространства пар. Газодинамиче­

ности

ский лифтинг приводит к утрате летучих, в том

ядра из исходного FеО-состояния, т. е. удаления с

числе

Земли огромного эквивалентного количества ки­

Rb,

Хе, РЬ, что находит отражение в изо­

топных системах RЬ-Sr,

Xe-I-Pu, U-Pb.

Газопы-

проблема возникновения металлического

слорода.


58

Глава

Взаимосогласованное
изоiопных

систем

при

1. Допланетная

поведение

стадия развития Солнечной системы

основных

рассмотрении

эволюции

протопланетного газопылевого образования дает

основание предполагать, что гипотеза формиро­
вания планетных тел из газопылевого сгущения в

рассмотренном приближении приемлема. Она не

противоречит известным геохимическим фактам
и ограничениям.

Если гипотеза верна, то наиболее трудно вос­
принимаемый ее аспект длительное время
жизни, порядка 108 лет, газопылевого образования
до его конденсации в твердое тело. В случае Зем­
ли

это время порядка

-

120 миллионов лет.

Исследование внесолнечных планетных сис­

тем показывает, что процесс планетообразования
не универсален

( Cumming А. et al, 2002; Cassen Р

Среди тысяч исследованных планет­

et al., 2006).

ных систем лишь немногие напоминают Солнеч­
ную систему. Поэтому, вероятно, и по отношению
к Солнечной системе принятый в современной
космологии

механизм

исключительно

твердо­

тельной аккумуляции планет может оказаться не
универсальным.

Литература
Васильев С. В., Кривцов А. М, Галимов Э. М.
Исследование

процесса роста

системы

(2011)

планета­

спутник в результате аккумуляции вещества пыле­

вого облака// Астрономический Вестник. Т.
с.

45.

№

5.

420-429

Галимов Э. М

(2011)

Образование Луны и Земли из

общего супрапланетного газопылевого сгущения

Геохимия. №

6.

С.

//

563-580.

ГалимовЭ. М, КрuвцовА. М, ЗабродинА. В" Легкосту­
пов МС., Энеев Т М, Сидоров Ю. И
мическая

модель

образования

Луна //Геохимия. №

11.

С.

(2005)

системы

Дина­

Земля­

1139-1150.

Гали.мов Э. М

(2004) О происхождении вещества Луны//
7. С. 691-706.
М, Кривцова Н В. (2002) Метод частиц и его

Геохимия №
Кривцов А.

использование в механике деформируемого твердого
тела
Т.

3.

//
№

Дальневосточный математический журнал.

2.

С.

254-276.

Пе-Захаров А. А" Кривцов А. М

(2008)

Разработка ал­

горитмов расчета столкновительной динамики гра­

витирующих частиц для моделирования образова­
ния системы Земля-Луна в результате гравитаци­
онного коллапса пылевого облака
рождения и эволюции биосферы
лимов. М.:

URSS.

С.

329-344.

//
/

Проблемы за­
Ред. Э. М. Га­

Шуколюков Ю. А" Мешик А. П.

(1994)

Химически фрак­

ционированный ксенон деления урана в мантийных

породах, газах и земной атмосфере// Геохимия. №
с.

8.

1072-1092.
Alibert С., Nonnan М D., McCиlloch М Т. ( 1994) An ancient
Sm-Nd age for а feпoan noritic anorthosite clast from
lunar breccia 67016 // Geochim. Cosmochim. Acta. V. 58.
Р. 2921-2926.
Al!egre С. J" Manhes G" Gбpel С. (1995) The age ofthe
Earth // Geochim. Cosmochim. Acta. V. 59. Р. 14451456.
AZ!egre С. J, Manhes G" Gбpel С. (2008) Тhе major differentiation of the Earth at 4.45 Ga // Earth Planet. Sci.
Lett. V. 267. Р. 368-398.
Anders Е" Grevesse N (1989) Abundances ofthe elements:
meteoritic and solar // Geochim. Cosmochim. Acta. V. 53.
Р. 197-214.
Borg L. Е. Nonnan М, Nyquist L" Bogard D" Snyder G" Taylor L., and Lindstrom М (1999) Isotopic studies of ferroan
anorthosite 62236: а young lunar crustal rock from а
light-rare-earth-element-depleted source // Geochim. Cosmochim. Acta. V. 63. Р. 2679-2691.
Boss А. Р (2010) Planet formation processes in а marginally
gravitationally unstaЬ!e disc around а solar mass protostar //Ар J. 725. Ll45.
Сапар R. М (2004) Simulations of а late lunar forming
impact // Icarus V. 168. Р. 433-456.
Сапар R. М, Asphaиg Е. (2001) Origin of the Moon in а
giant impact near the end of the Earth's formation //
Nature. V. 412 (6848). Р. 708-712.
Carlson R. W, Lиgmair G. W (1988) The age offeпoan anorthosite 60025: Oldest crust on а young Moon? // Earth
Planet. Sci. Lett. V. 90. Р. 119-130.
Cassen Р, Guillot Т., QuirrenbachA. (2006) Extrasolar Planets. Springer-Verlag. Р. 450.
Chambers J Е. (2004) Planetary accretion in the inner Solar
system // Earth Planet. Sci. Lett. V. 223. Р. 241-252.
Cumming А" Marcy G. W, Bиtler В. Р, Vogt S. S. (2002) Тhе
statistics of extrasolar planets: results from the Keck
survey // Scientific Frontiers in Research on Extrasolar
Planets / Eds. D. Deming and S. Seager. ASP Conf. Ser.
294. Р. 27-30.
Grevese N., Saиval А. J (1998) Standard solar composition.
Solar composition and evolution - from core to corona / Eds. С. Frohlich, М. С. Е. Huber, S. К. Solanki. Space
Sci. Rev. V. 85. Р. 161-174.
Halliday А. N (2008) А young Moon-forming giant impact at
70-11 О million years accompanied Ьу late-stage mixing,
core formation and degassing of the Earth // Phil. Trans.
R. Soc. А V. 366. Р. 4163-4181.
HallidayA. N, LeeD.-C. (1999) Tungsten isotopes and the
early development of the Earth and Moon // Geochim.
Cosmochim.Acta. V. 63. Р. 4157-4179.


Э. М Галимов. Анализ изотопных систем применительно к проблеме формирования планет

Halliday А. N, Porcelly D. (2001) In search oflost planets the paleocosmochemistry ofthe inner solar system//Earth
Planet Sci. Lett. V. 192. Р. 545-559.
Напап В. В., Тilton G. R. (1987) 60025: relict ofprimitive lunar crust? //EarthPlanet. Sci. Lett. V. 84. Р. 15-21.
Hartmann W К., Davis D. R. (1975) Satellite-sized planetesimals and lunar origin // Icarus. V. 24. Р. 504-515.
HashimotoA. (1983) Evaporation metamorphism in the early
solar nebula-evaporation experiments on the melt Fe0Mg0-Si0т-Ca0-Alz03 and chemical fractionations of
primitive materials // Geochem. Jour. V. 17. Р. 111-145.
Hockney R. W, Eastwood J W ( 1988) Computer simulation
using particles. Inst. Phys. Adam Нilger. Bristol. Р. 564.
Hunten D. М, Pepin R. О., Walker J С. G. (1987) Mass fractionation in hydrodynamic escape // Icarus. V 69. Р. 532549.
Кleine Т., Palme Н., Hezger К., Halliday А. N (2005) Hf-W
chronology of lunar metal and the age and early differentiation of the Moon // Science. V. 31 О. Р. 1671-1674.
Kleine Т., Touboul М, Bourdon В., Nimmo F, Mezger К.,
Palme N, Jacobsen S., Yin Q.-Z., Halliday А. N (2009)
Hf-W chronology of the accretion and early evolution
of asteroids and teпestrial planets // Geochim. Cosmochim. Acta. V. 73. Р. 5150-5188.
Kleine Т., Touboul М, Orman J. А. van, Bourdon В., Maden С., Mezger К., Halliday А. N (2008) Hf-W thermochronometry: Closure temperature and constraints on
the accretion and cooling history of Н chondrites parent
body // Earth Planet. Sci. Lett. V. 270. Р. 106-118.
Lee D.-C., Hal!iday А. N (1995) Hafnium-tungsten chronometry and the timing of teпestrial core formation // Nature. V. 378. Р. 771-774.
Lee D.-C., Halliday А. N, Snyder G. А. and Taylor L. А.
(1997) Age and origin of the Moon // Science. V. 278.
Р. 1098-1103.
Leya !., Rainer W, Halliday А. N (2000) Cosmic-ray production of tungsten isotopes in lunar samples and meteorites and its implications for Hf-W cosmochemistry //
Earth Planet. Sci. Lett. V. 175. Р. 1-12.
Melosh Н. J (2000) А new and improved equation of state
for impact computations. Lunar Planet. Conf. 3 1". Р. 1903.
Norman М D., Borg L. Е., Nyquist L. Е., Bogard D. D. (2003)
Chronology, geochemistry and petrology of а feпoan
noritic anorthosite clast from Descartes breccia 67215:
clues to the age, origin, structure, and impact history of
the lunar crust// Meteorit. Planet. Sci. V. 38. Р. 645-661.
Nyquist L. Е., Shih С.-У (1992) The isotopic record oflunar
volcanism // Geochim. Cosmochim. Acta. V. 56. Р. 22132234.

59

Pahlevan К., Stevenson D. J. (2008) Volatile loss Following
the Moon-foпning giant impact // Goldschmidt Conference Abstracts. July 13-18. Vancouver, Canada. А716.
PodosekFA., OzimaM (2000) The XenonAge ofthe Earth //
Origin of the Earth and Moon / Eds. R. М. Canap,
К. Righter. Univ. Arizona Press. Р. 63-74.
Porcelli D., Wollum D., Cassen Р. (2001) Deep Earth rare
gases: initial inventories, capture from the solar nebula,
and losses during Moon formation // Earth Planet. Sci.
Lett. V. 193. Р. 237-251.
Schoenberg R., Kamber В. S., Collerson К. D. and Eugster О.
(2002) New W-isotope evidence for rapid teпestrial accretion and very early core formation // Geochim. Cosmochim. Acta. V. 66. Р. 3151-3160.
Shih С.-У, Nyquist L. Е., Dasch Е. J., Bogard D. D., Bansal В. М, Wiesmann Н. (1993) Age of pristine noritic
clasts from lunar breccias 15445 and 15455 // Geochim.
Cosmochim. Acta. V. 57. Р. 915-931.
Stevenson D. (2005) Earth formation: ComЬining physical
models with isotopic and elemental constraints // Geochim. Cosmochim. Acta. 15 1ь Goldshmidt Conference
Abstract Volume. Мау 2005. Moscow-Idaho. А382.
Swindle Т. D., Podosek F А. (1988) Iodine-xenon dating //
Meteorites and the Early Solar System / Eds. J. F. Kerridge and М. S. Matthews. Tucson, Arizona: Univ. Arizona Press. Р. 1127-1146.
Tera F, Papanastassiou D. А., Wasserburg G. J (1973) А lunar cataclysm at ~ 3.95 АЕ and the structure of the lunar crust // Proc. Lunar. Conf. 41ь. Houston. Р. 723-725.
Touboul М, Кleine Т, Bourdon В., Palme Н., Wieler R. (2007)
Late formation and prolonged differentiation ofthe Moon
infeпed from W isotopes in lunar metals // Letters, Nature. V. 450. Р. 1206-1209.
Vasilyev S. V., Krivtsov А. М, Galimov Е. М (2004) Modeling space bodies growth Ьу accumulation of space
dust material // Proc. ХХХП Summer School - Conference "Advanced ProЫem in Mechanics". St. Petersburg. Р. 425-428.
Wetherill G. W (1980) Formation of the teпestrial planets //
Annu. Rew. Astron. Astrophys. V 18. Р. 77-113.
Yin Q., Jacobsen S. В., Ymashita К. Вlichert-ToffJ., Telouk Р,
Albarede F (2002) А short timescale for teпestrial planet formation from Hf-W chronometry of meteorites //
Nature. V. 418. Р. 949-952.
Zhang J., Dauphas N., Davis А. М (2011) Titanium isotope
homogeneity in the Earth-Moon system: evidence for
complete mixing between the impactor and protoearth //
42nd Lunar and Planet Conf. Abstract 1515.


РАСЧЕТ СТОЛКНОВИТЕЛЬНОЙ ДИНАМИКИ ГРАВИТИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ
ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ СИСТЕМЫ «ЗЕМЛЯ-ЛУНА» В РЕЗУЛЬТАТЕ
ГРАВИТАЦИОННОГО КОЛЛАПСА ПЫЛЕВОГО ОБЛАКА

А. А. Ле-Захаров, А. М Кривцов
Институт проблем машиноведения РАН.
lezah@тail.ru,

akrivtsov@bk. rи

Данная работа является частью проекта по разработке альтернативной гипотезы формирования системы
Земля-Луна. В настоящее время наиболее распространенной является гипотеза мегаимпакта

Davis D. R., 1975; Cameron А. G. W., Ward W., 1976;

Сапир

химическими данными о составе планет (Галимов Э. М,

R. М, 2004), однако она во
1995; Galimov Е. М, 2004).

(Hartmann W. К.,

многом расходится с гео­
Новая модель, свободная

от ряда трудностей гипотезы мегаимпакта, предполагает образование Земли-Луны в результате ротационного
коллапса пылевого облака (Галимов Э. М и др.,

2005).

В данной работе существующая модель ротационного

коллапса была доработана для проведения трехмерного моделирования. Определена область значений пара­
метров, приводящих к формированию двойной системы. Для эффективных расчетов бьmа разработана моди­
фикация численного метода Барнса-Хата

(Barnes J., Hut Р., 1986)

учета дальнодействующих и близкодейст­

вующих сил при моделировании методом динамики частиц. В отличие от оригинального метода он позволяет
проводить эффективные вычисления в задачах с существенно неоднородным распределением частиц в про­
странстве. Метод бьm реализован в виде комплекса программ для многопроцессорных вычислительных сис­

тем и за время исследований показал свою высокую эффективность.

Введение

новке,

исследовано влияние

различных парамет­

ров на процесс эволюции облака, рассмотрены
Гипотеза мегаимпакта (Hartтann

W. К., DaG. W., Ward W., 1976;

vis D. R., 1975; Сатеrоп А.
Сапир R. М, 2004), принимаемая

различные

аспекты

компьютерного

моделирова­

ния. В данной статье мы опускаем многие детали

в качестве ос­

новой гипотезы, связанные с вопросами геохи­

новной в западной литературе, встречает серьезные

мии, полная постановка задачи описана в работах

трудности в объяснении ряда геохимических осо­

(Галимов Э. М и др.,

бенностей строения Земли и Луны (Галимов Э. М,

1995;

Galiтov Е. М,

вьщвинуто

новое

2004).

В связи с этим было

предположение

о

совместном

формировании Земли и Луны в результате гравита­

2005;

Гали.мое Э. М,

2011).

Отметим, однако, что новая гипотеза свободна от
ряда трудностей гипотезы мегаимпакта, в частно­

сти, она объясняет данные об изотопном составе
Земли и Луны.

ционного коллапса пьmевого облака (Гали.мое Э. М,

Согласно рассматриваемой гипотезе предпо­

позднее бьmа разработана модель, подтвер­

лагается одновременное формирование Земли и

1995),

точки

Луны в результате эволюции газопьшевого сгуще­

зрения космической механики (Гали.мое Э. М и др.,

ния. Выдувание солнечным ветром газовой состав­

дившая реализуемость

данного

сценария

с

В данной статье представлены результаты

ляющей приводит к нестабильности, гравитацион­

дальнейших исследований в рамках развития этой

ному коллапсу и формированию двух протопланет.

модели. Произведен переход к трехмерной поста-

После достаточно быстрого коллапса происхо­

2005).

дит длительный процесс роста образовавших­
Авторы благодарны Э. М. Галимову за постановку задачи,

ся

внимание к работе и ценные замечания. Работа выполнена

из межпланетного пространства (Васильев С. В.,

при поддержке программы Президиума РАН №
(проект№ 11-01-00809-а)

25

и РФФИ

тел путем аккумуляции оставшегося вещества

Кривцов А. М, Гали.мое Э. М,

2011).


62

Глава

Допланетная стадия развития солнечной системы

1.

В данной работе исследуются вопросы, свя­

i

занные

гравитационным коллапсом системы, и

не рассматриваются процессы, предшествующие

коллапсу, а также последующий рост протопланет.

частицами

r

и от скорости их сближения

дем коэффициенты А 1 , А2 и

Аз

,

v.

Вве­

соответствую­

щие компонентам силы. Тогда выражение для нее

примет вид

(4):
А

А

А

r2

rP

rq

f(r, v) = _l_+_1_+_з v.
Модель протопланетного

1.

облака Земли-Луны

Определим А 1 , А2 и Аз. Так как первое сла­

Используемая модель протопланетного облака

(Галимов Э. М и др.,

2005)

представляет собой

N

взаимодействующих между собой частиц, траек­
тории

движения

которых

определяются

уравне­

(1)

Fi -

результирующая сила, приложенная к

-й частице.

F;

гаемое описывает гравитационное взаимодейст­

вие, то коэффициент А 1 в соответствии с законом
всемирного тяготения будет определяться выра­

жением А 1

=

-ут 2 , где у

гравитационная по­

-

стоянная. Положим, что равновесное расстояние

ниями динамики Ньютона:

где

(4)

между двумя частицами, достигаемое в результате

баланса сил гравитационного притяжения и реак­
тивного отталкивания, равно а, то есть

определяется согласно формуле

Тогда из формулы

(4)

получаем

f(a,O)

=О.

А 2 = -А 1 аР- 2 .

Будем называть величину а эффективным радиу­
сом частицы. Далее, полагая, что при изменении
размера частицы второе и третье слагаемое должны
изменяться пропорционально друг другу, получим

q
где т

i -й

-

масса одной частицы,

'i -

координата

частицы. Начальные условия для уравнений

движения задаются следующим образом:

v? = v;(t =О),

(3)

из

гравитационного

притяжения

и

+1.

В качестве первого приближения поло-

жим показатель степени в отталкивающей компо­
ненте

р =

13,

что соответствует эксперименталь-

нь~м данным по сжатию твердых тел (Глушак Б. Л

и др"

r? = r;(t =О).

Сила взаимодействия между частицами скла­
дывается

= р

1992;

Альтшулер Л В"

Бражник МИ.,

1958).

Крупников К. К.

Теперь формула

(4)

может

быть приведена к следующему виду:

от­

(5)

талкивания при соударениях частиц. Кроме того,
предполагается,

что

каждая

частица,

находясь

в

нагретом состоянии, интенсивно испускает газооб­
разные вещества,
ному

также приводящие к их взаим­

отталкиванию

и

торможению

друг

относи­

тельно друга. Газообразные вещества, испускае­
мые частицей, непрерывно рассеиваются в окру­
жающее пространство и пополняются в результате

испарения с поверхности. Таким образом, каждая

Размерный коэффициент
рактеризует

потери

13

энергии

в формуле

при

(5)

ха­

столкновении

частиц. Вместо него удобнее использовать без­

размерное соотношение
значение коэффициента

[3/[3* . Здесь [3* -

13 ,

то

при котором колеба­

тельное движение в системе из двух частиц, взаи­

частица оказывается окруженной газовой оболоч­

модействующих по закону

кой. Потери энергии при взаимодействии газовых

лебательное,

(5),

переходит в неко­

оболочек учитываются введением дополнитель­
ной диссипативной компоненты в закон взаимо­

(6)

действия.

Таким образом, сила взаимодействия склады­
вается из трех составляющих

-

гравитационного

Частицы могут быть интерпретированы как
твердые частицы космической пьmи, чему вполне

дисси­

соответствуют описанные законы взаимодействия.

пативных сил. Она зависит от расстояния между

По своему химическому составу они близки к обык-

притяжения,

реактивного

отталкивания

и


63

А. А. Ле-Захаров, А. М Кривцов. Расчет столкновительной динамики гравитирующих частиц

новенным хондритам, из которых состоит боль­

мени облако уравновешено балансом гравитаци­

шинство

системы.

онных и центробежных сил. Кроме того, помимо

метеорных

тел

Солнечной

Предполагаемое наличие газовых оболочек обу­

гравитационного взаимодействия в системе при­

славливает смягчение ударов частиц друг о друга,

сутствует газодинамическая компонента. Предпо­

что объясняет плавное изменение силы отталки­

лагается, что силы взаимодействия частиц с газовой

вания при сближении частиц. Поэтому отсутствует

средой, а также силы отталкивания, возникающие

нарушение гладкости, характерное для контактного

при

взаимодействия твердых тел. Кроме того, оболоч­

ности

ки могут создавать дополнительные силы газоди­

слагаемыми, введенными в закон взаимодействия

намического отталкивания частиц. Эти силы так

частиц (Галuмов Э. М и др.,

же, как и гравитационные, обратно пропорцио­

зом, возникла необходимость принятия в расчет

нальны квадрату расстояния между частицами и

сил

могут быть учтены добавлением дополнительной

кающих при их сближении. Отметим, что бес­

константы в первом слагаемом выражения
Предполагается,

частиц,

испарении

вещества

описываются

диссипации

и

с

поверх­

соответствующими

2005).

отталкивания

Таким обра­

частиц,

возни­

столкновительная модель, в которой учитывается

(4).

кинетическая энергия,

лишь гравитационное взаимодействие, позволяет

теряющаяся при столкновениях частиц, переходит

определить только образование зон повышенной

во

плотности вещества, однако она не может описать

внутреннюю

что

интенсивном

энергию

частиц

согласно

сле­

образование конденсированных тел, таких как за­

дующему уравнению:

родыши Земли и Луны.

N

(Jk

=

LQ(rkn,Ykn )-ЛUk;

В начальный момент модельного времени час­

n=I

Q(r,r) =
где

Uk -

Q(r,Y) -

(7)
-

Аз 1 r

2

rP+

k

;

=

1,2, ... ,N;

внутренняя энергия

тицы

облака

случайные

эллипсоида вращения,

нением

(9):

координаты

задаваемого

х2 + у2 ~ -1
2
+ 2 - '
Ro
ho

k-й частицы;

количество теплоты, переходящее во

x,y,z -

внутреннюю энергию в результате действия дис­

где

сипативных сил; А

Ro -

- коэффициент, описывающий

получают

внутри

урав­

(9)

оси Декартовой системы координат,

длина двух больших полуосей,

h0

-

длина

потери тепловой энергии в результате передачи

малой полуоси эллипсоида. Вращение облака про­

ее от частицы к окружающему ее газу, излучения,

исходит вокруг оси

а также

частицы;

эллипсоида вычисляются по заданной плотности

-f3ym 2 aP- 2 (согласно уравнениям (4), (5)).

частиц в облаке, количеству частиц и соотноше­

Температура частицы в первом приближении мо­

нию его полуосей. Последний параметр задается

жет считаться пропорциональной ее внутренней

в виде отношения EhR =

энергии, рассчитанной согласно формуле

в облаке задается через среднее расстоянием ме­

А3

=

испарения

газа с

метим, что уравнение

(7)

поверхности

(7).

От­

используется исключи­

тельно для оценки нагрева вещества, обратное
влияние тепловых эффектов на динамику системы
в данной работе не рассматривается.

Коэффициент потерь тепловой энергии А при

z.

Геометрические размеры

h0

/

Ro.

жду ближайшими частицами

Плотность частиц

d0 .

Таким образом,

начальное распределение координат определяется

тремя параметрами:

d0 , N

и EhR •

Ro

и

h0

могут

быть выражены через них из формулы объема эл­
липсоида:

расчетах задается соотношением

Л == О,lЛ*, Л* =

)Ij.

(10)
(8)

Особенностью модели является то, что она
предполагает

тел

формирование

конденсированных

(11)

в результате сжатия

Начальные скорости частиц складываются из

газопылевого облака и вытеснения летучих ком-

регулярной и хаотической компонент. Регулярная

понент. Полагается, что в начальный момент вре-

скорость частиц учитывает начальное вращение

-

зародышей планет

Ro ==3]._N_l_( do)a,
4п i:;hR l а

-


1. Допланетная

Глава

64

стадия развития солнечной системы

облака, как единого целого, с угловой скоростью
roo~ имеет вид ю

0

xr,

где

r -

вектор положения

частицы. Хаотические составляющие скоростей

Подстановка формулы
дает

соотношение

начальные скорости

ми

ются

размерными

где Т0 -

действием консервативной части силы

То= ~Иf·

d0 , UJo, vrand явля­

измеряются

масштабных параметров а, ffis и
ветственно. Здесь а

vs =

шsRo соот­

2.

сил, которое фигурирует в выражении для сил

ловой скоростью твердотельного вращения и за­
дается соотношением:

_

ffis-

-

где м

M=Nm,

(12)

( ho << R0 ),

частицы в кото-

ром распределены согласно закону

Задача о формирования планетной системы

-

(13)

2

Ro -

средняя погон­

-

-

облако пьши и газа

-

представляет

собой гигантское скопление взаимодействующих
между собой объектов. При создании математиче­
ской модели такого облака наиболее естествен-

ности частиц, подчиняющихся определенному за­

кону взаимодействия. Газовая компонента может

погонная плотность (масса, приходя­

щаяся на единицу площади), ~

не представляется никакой возможности. Исходный

ным является представление его в виде совокуп­

3-~
2
~(r)=-~1-(r!R0 ),

ная плотность диска,

Модификация метода
Барнса-Хата

материал

4 Ro

суммарная масса системы. Для беско­

-

2. 1.

тот случай, когда провести натурный эксперимент

~Зп уМ3'

нечно тонкого диска

где ~(r)

Численные методы

Величина шs называется уг­

(5).

(16)

и алгоритмы

между парой частиц при учете только локальных

взаимодействия

(5):

относительно

равновесное расстояние

-

а

период малых колебаний частицы под

частиц задаются параметра­

и

(15)

1

7t

Evz . Таким образом,

vrand, Evz. Величины

UJo,

и

~

1

ве скоростей, который задается величиной двух

одной из двух оставшихся,

микроскопическим

тs =Ю EhR-z(do)27"'0•

ление внутри эллипсоида вращения в пространст­

вращения, vrand , и отношением третьей полуоси к

(14)

макроскопическим временными масштабами:

частиц имеют равномерное случайное распреде­

своих равных полуосей, лежащих в плоскости

между

в выражение

(11)

радиус диска, при уг­

ловой скорости вращения ю5 гравитационные си­
лы в системе полностью компенсируются центро­

быть в этом случае учитываться континуальными
уравнениями либо также быть включена в потен­
циал взаимодействия.
Метод динамики частиц

-

один из хорошо

известных методов компьютерного моделирования

(HockneyR. W, EastwoodJ W, 1981).

С вычисли­

бежными, и диск может вращаться как твердое

тельной точки зрения он представляет собой рас­

целое

чет траекторий движения большого числа взаимо­

вокруг

Фридман А. М,

своего

центра

(Поляченко В. Л.,

1976)- совершать

твердотельное

действующих между собой частиц. Но для расчета

вращение. В трехмерном случае полной компен­

траекторий движения частиц необходимо вычис­

сации сил нет, но ffis все равно удобно использо-

лять действующие в системе силы. Их прямое вы­

вать как масштаб угловой скорости вращения эл­

числение приводит к сложности O(N 2 ) на каждом

липсоида.

Для

шаге интегрирования. Это допустимо для боль­
задания

макроскопического

масштаба

времени удобно использовать период твердотель­
ного вращения

Ts .

Он задается следующим вы­

шинства задач небесной механики, где количество
тел обычно не слишком велико. Но если речь идет
о методе частиц, то это накладывает сильные ог­

раничения на область его применения.

ражением:

т _ 2п -J16n3 RJ
s--шs

----.
уМ

Однако, существует ряд альтернативных ме­

(14)

тодов приближенного вычисления сил взаимодей­

ствия, позволяющих решить данную проблему.


А. А. Пе-Захаров, А. М Кривцов. Расчет столкновительной динамики гравитирующих частиu

метрическом

расположении

распределения

частиц,

65

плотности

частиц в данной области и рас­

стоянии до частицы, для

которой

производится

расчет сил. Если аппроксимация не является дос­
Рис.

1.

Аппроксимация суммарного потенциала от группы
частиц и вычисление силы взаимодействия по этой
аппроксимации

таточно точной, то ячейка делится на меньшие
части. Таким образом с помощью критерия до­

пустимости формируется разбиение пространства

Поскольку в представленной модели используется

на ячейки различного размера (рис. 2а).

близкодействующая составляющая взаимодействия,

Однако в классическом варианте иерархиче­

то наиболее подходящими в данном случае явля­

ские методы, в частности, метод Барнса-Хата,

ются иерархические методы (метод Барнса-Хата

подходят лишь для той стадии расчета, когда час­

(Barnes J,

Ниt Р,

и быстрый мультиполь­

1986)

ный метод). Эти методы основаны на объедине­
нии частиц в группы по пространственному рас­
положению

и

вычислении

аппроксимации сум­

марного потенциала всех частиц группы (рис.

тицы распределены в пространстве довольно рав­

номерно. При формировании конденсированных
тел,

плотность

которых

на

порядки

превышае

1

плотность вещества в окружающем пространстве,

1).

скорость расчетов падает в десятки раз. Дело в

В качестве таких групп как правило исполь­

том, что в области высокой концентрации частш,

зуются кубические ячейки пространства. В каче­

по критерию допустимости ячейки многократнс

стве аппроксимации берутся несколько

первых

дробятся на все меньшие и меньшие части. Кроме

членов разложения потенциала группы в ряд Тей­

того, так как метод Барнса-Хата предполагае1

лора относительно центра масс ячейки. Для опре­

независимый расчет силы для каждой частицы, то

деления размера ячейки используется критерий

такое дробление повторяется многократно, к тому

допустимости аппроксимации. Он отвечает на

же для частиц, находящихся рядом друг с другом,

вопрос о том, будет ли аппроксимация достаточно

схема разбиения практически не меняется. Быстрый

точной для того, чтобы ее можно было использо­

мультипольный метод позволяет проводить расчет

вать для расчета силы взаимодействия. Критерий
допустимости как правило

.......:""
..

..

•1•

основывается на гео-

.. .

'11'

.

~

1•

...-.::." .
":1 •

.. •

. ..
.
• .. .,.
.. . .. ...,. ...
.. . ..
".. . . ....
.· . . ..
.

..

'11'

.. .

. . .. •

...,. .
..
.. . ..,....

'

'

~
~
~

'

сил сразу для нескольких частиц, находящихся ря­

дом, но при этом существенно растет погрешность

.

.. . .
..

~

~-

..

i; •

~

..

п

.

'

..

.

.

'

."

..__ 1-а)
Рис.

2.

6)

Классический метод Барнса-Хата. Разбиение пространства на ячейки: (а)

мерном распределении частиц в пространстве;
ции частиц

1

(6)-

-

разбиение при относительно равно­

многократное дробление ячеек в области высокой концентра­


66

Глава

1. Допланетная

стадия развития солнечной системы

~':fio

о
. о--------·.•.~о:()·•·.а:~
;,.0·.с
,.· ... с,,,.

3.

Модифицированный критерий доnустимости оnре­
деляет возможность аnnроксимации nотенциала от

частиц одной груnпы сразу для всех частиц другой

wg

".

• i18" •fit

.. ..·.. ,.. ." ...
..
1
:~- --~-~-:-- 1:·-.-'
.
..,•
.
.,_
,....
..
i

Qp··
Рис.

••

i

!,

1 •

____

•

~

'

-- --

••

группы

•

аппроксимации, поэтому для достижения требуе­

·с

мой точности приходится производить больший

объем вычислений.
Специально для случая существенно неодно­

Рис.

родного пространственного распределения частиц

4.

Расчет сил по модифицированному методу
Барнса-Хата

в данной работе представлен новый численный

метод. Он использует модифицированный крите­
рий допустимости, который определяет возмож­
ность аппроксимации потенциала от одной груп­

пы (ячейки) частиц сразу для всех частиц другой
группы.

Критерий

может быть

сформулирован

следующим образом.

Аппроксимация считается допустимой, если

s/r < q, где q - пара.метр метода, r - минималь­
ное расстояние между ячейка.ми,

s -

размер

большей из двух ячеек.
Вычисления в этом случае производятся по
следующей схеме. Частицы, для которых проис­

ходит расчет сил, объединяются в группы, и про­
исходит вычисление силы сразу для всех частиц в

группе (рис.

на рис.

4

3).

Примеры таких групп показаны

цифрами

1, 2, 3, 4.

Сила от дальних час­

тиц/ячеек рассчитывается для группы при помо­
щи одной и той же аппроксимации потенциала.
Для расчета силы от ближних частиц/ячеек груп­
па делится на подгруппы (рис.

структуры данных, при этом изменяется процеду­

ра обхода. В отличие от метода Барнса-Хата, где
при обходе дерева на каждом шаге производилось
применение критерия к паре «ячейка-частица»,
здесь анализируется пара из двух ячеек. Обход де­
рева начинается с пары «корень-корень». К паре
применяется критерий допустимости. Если он да­
ет положительный ответ, то для каждой из частиц

одной ячейки приближенно вычисляется суммар­
ная сила от всех частиц другой ячейки. Если ответ

отрицательный, то дробится большая из ячеек и
процедура повторяется.

Сравнение стандартного и модифицированно­
го методов расчета показывает, что разработанный
метод дает существенное преимущество (выиг­

рыш по скорости расчетов в десятки раз без потери
точности) в задачах с неоднородным пространст­
венным распределением частиц (рис.

5).

4).

Для реализации метода Барнса-Хата на прак­

тике разбиение пространства на ячейки представ­
ляется восьмеричным деревом ячеек. Корень де­
рева соответствует при этом полной расчетной

области, которая рекурсивно делится на части,
соответствующие дочерним узлам. Расчет сил для

произвольно взятой частицы представляет собой

обход дерева от корня к узлам с применением на

2.2.

Параллельные вычисления

При

параллельной

реализации

алгоритма

Барнса-Хата в задачах с существенно неодно­
родным

пространственным

распределением

час­

тиц возникают проблемы, связанные с равномер­
ностью процессорной загрузки. При формирова­
нии конденсированных тел

30 % массы

-

зародьппей планет

каждом шаге критерия допустимости. Если кри­

до

терий выполняется, то используется аппроксима­

в небольшом объеме пространства (менее

-

системы может быть сосредоточено

0,01 %

ция для расчета сил. Если нет, то производится

от объема расчетной области). При использова­

обход дочерних узлов.

нии стандартных схем распараллеливания облас­

Для реализации представленного в данной

ти высокой концентрации частиц не будут долж­

работе метода могут использоваться аналогичные

ным образом распределены между процессорами,


А. А. Пе-Захаров, А. М Кривцов. Расчет столкновительной динамики гравитирующих частиц

1000

о

2000

3000

4000

5000

67

Среднее процессорное время,
затрачиваемое на расчет сил

Модифицированный метод, начальная

для одной частицы, мкс

стадия эволюции облака
Модифицированный метод, стадия
формирования конденсированных тел
Метод Барнса-Хата, начальная стадия

эволюции облака
Метод Барнса-Хата, стадия
формирования конденсированных тел

Рис.

5.

Сравнение метода Барнса-Хата и разработанного модифицированного метода расчета сил. Для расчетов исполь­

зовался компьютер МВС-100К МСЦ РАН

.......:",

..

..

1

..

"

•1•

2

.3
.
..' . .. . .
&·
.• t
5
·---.. .
..
..
..
9

Рис.

6.

.4

Алгоритм

'6

между

коммуникаций .
При расчете сил процессоры обмениваются

ций.

Модифицированный критерий допустимо­

сти, используемый для расчета сил, позволяет еще

на этапе распределения расчетной области сфор­
мировать

1'5

.

предварительные

списки

запросов,

со­

гласно которым будет происходить обмен данны­
ми

между процессорами,

что упрощает их

взаи­

модействие .

• 1()'

;1

2.3.
при

распределить

и коэффициентами для вычисления аппроксима­

•i

распределения

эффективный

во-вторых,

меду собой необходимой информацией о частицах

. .

.

а

существенно уменьшает объем межпроцессорных

,. . . .

'

процессорами,

процессорами связные области пространства, что

•

•8

зволяет равномерно распределить нагрузку между

процессорной

неоднородном

загрузки,

распределении

частиц

Программная реализация

При программной реализации бьmи разрабо­
таны эффективные структуры данных, обеспечи­

вающие быстрый

обход дерева при расчете и

в связи с чем эффективность распараллеливания

адаптированные

будет крайне низкой.

венному распределению частиц.

к

неоднородному

пространст­

В данной работе представлен оригинальный

Методы бьmи реализованы в виде комплекса

алгоритм распределения процессорной загрузки,

программ, который по скорости превосходит мно­

состоящий в следующем. Расчетная область делит­

гие современные аналоги, уступая лишь дорого­

ся на ячейки различного размера в зависимости от

стоящим аппаратно-программным комплексам либо

плотности распределения частиц, количества про­

построенным специально для решения подобных

цессоров и общего числа частиц в системе. Ячейки

задач, либо использующим для расчетов графиче­

по

ские процессоры. На рис.

порядку

начинают

раздаваться

процессорам.

Если есть процессор, содержащий смежную ячейку,

7

приведены результаты

сравнения различных реализаций иерархических

и он не заполнен, то ячейка отдается ему. Иначе

методов. Отметим, что для сравнения использова­

отдается наименее загруженному процессу. Пример

лось

однородное

распределение

частиц

в

про­

Цифрами

странстве, при том, что разработанные методы бы­

отмечены области, соответствующие процессору с

ли оптимизированы для существенно неоднород­

данным номером. Такой алгоритм, во-первых, по-

ного распределения.

работы алгоритма представлен на рис.

6.


Глава

68

1. Допланетная
О

стадия развития солнечной системы

200

400

600

800

1000 1200

Среднее процессорное время,
затрачиваемое

на расчет сил

для одной частицы, мкс

Hamada, GPU, 2009, 128 proc.
GRAPE, 2004, 13 proc.
Le-Zakharov, 2009, 1 proc.
Stock & Gharakhani, GPU, 2008, З proc
Le-Zakharov, 2009, 128 proc.
Le-Zakharov, 2009, 256 proc.
Anh & Lee, 2008, 32 proc
Li, Johnsn & Krasny, 2008, 1 proc.
Hamada, 2009, 1 proc.
Belleman, Berdorf & Zwart, 2007, 1 proc.
Stock & Gharakhani, 2008, 2 proc
Рис.

Сравнение различных реализаций алгоритма Барнса-Хата для расчета дальнодействующих гравитацион­

7.

ных и электромагнитных взаимодействий. Данные по текущему проекту были получены в

2009 году на компьютере
(Ahn С" Lee S. Н., 2008; Be/leman R. G" Ber'dorf J"
Johnston Н" Krasny R" 2009; Makino J" 2004; Stock М"

МВС-100К. Остальные данные взяты из источников литературы

Zwart S. F. Р., 2008; Hamada
Gharakhani А., 2008)

Т.

and

othвrs,

2009; Li Р.,

По результатам замеров производительности

мере, не должно быть качественного скачка в ха­

были получены данные о коэффициенте распа­

рактере движения облака непосредственно после

раллеливания

начала моделирования. Иными словами, стадия

для

1 млн

80 %

частиц и

на

64 вычислительных ядрах
56 % на 128 ядрах для 1 млн

релаксации системы к характерному для нее дви­

частиц. Максимальная по числу частиц конфигу­

жению,

рация, для которой проводились расчеты, соста­

должна длиться долго, чтобы не вносить искаже­

вила

ний в моделируемый процесс.

1О

млн частиц, при этом время на

тегрирования на

1 шаг

ин­

которое

и

подлежит

исследованию,

не

вычислительных ядрах со­

Применительно к данной задаче это означает,

секунд. Замеры производительности

что разлет значительной доли частиц или, напри­

проводились на компьютере МВС-1 ООК Межве­

мер, длительные постепенно затухающие колеба­

домственного суперкомпьютерного центра РАН в

ния «толщины» облака (его размеров в направле­

2009 году.

нии оси аксиальной симметрии) свидетельствуют

ставило

6, 7

256

о неудачном выборе начальных условий.

3.

Моделирование образования
системы Земля-Луна

3. 1.

В ряде родственных задач молекулярной ди­
намики эта проблема решается следующим обра­
зом. После задания начальных значений динами­

Выбор начальных параметров

Выбор начальных условий моделирования в

ческих переменных

выделяется

некоторое

время

для того, чтобы система пришла в равновесие, и
только

после

этого

в

модели

«включается» учет

рамках рассмотренной выше схемы их задания

исследуемых эффектов, и производятся измере­

сводится к выбору численных значений величин

ния интересующих величин. Установление равно­

d0 , N,

f.hR,

ffio,

vrand, Evz. Эти параметры, стро­

весия

регистрируется

с

помощью

подходящего

го говоря, не определены, и одной из задач явля­

физического критерия, например, по установле­

ется

нию

исследование

поведения

системы

в

зависи­

мости от их значений.

максвелловского

распределения

по

скоро­

стям или по выравниванию концентраций частиц

Из физических соображений желательно, что­

в разных элементах объема системы. Таким обра­

бы скорости и координаты системы в момент нача­

зом, в ходе численного эксперимента этапу моде­

ла моделирования соответствовали одному из эта­

лирования

пов ее эволюции. Это означает, что, по крайней

чальных условий.

предшествует

этап

приготовления

на­


69

А. А. Пе-Захаров, А. М Кривцов. Расчет столкновительной динамики гравитирующих частиц

Для данной задачи реализация такого подхода

пых сил и

сил отталкивания

при столкновениях.

не представляется легко осуществимой, посколь­

Частота столкновений частиц при движении вдоль

ку

релаксацию

оси вращения определяется в начальный момент

невозможно

отделить

начальную

от процесса кластеризации, который и представ­

времени, в основном, хаотической компонентой

ляет интерес. Таким образом, единственным кри­

скоростей. Таким образом, для задания равновес­

терием пригодности выбранных начальных усло­

ной конфигурации облака необходимо учитывать

вий является критерий отсутствия «нежелатель-

соотношения между величинами EhR ,

ного» движения
времени.

системы в

начальный

момент

фиксированных

Evz

при

d0 , N .

1

В ходе проведения численных эксперимен­

'

В двумерном случае, когда облако является
плоским, движение системы «в целом» в началь­

ный момент времени зависит от величин

vrand

ffi(),

при заданных значениях

d0

и

ffi() и

N.

При

тов бьшо установлено, что при достаточно боль­
ших величинах

EhR

(отношения толщины облака к

его диаметру) происходит «схлопывание» облака
вдоль оси аксиальной симметрии, которое приво­

больших значениях начальной угловой скорости

дит

ffi() наблюдается быстрый разлет частиц от центра

вдоль этого направления. Увеличение хаотической

вращения по всему пространству. При малых

-

к

появлению

колебаний

толщины

облака

компоненты начальной скорости, vrand , до вели­

«падение» частиц на центр масс облака, в резуль­

чин, при которых данный эффект пропадает, при­

тате

водит к интенсивному разлету частиц в радиаль­

которого

происходит

соударение

значитель­

ного количества частиц, которое снова приводит к
~

1

ном направлении.

разлету неко'tорои доли частиц.

Существенно снизить оба эффекта удается

Гипотеза формирования системы Земля-Луна

при следующих значениях начальных параметров:

в результате гравитационного коллапса пылевого

f,hR

облака предполагает достаточно долгий период

< 0,12,

Evz

=

(17)

1,0,

стабильности облака за счет интенсивного испус­

то есть в случае, когда начальная конфигурация

кания газа с поверхности частиц. В связи с этим

близка к плоской, и аксиальная хаотическая ком­

выбор значений параметров начальных условий

понента скорости сопоставима с радиальной.

должен осущЬствляться таким образом, чтобы из­

Однако подбор соотношений между выше­

бежать эффе~fгов высокочастотных изменений фор­

указанными

мы облака в начальный момент времени.

зволяет полностью избежать эффекта схлопыва­

Вопросьt устойчивости двумерных бесстолк­
новительных

гравитирующих

систем

довольно

параметрами,

как

оказалось,

не

по­

ния (рис. 8а). Лишь изменение формы начального
случайного распределения скоростей частиц вдоль

широко изучены в литературе (Поляченко В. Л.,

оси вращения облака решает эту проблему. На

Фридман А. М,

рис.

1976).

Для случая бесконечно тон­

86

приведен результат для случая, когда на­

кого диска найден такой закон распределения и

чальная скорость частиц соответствует их верти­

угловая скорость (см. формулы

при

кальным колебаниям с максимальной амплитудой

взаимная компенсация грави­

(от верхней границы облака к нижней и назад).

которых наступает

(13)

и

(12)),

тационных и центробежных сил, и диск соверша­

В этом случае через некоторое время после нача­

ет так называемое твердотельное вращение, нахо­

ла расчетов облако разделяется на две части, а затем

дясь в состоянии устойчивого равновесия.

схлопывается под действием гравитационных сил

В трехмерном случае ситуация является зна­

(рис.

86).

Равномерное случайное распределение

чительно более сложной. Равновесные законы рас­

скоростей от нуля до скорости, соответствующей

пределения найдены лишь для сферически сим­

максимальной амплитуде колебаний, оказывается

метричных конфигураций (Поляченко В. Л., Фрид­

наиболее подходящим решением (рис. 8в). При этом

ман А. М,

колебания исчезают, и облако начинает сохранять

1976).

Движение частиц в радиальном

направлении по-прежнему определяется балансом

свою форму.

центробежных сил и сил гравитационного притя­

Физически это означает следующее. В трех­

жения, однако их движение вдоль оси аксиальной

мерном случае полный баланс гравитационных и

симметрии определяется балансом гравитацион-

центробежных сил невозможен (поскольку послед-


70

Глава

1. Допланетная стадия развития

Начальная скорость вдоль

Амплитуда колебаний

lксиальной оси не задана

максимальна

солнечной системы

Скорость равномерно
распределена между

максимальными значениями

lv,l~wz-~1-(

vz =0
_, ~ ~

"·~""

.~

~,_

~ -~
_,""-

'

81111111 111 .11) i

~

-

~ "".

'

~

~

~

'

. . " ~,/'.

.

~"

а)

~

,._

'

.

'

•

J'i ~· ' '

.

'

. .
. '

\

.

(

<

...

•

~_. ,~JJ..,_,,...,.

'

.

..

"

«

.

~
.:

8.

• '

~

~ ·-~

i\'1'

,..

}' '-

'•

~
,...·(

~

"\'

<

''!':

j

~:

•
••• ,

...
•

,_"
'

в)

б)

Рис.

z )
zma.x

.

.

~~tJ':j;:~-.-.,,"..,~~.,,'J. ·~""'u'-'y•"...,

1 r lt lf 1 L t'

'

.

'

'

2

Выбор закона распределения скорости

ние направлены исключительно в плоскости вра­

гурации,

в

частности

от начального

распределе­

щения облака). Наличие хаотических скоростей

ния скоростей частиц, то отдельно влияние плот­

движения частиц вдоль оси аксиальной симмет­

ности конфигурации на систему не исследуется.

рии в данном случае может являться фактором

Значения оставшихся параметров

( ffio

и

vrand ),

поддержания объемной формы газопылевого об­

напротив, рассматриваются как основные факто­

лака. При этом величины этих скоростей должны

ры, влияющие на результаты расчетов. Можно

зависеть от начальной формы облака и не могут
определяться лишь введенным ранее параметром

svz . Кроме того, соответствие скоростей частиц
колебаниям с максимально возможной амплиту­
дой (рис.
смысла,

86),

по-видимому, не имеет физического

поскольку отсутствуют причины,

по ко­

торым частицы должны в начальный момент вре­
мени двигаться по таким согласованным траекто­

риям. В данном случае наиболее реалистичным
выглядит форма начального распределения, пред­
ставленная на рис. 8в, где скорости заданы со­
гласно

равномерному

максимальное значение

закону

распределения,

а

скорости зависит от тол­

должна находиться в диапазоне от О, 5ms до

ms ,

поскольку меньшая скорость вращения приведет к

формированию одного тела в центре облака, а
большая скорость нарушит баланс гравитацион­

ных и центробежных сил и приведет к «разлету»
частиц в стороны. Также предполагается, что мак­
симум случайной компоненты скорости лежит в
диапазоне от

O,lvs

до

vs , так как,

с одной стороны,

в облаке помимо согласованного вращения при­
сутствует случайное движение частиц, а с другой
стороны, большие скорости хаотического движения
частиц также приводят к разрушению облака.

щины облака.
Начальная плотность облака, а соответственно
и отвечающий за нее параметр

m0

предположить, что начальная угловая скорость

d0 ,

берется при-

3.2.

Планирование численных
экспериментов

близительно на порядок меньше плотности кон­
денсированного тела из тех же частиц. Поскольку
дальнейшее изменение плотности сильно зависит

от значений других начальных параметров конфи-

Итак, на данном этапе задача сводится к ис­
следованию зависимости эволюции облака от че­

тырех независимых параметров:

m0 ,

vrand , ~ и

N.


71

А. А. Ле-Захаров, А. М Кривцов. Расчет столкновительной динамики гравитирующих частиц

Стандартный потенциал.

Модифицированный потенциал.

Вытянутая форма

Округлая форма.

•

Рис.

9.

Влияние потенциала взаимодействия на форму тел в плоскости вращения системы

В данном случае интерес представляют статисти­

адекватностью

ческие результаты, а именно: среднее число сфор­

временных вычислительных систем сверху. Ясно,

модели

снизу

и

мощностью

со­

мировавшихся кластеров, соотношения их разме­

что идеальным было бы рассмотрение модели,

ров,

средняя темпе­

наиболее близкой к реальному исследуемому объ­

ратура пыли и образовавшихся тел и т. д. Результат

екту, роль которого в данном случае играет про­

моделирования любой отдельно взятой начальной

топланетное газопылевое облако. Соответственно,

конфигурации не имеет большого значения, так

число пылевых частиц, участвующих в процессе,

как сильно зависит от случайного распределения

просто

координат и скоростей частиц. Кроме того, алго­

Проводить

среднее время конденсации,

гигантское

по

вычислительным

подобные

расчеты

меркам.

практически

не

ритм приближенного расчета сил и численное ин­

представляется возможным. Мы лишь можем на­

тегрирование вносят некоторую погрешность, что

деяться на подобие в поведении системы при раз­

может сильно

на результат расчета от­

личном числе частиц в ней. Суть такого подхода

дельно взятой конфигурации. Однако есть осно­

заключается в следующем. Предположим, что мы

вания

получили

повлиять

полагать,

что

статистические

данные

при

результаты

для

тысячи,

для

десятков,

сотен тысяч, для миллионов частиц. Если эти ре­

этом не изменятся.

Среднее количество сформировавшихся тел

зультаты совпали, то можно говорить о том, что,

является наиболее важным фактором при прове­

возможно, они буцут верны и при большем числе

дении расчетов. Для каких бы то ни было даль­

частиц.

нейших исследований необходимо первоначально
выявить зависимость этой величины от набора

начальных параметров и выделить область значе­

ний величин

ro0 ,

vrand, ~ и

N,

в которой наибо­

лее вероятным буцет формирование двух планете­
зималей. Интуитивно можно предположить, что
скорость вращения и хаотическая скорость буцут
иметь непосредственное влияние на этот резуль­

тат. Однако влияние двух оставшихся параметров

3.3.

Модификация потенциала
взаимодействия

Предварительные

образующиеся тела

расчеты

показывают,

зародыши планет

-

что

имеют

вытянутую форму. Подобный эффект наблюдает­
ся и в двумерном случае, однако в трехмерной

постановке задачи он принимает еще более ярко
выраженный

также не исключено.

-

характер.

Уменьшение

показателя

Зна­

степени в отталкивающей и диссипативной ком­

чения этого параметра ограничены физической

понентах позволило частично решить данную про-

Отдельно стоит сказать про параметр

N.


72

Глава

1. Допланетная

стадия развития солнечной системы

mo

Vrand fvs

--"t'

ffis

0,60

0,58

0,56

0,54

0,52

0,50

0,48

0,46

0,44

0,65

l,00

l,00

l,00

l,00

l,00

1,00

1,00

1,00

1,00

0,7

l,00

1,00

1,00

1,00

l,00

1,00

1,00

1,25

1,00

0,75

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

0,8

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

0,85

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

0,9

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

0,95

1,00

1,00

1,25

1,25

1,00

Рис.10.

Среднее число кластеров при различных распределениях начальных скоростей частиц для системы

из 2 х 104 частиц

среднее число кластеров в зависимости

от угловой и хаотической компонент скорости

0.72
0.74

CD

8.
ь
«J

0.76

.D

~ 0.78

... " ..

Q.

12
о
51

о

о

0.8 ..

u::

~ О.82

Jo.1

.... 0.114

>

0.86
0.88 " ..... .

0.55

0.5

0.45

0.4

хаотическая скорость

Рис.

11.

Зависимость числа кластеров от угловой и хаотической компонент скорости (статистические результаты более

400

трехмерных расчетов с

20

ООО частиц). Графики построены на основе данных, приведенных на рис.

1О

после

применения к данным медианного фильтра и линейной интерполяции

блему. Частицы в результате такой модификации

как выяснилось, подтверждается. Серия расчетов

закона взаимодействия становятся «мягче». Форма

показывает, что существует область значений, в

образующихся тел при этом меняется и становится

которой наиболее вероятным результатом является

симметричной в плоскости вращения всей системы.

формирование двух тел-зародышей (рис.

Однако вдоль оси аксиальной симметрии системы

более отчетливо эта область заметна на рис.

тела по-прежнему остаются «сплющеннымю>. Сто­

где приведен график зависимости количества кла­

ит отметить, что последняя проблема разрешается

стеров от начальных скоростей после обработки

уменьшением коэффициента диссипации в систе­

полученных данных.

ме, о чем речь пойдет несколько позже.

3.4.

Влияние угловой и хаотической
скоростей

Сильное влияние вращательной и хаотиче­

ской скоростей на число сформировавшихся тел,

10).

Наи­

11,

Более подробная картина выглядит так. При
малой скорости вращения наблюдается сильный
коллапс. Частицы под действием сил взаимного
притяжения устремляются к центру системы, где

формируется

одна

единственная

протопланета.

При увеличении угловой скорости гравитационные


А. А. Ле-Захаров, А. М Крuвцов. Расчет столкновительной динамики гравитирующих частиц

ln(Qz)

ln(Qz)

•

ln(Qz)

•••
••

t=O

i<I\
..:-"
Рис.

12.

•
•
•

'. .
••

О

ln(Mz)

•

.•

~

о

ln(Qz)
1=40

•
••

t=20

73

ln(Mz)

О

О

ln(Mz)

ln(Mz)

Распределение кластеров по размерам (билогарифмическая шкала) в ходе расчета в разные моменты време­

ни. М2

-

масса кластеров,

Q2

-

количество кластеров. Время измеряется относительно микроскопического

масштаба Т0

силы сбалансированы центробежными. Система

ментом системы Земля-Луна (кинетический мо­

более уравновешена, что дает возможность обра­

мент системы Земля-Луна в настоящее время от­

зования двух и более тел. При дальнейшем росте

личается

центробежных сил баланс нарушается и модель

могла обладать система сформировавшихся прото­

от первоначального

момента,

которым

теряет физический смысл. Частицы разлетаются в

планет, из-за их роста и, возможно, влияния неко­

разные стороны, образование кластеров прекра­

торых других факторов) (Галимов Э. М и др.,

2005).

От влияния начальных скоростей перейдем к

щается.

Влияние на систему начальной хаотической

анализу процесса формирования и изменения кла­

скорости частиц также предсказуемо. При ее от­

стеров.

сутствии гравитационная неустойчивость приво­

кластеров по массам в билогарифмической шкале

дит к формированию множества скоплений час­

и его изменение в ходе расчета. Здесь применяется

тиц. Как следствие, формируется множество кла­

следующая методика измерения размера (массы)

стеров,

кластеров.

которые

затем

начинают

сталкиваться

На рис.

12

представлено распределение

Пространство,

содержащее

частицы,

друг с другом и объединяться в более крупные.

разбивается на кубические ячейки. Частицы, нахо­

Опять же, если хаотические скорости способны

дящиеся в одной ячейке или в соседних ячейках,

сбалансировать гравитационное взаимодействие,

считаются принадлежащими одному кластеру. Да­

скопления частиц не успевают сформироваться.

лее записывается зависимость количества класте­

Число формирующихся тел соответственно умень­

ров от их размеров. Линейная область графиков

шается до трех, двух или одного. Если же хаоти­

соответствует «шумовой» составляющей, то есть

ческое движение частиц в системе слишком вели­

малым кластерам,

число

которых в ходе расчета

ко, она не может существовать и разрушается. За­

колеблется незначительно. Точки, лежащие на го­

родыш планеты при этом не формируется.

ризонтальной оси правее линейного участка, ха­

Отметим, что приведенные значения скоро­

стей на графике на рис.

11,

немного отличаются

от значений, полученных для двумерной модели в

работе (Галuмов Э. М и др.,

рактеризуют крупные и легко различимые на ри­

сунках конфигурации частиц
Графики на рис.

12

-

кластеры.

сами по себе дают не

где наиболь­

очень много информации. Однако если сопоста­

шая вероятность формирования двух тел достига­

вить и проанализировать аналогичные графики

лась при Vrand = 0,68vs и

roo

2005),

~О, 76ros. При этом

для нескольких расчетов, то можно выявить неко­

влияние изменения максимального значения хао­

торые

тических скоростей (параметра vrand ) в (Гали­

графики изменения логарифма массы двух наибо­

мов Э. М и др.,

лее крупных по размеру кластеров в зависимости

2005)

вообще не рассматривалось.

Тем не менее, значения на рис.

11

соответствуют

закономерности.

На

рис.

13

приведены

от времени. Наложены результаты, полученные в

возможным условиям существования подобных

нескольких численных экспериментах с одинако­

газопылевых облаков и согласуются с работами

выми начальными параметрами. Видно, что, не­

(Витязев А. В., Печерникова Г В., Сафронов В. С.,

смотря на внешние отличия в динамике облака,

1990; КолеснuченкоА. В., Марав М Я, 2009; Саф­
ронов В. С., 1969), а также с кинетическим мо-

для различных расчетов наблюдаются общие за­
кономерности роста наибольших кластеров.


74

Глава

1. Допланетная

стадия развития солнечной системы

ln(C)

ln(B)

о
Рис.

20

t
80

60

40

t
о

20

60

40

80

13. Изменение логарифма массы наибольшего (слева) и второго по величине кластеров во времени для нескольких рас­
четов с одинаковыми начальными параметрами. Время измеряется относительно микроскопического масштаба Т0
Эллиптическая форма с
соотношением осей

- 2:1

Сферическая форма при

при сильном впиянии диссипации

малом впиянии диссипации

Тела сильно уплотнены уже
на начальной стадии процесса

Сперва формируются зоны
повышенной плотности, затем
происходит медленная конденсация

Рис.

3.5.

14.

Влияние диссипации на форму тел-зародышей

Влияние коэффициента диссипации

Выяснилось, что при уменьшении диссипации
меняется

характер взаимодействия тел

столкновении.

Когда

диссипация

при их

велика,

тела

достаточно плотны и процесс столкновения напо­

минает удар. При слабой же диссипации тела ме­
нее плотны. Частицы внутри них продолжают со­
вершать

хаотическое

движение

и

сталкиваться

друг с другом. В этом случае при столкновении

тел происходит их мягкое объединение.

Кроме того, меньшая диссипация увеличи­
вает время конденсации вещества в формирую­

щихся кластерах. Результатом этого является бо­
лее правильная округлая форма тел. Таким обра­
зом, уменьшение коэффициента диссипации в со­
вокупности

с

изменением

отталкивающей

и

показателя

диссипативной

степени

в

компонентах

закона взаимодействия позволяет решить пробле­

му неправильной вытянутой формы протопланет
(рис.

14).


А. А. Пе-Захаров, А. М Кривцов. Расчет столкновительной динамики гравитирующих частиц

Рис.

15.

75

Сравнение процессов эволюции пылевого облака при различной диссипации

Рис. 16. Пример расчетов с различным числом частиц, но аналогичными результатами. Число частиц составляет 2х10 4
(снизу) и 2х10 5 частиц (сверху)

Примечательно, что уменьшение диссипации

3. 6.

относительно первоначально выбранного значе­

числе частиц

ния влияет на детали процесса, но не меняет об­
щих тенденций в поведении системы в целом, та­

ких как среднее число образующихся тел или
среднее время кластеризации. Таким образом, ко­

эффициент диссипации более не может рассмат­
риваться как параметр, способный замедлить про­
текание процесса начального формирования заро­
дышей планет. Велик этот коэффициент или мал,
система в любом случае довольно быстро (в тече­
ние нескольких оборотов вокруг своей оси) рас­
падается на отдельные тела, плотность которых в

разы
(рис.

превышает

15).

плотность

оставшейся

пыли

Подобие при различном

Модель пылевого облака была составлена та­
ким образом, чтобы можно было ожидать подобия
в

поведении

систем

с

различающимся

числом

частиц. Это очень важный момент, так как прово­
дить расчеты с тем числом тел, которые участву­

ют в реальном процессе подобного рода, просто

невозможно. Ни один современный компьютер не
справится с подобной задачей. Поэтому о поведе­

нии реальной системы можно лишь судить, исхо­

дя из соображений подобия.
Как показали эксперименты, системы с раз­

ным числом частиц могут вести себя очень схоже.


76

Глава

Рис.

1. Допланетная

стадия развития солнечной системы

Примеры результатов расчета для системы с

17.

0.5

млн частиц. При увеличении числа частиц может наблюдаться

промежуточная стадия агрегации частиц в небольшие кластеры с их последующим объединением

На рис.

16

приведен пример двух расчетов с раз­

Таким образом, можно говорить о некотором

и 2 х 1о ) и при­

подобии в первом приближении, отмечая несо­

близительно схожим характером эволюции системы.

мненную необходимость более подробного изуче­

Практически для любого расчета с небольшим чис­

ния данного вопроса.

личным числом частиц ( 2 х 10

4

5

лом частиц можно среди всех результатов найти

3. 7.

аналогичный по характеру коллапса расчет с чис­

лом частиц на один или два порядка больше.

системы

Однако по результатам расчетов становится
очевидным, что среднее количество образующих­
ся кластеров и характеристики их роста все же за­

висят от числа частиц. При этом область значений

начальных параметров, обеспечивающих наибо­
лее вероятное формирование двух тел, смещает­
ся в зону несколько больших хаотических ско­
ростей. На рис.

0,5
ffio

млн частиц.

17

показан расчет для системы с

Значения параметров скоростей

и vrand взяты достаточно большими (что соот­

ветствует области образования одного кластера в
случаев на рис.

100 %
цесс

заканчивается

11 ).

Несмотря на это, про­

формированием

Общие тенденции в поведении

множества

Итак, проанализировав все имеющиеся ре­
зультаты, можно прийти к следующим выводам.

Во-первых, рассуждения о подобии задачи в дву­
мерной постановке ее трехмерному аналогу ока­
зались, в целом, верны. Проблемы, возникшие
при переходе к трехмерной модели, успешно раз­

решились после небольших изменений парамет­
ров системы и начальных условий. Начальное рас­
пределение скоростей, а именно начальная ско­
рость вращения и начальная хаотическая скорость
частиц,

как

и

предполагалось,

сильно

влияют

на количество образующихся в конечном резуль­
тате тел.

тел, которые в дальнейшем начинают объединять­

Увеличение начальных скоростей приводит

ся между собой. Видно, что процесс протекает

к быстрому разрушению системы сразу после на­

иначе, чем в том случае, когда число частиц в сис-

чала расчетов. Уменьшение же наоборот, приво­

теме имеет порядок 10 4 . На рис. 16 видно, что

дит

при малом числе частиц зародыши планет форми­

большого числа кластеров. Коэффициент дисси­

руются без промежуточной стадии агрегации час­

пации оказывает довольно слабое влияние на ре­

тиц

к

схлопыванию

и

быстрому

образованию

последующего

зультат. Поэтому, как уже было сказано, он не мо­

столкновения этих кластеров, как это показано на

жет рассматриваться в качестве фактора, способ­

рис.

ного замедлить протекание процесса. Однако этим

в

17.

небольшие

кластеры

и

Исходя из сравнения рис.

16

и рис.

17,

можно сделать следующие выводы. Во-первых,

фактором вполне может стать, например, пока не

область параметров, при которой конечной стадией

учтенное влияние Солнца.

эволюции системы является формирование двух

Модель газопьшевого облака позволяет про­

тел, может смещаться при изменении масштаба

вести грубые оценки нагрева системы в ходе грави­

системы. Во-вторых, способ формирования тел

тационного коллапса газопылевого облака (рис.

несколько меняется и появляется промежуточная

Полученное распределение температур в целом со­

19).

стадия агрегации частиц в небольшие группы.

гласуется с данными работы (Галимов Э. М и др.,

Для более точных выводов в настоящее время не­

2005). Значения средних температур зародышей

достаточно

планет в ходе эволюции облака, значения темпе­

статистических

данных

систем с большим числом частиц.

о

поведении

ратур ядер и оболочек проmпланет играют важную


77

А. А. Пе-Захаров, А. М Кривцов. Расчет столкновительной динамики гравитирующих частиц

Сильный коллапс,
небольшое число тел,
обычно одно

Разлет частиц в стороны,

Система уравновешена,
большее число тел

система разрушается

НАЧАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ ВРАЩЕНИЯ

+

Частицы собираются во множество
Разлет частиц в стороны,
Система разрушается

Система сбалансирована, число
тел варьируется от 1 до 3

небольших тел,
которые затем сталкиваются

НАЧАЛЬНАЯ ХАОТИЧЕСКАЯ СКОРОСТЬ

+
Коэффициент диссипации перестает
влиять на начальную стадиtо

Тела формируются
очень быстро, от чего их

Тела малого размера не успевают
сформироваться, образуеrся от 1 до

зависит лишь скорость уплотнения

количество растет

нескольких крупных тел

формировавшихся тел

формирования системы, от него

КОЭФФИЦИЕНТ ДИССИПАЦИИ

+
Увеличение числа частиц в.пияет на

При числе частиц меньше 1000
и дальнейшем уменьшении их числа
постепенно теряется физический

поведение системы. Образовавшиеся
тела приобретают некоторую

смысл задачи

«тягучесть»

РАЗМЕР
Рис.

/

ЧИСЛО ЧАСТИЦ

+

Общие тенденции в поведении системы при изменении ее основных параметров (распределения скоростей,

18.

уровня диссипации и числа частиц)

роль в объяснении геохимического состава планет

цо частиц, вращающихся вокруг массивного цен­

(Галимов Э. М и др"

однако это требует до­

трального тела. Моделирование такой системы

анализа и выходит за рамки дан­

проще с вычислительной точки зрения, но при

полнительного

2005),

этом оно может дать необходимую информацию о

ной работы.

влиянии соотношения масс и размеров на процесс

3. 8.

Исследование аккумуляции частиц

конденсации газопылевых скоплений.

Рассмотрим следующую систему. Частицы,

протопланетного диска,
вращающегося вокруг Солнца
В предыдущих разделах данной статьи не рас­
сматривался вопрос влияния Солнца на процесс

конденсации газопьmевого диска. Оценим, насколь­
ко существенным может оказаться это влияние.

Расстояние от Солнца до Земли составляет

материальными точками,

одинако­

вые по массе и взаимодействующие между собой
согласно

некоторому

закону,

движутся

в

поле

центрального тела массы м по круговым орби­
там. Будем обозначать массу частицы т, число

частиц-

N.

Введем два безразмерных параметра, описы­

приблизительно

как расстояние

150 миллионов километров, тогда
между Землей и Луной около 350

описываемые

вающих соотношение размеров и масс централь­

тысяч километров. Таким образом, масштаб сис­

ного тела и кольца частиц.

темы Земля-Луна на три порядка отличается от

кольца частиц к массе центрального тела обозна-

масштабов протопланетного околосолнечного дис­

ка. Если же рассматривать размеры планет (радиус

чим

Отношение массы

Nт

Рт = - - . Отношение объема, занимаемого
м

километров), то раз­

всеми вращающимися частицами к общему объе­

ница в масштабах проявляется еще сильнее. В свя­

му кольца частиц с точностью до константы обо­

Земли приблизительно

6400

зи с этим, моделирование формирования системы
Земля-Луна в рамках эволюции околосолнечно­

го диска с использованием той же модели вызы­
вает ряд вычислительных сложностей.
В этом разделе мы будем исследовать некую

абстрактную систему, представляюшую собой коль-

значим

Nа3

Pv = - - ,
R3

где

R -

радиус диска, а

-

радиус частицы. Толщина кольца частиц вдоль
оси аксиальной симметрии

h = shRR

считается

пропорциональной его радиусу. Константа, опу-


Глава

78

1. Допланетная

стадия развития солнечной системы

45СI0,.-.,.-,с--т-.--,--т--г--т-,.-,-т-r-т--т----т--..---г-r-г-т--.-.--т-.,.-,г-т-r-т--г--т---т-г-r-r-.
400()+-1--+-+-+-+-f-+-+-+-+-J-+-+--+-+-1-+-+--+--+--t:::Ф-+""l=+-f-+-+,.,~F-+-+-+--+-1

....

~

3(Х)()

+-+-1-+--+-+-+---t-+-l--i--+-+-+--t--t-+-t--i1""+-

."

';

2500+-+--<f-+--+-+-t--+-'l-i-i-+-+-+--+--+-~?_·,_..._,.-+-+--+--+-+->-t-+-+--t--+--+-t---<-+-f

~

2000+-_,_,._,_,__...._...,--t-+-.......-+-+-+--t-·~·-+-+--+--+-+->--t--+-+--+--+-+-+--i--<--+-+--+-~

~

t

i
{!!.

1.:

f"/f

/

1500

+-+--<f-+--+-+--+--+--+-i-i--t--+~-+--+-+-t---<--i'--+-+,__,_,.._....~

500+-l--i-+-+-+--t--t-+-l--i--+-+-t---t-+-+-11--t-+-+-t--t-+-t--i-+-+-+---t-+-+-t-t--+-I
0+--'-'--'--'-++--'---'--'-.......,f--'---'--'---'-f+--'-'-'--'--+--'---'---'-+-'-f-l--'---'--'---t--'-~'--'-1

0.15

Рис.

19.

0.29

O.Zl

Оценка распределения температур в ходе одного из расчетов. Начальная температура системы составляет

373

К

зависеть от геомет­

В связи с вычислительной сложностью рас­

рической формы сечения кольца в начальной кон­

четов при использовании значений параметров,

щенная в параметре

Pv , будет

фигурации. Параметры

Pv и Рт инвариантны к

согласованных с пропорциями Солнечной систе­
мы, на данном этапе проводятся лишь предвари­

изменениям числа частиц, что позволяет постро­

ить масштабируемую модель и сохранить подобие
при изменении числа частиц.

Значения параметров для Солнечной системы
(в этом случае необходимо рассматривать не кольцо
частиц, а околосолнечный протопланетный диск)
можно оценить как

того

расчеты,

или

иного

в

которых

параметра

и

меняются

значения

выявляются

возни­

кающие при этом изменения в поведении модели

(значения параметров приведены в табл.
следуется

поведение

кольца

частиц

в

Ис­

1).

поле

цен­

трального тела. Сечение кольца представляет со­

бой эллипс. Кольцо задано набором параметров:

Рт= 0,00134 И
Вместо параметра

тельные

Pv:::; 10- 12 -lo- 15

.

радиус кольца,

R -

Pv на практике удобнее ис-

h1 ~ О, 167 R

и

h2

~ О, 036R

-

размеры его сечения. Соотношение масс и разме­
ров частиц с массой центрального тела и разме­

пользовать параметр PR = ~ = VN !!__ •

рами всей системы заданы параметрами Рт и

R

Расчеты проводились для системы из
Таблица
Параметры предварительных расчетов формирования
планет внутри газопылевого кольца в гравитационном

1

500

PR .

частиц.

Скорость движения частиц задается таким обра­

зом, чтобы они двигались по круговой траектории
в гравитационном поле центрального тела. По­
тенциал взаимодействия частиц в качестве перво­

поле центрального тела

№

Рт

Р,

13113.

1

0,01

0,144

0,02

2

0,01

0,108

0,02

3

0,0005

0,144

0,02

4

0,01

0,144

0,01

го приближения был взят из модели ротационного
коллапса пылевого облака, рассмотренной ранее
(формула

(5)).
20

На рис.
и

Pr

показано влияние параметров Рт

на характер формирования кластеров. Зна­

чения параметров для рис. 20а,

206

и 20в можно


79

А. А. Ле-Захаров, А. М Кривцов. Расчет столкновительной динамики гравитирующих частиц

..

~" f

~

•

'О

...

~~·~~~;.~~
'

•·

."

... "·

а)
Рис.

20.

.

•• ' , . .
:. . ,
~·.{
'

",•·

\.

•."..

~

.

"" •••
'

.

." , ..
.....
н:

в)

б)

Исследование влияния соотношения размеров частиц кольца и их суммарной массы к размерам и массе всей

системы. Модель 1 (а) имеет большее значение параметра
чем модель

найти в табл.

1

венно. Модель

под номерами

1

чение параметра

PR,

чем модель 2 (б), и большее соотношение масс,

3 (в)
соответст­

что при наличии внешнего гравитационного поля

на рис. 20а имеет большее зна­

диссипативные силы могут влиять на время кон­

PR ,

1, 2

и

3

а стало быть меньшую плот­

денсации пылевых скоплений.

Таким

Для того, чтобы точно оценить, насколько

образом, можно наблюдать, что увеличение плот­

существенным является влияние Солнца, требует­

ности вещества приводит к большей гравитаци­

ся проведение более масштабных расчетов. Для

онной нестабильности и быстрому формирова­

Солнечной системы параметр

нию кластеров. Модели

рядков меньше, чем для тех систем, которые рас­

ность вещества, чем модель

1

и

2

3

на рис.

206.

на рис. 20а и 20в

имеют различное соотношение масс Рт

.

Видно,

сматривались

в

данном

Pr

разделе,

на несколько по­

что

приводит

к

что уменьшение суммарной массы частиц кольца

значительному ослаблению влияния Солнца. От­

по отношению к массе центрального тела, наобо­

личия же в значениях параметра Рт

рот, замедляет процесс формирования кластеров.

гут привести к повышению влияния Солнца, не

Причем на каком-то этапе процесс формирования

настолько существенны. Поэтому авторы данной

результатов

кольца частиц

в

моделирования

поведения

гравитационном поле

централь­

ного тела можно сделать следующие выводы. Со­
отношение

массы

кольца

к

массе

которые мо­

статьи полагают, что учет влияния Солнца может

тел становится просто невозможен.

Из

,

лишь

несколько

скорректировать

модель ротаци­

онного коллапса пылевого облака, но не изменить
ее коренным образом.

центрального

тела, размеры кольца, а также диссипативная ком­

понента в законе взаимодействия частиц оказы­

Заключение

вают влияние как на характер эволюции системы,

так и на время конденсации вещества. Как видно
из

проведенных расчетов

в

системе

с

централь­

Было

проведено

детальное

моделирование

формирования планетной системы Земля-Луна в

ным телом также может наблюдаться формирова­

результате ротационного коллапса пылевого облака

ние плотных тел. В этой связи образование двой­

в трехмерной постановке. Найдена область пара­

ной системы планет по рассматривающемуся в

метров начальных условий, при которых система

предыдущих разделах сценарию может быть реа­

демонстрирует интересующее поведение

-

рота­

лизовано и при учете внешнего гравитационно­

ционный коллапс с формированием двойной сис­

го поля. Однако результаты, представленные на

темы планет. В многочисленных вычислительных

рис.

экспериментах

1О, 11,

ности,

могут несколько измениться. В част­

ранее

было показано, что коэффициент

диссипации не оказывает существенного влияния

качественно

изучено

влияние

на­

чальных условий на результат расчета, количество
кластеров

-

устойчивых скоплений частиц.

на время ротационного коллапса. Однако получен­

Таким образом, впервые для постановки зада­

ные в данном разделе результаты говорят о том,

чи, соответствующей гипотезе совместного фор-


Глава

80
мирования

системы

1. Допланетная

Земля-Луна

в

стадия развития солнечной системы

результате

гравитационного коллапса газопылевого облака,

бtma показана принципиальная возможность фор­
мирования двойной системы планет в трехмерном

пространстве. Соответствующие этому значения
начальной угловой скорости вращения облака и
хаотических скоростей движения частиц удовле­
творяют возможным условиям существования по­

добных газопылевых облаков и согласуются с ра­
ботами других авторов по изучению эволюции
околосолнечного протопланетного диска.

Несмотря на специфику задачи (наличие даль­
нодействующего гравитационного потенциала и

близкодействующей отталкивающей силы, суще­
ственно

неравномерное

распределение

частиц

в

пространстве), удалось добиться высокой произ­
водительности расчетов и провести многочислен­
ные

серии

компьютерных

лом частиц до 2 х 10

5

,

экспериментов

с

чис-

а также единичные расчеты

с несколькими миллионами частиц.

Литература
Альтшулер Л В., Крупников К. К. Бражник М И

(1958)

Динамическая сжимаемость металлов при давлени­
ях от четырехсот до четырех миллионов атмосфер//

ЖЭТФ. Т.

34.

№

4.

С.

886-893.

Васильев С В., Кривцов А. М, Галимов Э. М

(2011)

Ис­

следование процесса роста системы планета-спут­

ник в результате аккумуляции вещества пьшевого об­

лака// Астрономический вестник. Т.

45.

№

4.

С.

Витязев А. В., Печерникова Г В., Сафронов В. С

1-10.
(1990)

Планеты земной группы: происхождение и ранняя

эволюция. М.: Наука, главная редакция физико-мате­
матической литературы.

Галимов Э. М

(2011)

Образование Луны и Земли из об­

щего супрапланетного газопьшевого сгущения// Гео­
химия. №

6. С. 563-669.
(1995) Проблема

Галимов Э. М

происхождения Луны.//

Основные направления геохимии
мов. М.: Наука. С.

/

ред. Э. М. Гали­

8-45.

Галимов Э. М, Кривцов А. М, Забродин А. В., Легкосту­
пов М С, Энеев Т М

(2005)

Динамическая модель

образования системы Земля-Луна// Геохимия. №
Глушак Б. Л, Куропатенко В. Ф., Новиков С А.
следование

прочности

материалов

при

ских нагрузках. Новосибирск: Наука.
Колесниченко А. В., Марав М Я

(2009)

296

(1992)

11.

Ис­

динамиче­

с.

Турбулентность и

самоорганизация. Проблемы моделировани косми­
ческих и природных сред. М.: БИНОМ.

632

с.

Поляченко В. Л, Фридман А. М

(1976)

Равновесие и ус­

тойчивость гравитирующих систем. М.: Наука.
Сафронов В. С

(1969)

Эволюция допланетного облака

и образование Земли и планет. М.: Наука.
Энеев Т М

(1993)

244

с.

Кольцевое сжатие вещества в капель­

ной модели протопланетного диска// Астрономиче­
ский вестник. Т.

27.

№

Энеев Т М, Козлов Н. Н.

3.
(1981)

Модель аккумуляцион­

ного процесса формирования планетных систем

//
XV. № 2, № 3.
Ahn С, Lee S. Н. (2008) А new treecode for long-range
force calculation // Computer Physics Communications.
V. 178. Iss. 2. Р. 121-127.
Ananth Grama, Vipin Китаr, Ahmed Sameh. (1994) ScalaЫe
Parallel Formulations of Bames-Hut method for n-Body
Simulations // Proceedings of the 1994 conference on
Supercomputing. Р. 439-448.
Atsиchi Kawai, Toshiyиki Fиkushige, Jиnichiro Makino,
Makoto Taiji. (2000) GRAPE-5: А Special-Purpose Computer for N-body Simulations // Astron. Soc. Japan.
V. 52. Р. 659-676.
Barnes J., Ниt Р (1986) А Hierarchical О(п log п) Force
Calculation Algorithm // Nature. 324.
Belleman R. G., Berdorf J., Zwart S. F Р (2008) High performance direct gravitational N-body simulations on
graphics processing units П: An implementation in
CUDA//New Astronomy. V. 13. Р. 103-112.
CameronA. G. W, Ward W (1976) The origin ofthe Moon //
Science. V. 7. Р. 120-122.
Сапир, R. М (2004) Formation ofthe Moon // Ann. Revs.
Astron. Astrophy. V. 42. Р. 441-475.
Сапир, R. М (2004) Simulations of а Late Lunar Forming
Impact // Icarus. V. 168. Р. 433-456.
Capиzzo-Dolcetta R., Miocchi Р (1997) А comparison between Fast Multipole Algorithm and Tree-Code to
evaluate gravitational forces in 3-D // astro-ph/9703122
v119Mar.
DиЬinski J. (1996) А Parallel Tree Code // astro-ph/9603097.
Galimov Е. М (2004) On the origin of lunar material //
Geochem. Intem. V. 42. № 7. Р. 595-609.
Hamada Т, Narumi Т, Yokota R., Yasиoka К., Nitadori К.,
Taiji М (2009) 42 TFlops hierarchical N-body simulations on GPUs with applications in both astrophysics
and turbulence // Proceedings of the Conference on High
Performance Computing Networking, Storage and Analysis. Art. 62. Р. 1-12.
Hartmann W К., Davis D. R. (1975) Satellite-sized planetesimals and lunar origin // Icarus. V. 24. Р. 504-515.
Hernqиist L. (1987) Performance characteristics of tree codes // The Astrophysical Journal Supplement Series. V. 64.
Р. 715-734.
Нideki Yahagi, Masao Mori, Yиzиru Yoshii. (1999) The Forest
Method as а New Parallel Tree Method with the Sectional Voronoi Tessellation // The Astrophysical Joumal
Supplement Series. V. 124. Part 1. Р. 1-9.
Астрономический вестник. Т.


А. А. Ле-Захаров, А. М Кривцов. Расчет столкновительной динамики гравитирующих частиц

HockneyR. W EastwoodJ. W (1981) Computer Simulation Using Particles. New York: McGraw-Hill; Хокни Р,
ИствудДж. (1987) Численное моделирование ме­
тодом частиц. М.: Мир.

Ни Уи,

Johnsson Lennart S. (1996) А Data Parallel Implementation of Hierarchical N-body Methods // Тhе Intemational Joumal of Super Computer Applications
and High Performance Computing. V. 10(1). 3-40.
Li Р, Johnston Н., Krasny R. (2009) А Cartesian treecode
for screened coulomb interactions // Joumal ofComputational Physics. V. 228. Р. 3858-3868.
Lissauer J. J. (1997) lt's not easy to make the moon // Nature. V. 389(6649). Р. 353-357.
Makino J. (2004) А Fast Parallel Treecode with GRAPE //
PuЫications of the Astronomical Society of Japan. V. 56.
Р. 521-531.

81

Pangfeng Liu, Sandeep N. Bhatt. ( 1994) Experiences with
Parallel N-body Simulation // Proc. 6th ACMSymposium on Parallel Algorithms and Architectures, АСМ
SIGACT andSIGARCH. Саре. NJ. Р. 122-131.
Salmon J. К., Warren М S. ( 1994) Skeletons from the treecode closet // Joumal of Computational Physics. V. 111 (1 ).
Р. 136-155.
Shigeru Ida et а!. (1997) Lunar accretion from an impact
generated disk // Nature. V. 389(6649). Р. 353-357.
Stock М, Gharakhani А. (2008) Toward efficient GPU-accelerated N-body simulations // 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno. Nevada. AIAA Paper.
Р. 608.
Valdarnini Riccardo. (2003) Parallelization of а treecode //
New Astronomy. V. 8. lss. 7. Р. 691-710.


МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ЛУНЫ ИНВЕРСИЕЙ
СЕЙСМИЧЕСКИХ ДАННЫХ

О. Л. Кусков, В. А. Кронрод
Институт геохимии и аналитической химии им. В. И Вернадского РАН

о/_kuskov@тail.ru

Предложен новый метод оценки термального состояния мантии Луны на глубинах

50-1 ООО

км обраще­

нием (инверсией) профилей скоростей сейсмических Р- и S-волн в профили температуры. Процедура реше­
ния обратной задачи осуществлена с помощью метода минимизации свободной энергии Гиббса и уравнений
состояния мантийного вещества с учетом фазовых превращений, ангармонизма и эффектов неуиругости.

Полученное распределение температур и значение теплового потока в верхней мантии (3,6 мВт/м2 ) не согла­
суется с экспериментальными оценками

(Keihm, Langseth, 1977),

основанными на измерении теплового пото­

ка и распространенности тория, согласно которым тепловой поток в верхней мантии находится в интервале

7-13 мВт/м 2 • Двух-, трехкратное отличие настоящих оценок мантийного теплового потока от таковых по про­
грамме «Аполлон» позволяет усомниться в корректной интерпретации данных по измерению теплового по­

тока с поверхности Луны. Геофизические и геохимические ограничения указывают на стратификацию мантии
Луны по химическому составу. Верхняя мантия Луны, вероятно, имеет оливин-пироксенитовый состав, обед­
ненный труднолетучими оксидами

(-2

мае.% СаО и А1 2 0 3 ). Состав нижней мантии, обогащенный трудноле­

тучими оксидами

(4-6 мае. % СаО и А12 0 3 ),
пироксен + гранат ± ортопироксен.

может быть представлен модельной ассоциацией оливин

ментальных космических исследований в России

Введение

(Галимов,
В начале

+ клино­

XXI века

Луна снова становится

2010).

Проблема

происхождения

и

внутреннего

стороны

строения Луны важна не только сама по себе, но

ученых разных стран мира. Уже осуществлены

оказывается тесно связанной с проблемой началь­

новые запуски искусственных спутников Луны и

ного состояния и ранней эволюции Земли (Вино­

планируются дальнейшие космические экспери­

градов,

менты в Японии, Индии, Китае, США и России

Очевидно потому, что состав и термальная эво­

(проекты <<Луна-Глоб», «Луна-Ресурс»). Эти про­

люция Луны должны рассматриваться в качестве

екты должны реализовать дальнейшее решение

фундаментального

научных задач в области геологии, геохимии и

при тестировании космогонических моделей ее

геофизики Луны. Достижения и перспективы изу­

происхождения. Однако химический и фазовый

чения Луны, а также анализ стратегически важ­

состав глубинных оболочек, размеры ядра и тер­

ных направлений изложены в ряде современных

мальное состояние недр Луны а

priori неизвестны

обзоров (Галимов, 1995, 2004; Wieczorek et а/.,
2006; Taylor et а/., 2006; Кусков и др., 2009). На­

(Кронрод, Кусков,

Геотермические и

объектом

пристального

внимания

со

циональная программа по изучению и освоению

1975;

Галимов,

2004; Галимов

геохимического

1997, 1999).

и др.,

2005).

ограничения

сейсмические модели противоречивы, нет данных

о составе глубинных пород Луны, в то время как

Луны изложена в работе Э. М. Галимова, в кото­

одна из главных задач, связанных с решением за­

рой дан анализ состояния дел в области фунда-

дачи происхождения Луны и ее состава,
деление

Работа выполнена при финансовой помержке программы
Президиума РАН №

25.

химического

и

минерального

-

опре­

строения

мантии, включая нижнюю мантию (прежде всего,
концентраций

Al

и Са). Отсутствуют надежные


84

Глава

1. Допланетная

стадия развития солнечной системы

сейсмические определения границ в коре, мантии

реннего строения и теплового режима Луны, Зем­

и щ:нтральной области из-за затухания упругих

ли и других планетарных тел (Кронрод, Кусков,

волн. Для того чтобы получить информацию о со­
ставе и тепловом режиме Луны, имеющиеся дан­

1997; Kuskov, Kronrod, 2001; Lognonne et а!., 2003;
Khan et а!., 2006, 2007). Поскольку распределения

ные по геофизическим полям, несущим лишь кос­

температуры и концентраций в недрах Луны не­

венную информацию о составе недр, необходимо

известны, то решение обратной задачи, которая

перевести в термины распределения температуры

является существенно нелинейной, заключается в

и валового состава (концентраций основных по­

инверсии имеющейся информации по геофизиче­

родообразующих оксидов) по глубине.

ским полям в термины температуры по

В настоящей работе предложен, разработан

ному»

химическому

составу

или

в

«извест­

термины

со­

и протестирован новый метод определения тем­

става

пературы в мантии Луны на основе сейсмических

туры. В настоящей работе при решении обратной

по

«известному»

распределению

темпера­

данных по скоростям распространения продольных

задачи на каждой итерации находится распреде­

и поперечных волн и данных по валовому составу

ление температуры в зависимости от глубины по

земных и лунных пород. Согласование геохими­

заданному профилю скоростей продольных

ческих и геофизических моделей Луны проведено

поперечных

с помощью методов физико-химического модели­
рования. Эти методы позволяют переводить модели
валового состава в равновесные фазовые ассоциа­
ции и согласованные с ними сейсмоплотностные

характеристики

1997),

(прямая

задача)

(Kuskov, 1995,

а скоростные разрезы обращать в модели

состава и/или распределения температуры (об­
ратная задача) (Кусков, Кронрод,

2009).

1998, 1999, 2008,

Процедура решения прямой и обратной

задач осуществлена с помощью метода миними­

зации свободной энергии Гиббса и уравнений

состояния мантийного вещества с учетом фазо­
вых превращений, ангармонизма и эффектов не­
упругости.

При решении прямой задачи при фиксиро­
ванных Р-Т условиях и валовом составе породы
получаем на выходе программы внутренне согла­

сованную информацию по фазовому набору ми­
неральной ассоциации (химический состав фаз и
их пропорции), ее плотности, упругим модулям и
скоростям сейсмических волн. Однако несмотря

(VP)

и

(Vs) волн при некотором фиксирован­

ном химическом (но не модальном) составе (Кусков,
Кронрод,

Модальный состав изменяется в

2009).

зависимости от температуры и давления.

Цель работы состоит в том, чтобы:

1) вывести

семейство геотерм (селенотерм) из имеющихся
сейсмических

моделей

мантии

обедненных и обогащенных
полученного

распределения

Al

для

и Са;

2)

составов,

на основе

температур

рассчи­

тать мантийный тепловой поток и оценить досто­
верность предложенных сейсмических, термиче­
ских и петрологических моделей мантии Луны.

При удачном решении сформулированных задач
мы будем располагать, с той или иной степенью

полноты, следующей информацией: химический/
минеральный состав, скоростные разрезы, рас­
пределения температуры и плотности. Это позво­
лит

исследовать

степень

согласованности

(или

непротиворечивости) сейсмических, термических
и

петрологических ограничений

на внутреннее

строение мантии Луны.

на простоту и ясность этого метода, он сталкива­
ется с одним серьезным препятствием

вием

данных

по

распределению

-

отсутст­

температуры

с

глубиной.

1.

Постановка проблемы,
подход, методы решения

Вместе с решением прямой задачи возникает

Несмотря на то, что тепловой истории Луны

необходимость решения обратных задач, которые

посвящено множество работ (Юри, Макдональд,

заключаются в восстановлении некоторого набора

и/или химического состава силикатных оболочек

1973; Любимова, 1975; Токсоц, Джонстон, 1975;
Toksoz et а!., 1978; Орнатская и др., 1975; Kuskov,
1995, 1997; Кронрод, Кусков, 1997, 1999), темпе­

по сейсмическим, электромагнитным и геодези­

ратура лунных недр остается одним из наиболее

ческим данным. Такие задачи представляют осо­

дискуссионных

бый интерес для реконструкции состава, внут-

параметров. Тектономагматическое развитие Луны

модельных

параметров,

например,

температуры

и

неопределенных

физических


85

О. Л. Кусков, В. А. Кронрод. Моделирование теплового режима Луны инверсией сейсмических данных

происходило в несколько этапов (Шаркав, Бога­

мой и обратной задач по определению температу­

тиков,

Ранняя диф­

ры, химического и фазового состава мантийного

ференциация Луны с выделением материковой

вещества и его физических свойств осушествля­

полевошпатовой коры и возраст лунных пород

лось на основе программного комплекса и базы

2001; Shearer, Papike, 1993).

под

данных THERМOSEISM в твердофазной системе

которым обычно понимается внешняя оболочка

Na20-Ti02-Ca0-Fe0-Mg0-Al20 3-Si02 (NaTiCFМAS)
с неидеальными твердыми растворами (Kuskov,
1995, 1997). Расчет фазовых равновесий проведен

привели к гипотезе

магматического

(до глубин порядка

500

океана,

км), прошедшая через

стадию частичного плавления (Кусков, Кронрод,

1998; Wieczorek et а!., 2006), что соответствует
сейсмическим данным (Lognonne et а!., 2003;
Nakamura, 1983) и глубинам излияния морских
базальтов (Ringwood, Essene, 1970). В ряде моде­

методом минимизации свободной энергии Гиб­

лей предполагается, что глубина океана могла

зованием

достигать

проксимации потенциальной части УРС и деба­

1000 км (Elkins-Tanton et а!., 2011).

бса. Расчет уравнения состояния минералов про­
веден в приближении Ми-Грюнайзена-Дебая
на основе модели упругого континуума с исполь­

потенциала

Борна-Майера

для

ап­

Сейсмические данные, а также низкая электро­

евского приближения для тепловой части (Кус­

проводность

ков и др.,

и

высокая

добротность

лунных

недр

(Q = 4000-7000 для Р-, S-волн на глубинах до
500 км) (Nakamura, Коуата, 1982), сушествова­

2009).

При приближении температуры к солидусу

породы введены поправки на эффекты неупруго­

ние масконов и глубокофокусных лунотрясе­

сти, связанные с сейсмическим затуханием в по­

ний

ликристаллических

(Frohlich, Nakamura, 2009)

свидетельствуют

породах

мантии,

и

о том, что температуры в мантии должны быть

можно оценить через коэффициенты

ниже солидуса по крайней мере до глубин по­

(Кусков, Кронрод,

рядка

на уровне

1ООО

км.

Измерения

теплового

потока,

имеющие

ло­

кальный характер, в местах посадок «Аполлона-15»

2009).

которые

Qs

и

Qp

Частота фиксировалась

Температура солидуса перидотита

1 Hz.

в зависимости от давления задавалась по

(Hirschmann, 2000). Температура солидуса пироксенита
(Ringwood, Essene, 1970) близка к таковой для пе­

и «Аполлона-17» (районы Hadley Rille и Taurus
Littrow) дали значения 21±3 и 16 ± 2 мВ/м2 (Langseth et а!., 1976), которые в 3-4 раза меньше сред­

ридотита.

него теплового потока через поверхность Земли.

дилось

В настоящее время интерпретация измерений те­

теоретических значений

плового потока подвергается пересмотру

кой на ангармонизм и неупругость от эксперимен­

(Hager-

mann, Tanaka, 2006; Grott et а!., 2010).
ния задачи по отысканию зависимости распреде­

ления температуры от глубины пока не создано,
то сейсмические исследования космического ап­

парата (КА) «Аполлон», отраженные в моделях
разрезов,

возможно,

представляют

наиболее перспективный (хотя и косвенный) путь
для оценки термального состояния Луны. Зависи­

мость

распределения

температуры

от

глубины

может бьпь найдена обращением (инверсией) сейс­
мических скоростных разрезов посредством чис­

ленного решения обратной задачи.
Минеральный состав и физические свойства
(плотность,

посредством

тальных

Поскольку формализованных способов реше­

скоростных

Распределение температуры по глубине нахо­

скорости сейсмических волн и др.)

пород Луны характеризуются профилем концен­
траций всех тех петрогенных элементов, которые

образуют самостоятельные фазы. Решение пря-

V° P.S·

минимизации

Vanei(P,

Т, Х,

отклонений

ro)

с поправ­

При выбранных ограничениях на

валовый состав системы в каждой j-точке мини­

мизируется функционал

~.и =[V° И - Vu,aneZ(P, Т, Х т)] /(И= Р, S)
где

j

=

1, 2, ... ,

п

-

(1)

число точек по глубине. Ми­

нимизация функционала производится методом
Ньютона. В результате решения обратной задачи
находится профиль температуры (не зависящий
от начального приближения), согласованный с
равновесным

фазовым

составом

минеральной

ассоциации на данной глубине. Использование
термодинамически обоснованной процедуры яв­
ляется

важным

преимушеством

перед

другими

подходами, которые не содержат информации по
ангармоническим

свойствам

минералов

и

не

учитывают эффекты неупругости и фазовых пре­
вращений.


86

Глава

1.

Допланетная стадия развития солнечной системы

vp. км/с

Сейсмическая структура

2.

7,4

мантии Луны

7,8

7,6

т

Математическая обработка 8-летнего экспе­
римента

(1969-1977

гг.), проводившегося сейсми­

8,0

+

200
2

ческой сетью из четырех станций, установленных
экипажами КА <<Аполлон-12,

14, 15, 16»,

позво­

400

лила определить структуру лунных недр и приве­

ла к выводу о зональном строении мантии

(Goins

et а/., 1981; Nakamura, 1983). В последующих ра­
ботах датских (Khan et а/., 2000, 2006, 2007) и
французских (Lognonne, 2005; Lognonne et al.,
2003; Gagnepain-Beyneix et а/., 2006) геофизиков

:::Е

'Г

:.:
:I:~

600
1

.!.-

800

проведена повторная математическая обработка

времен пробега Р- и S-волн. Сопоставление моде­
лей внутреннего строения Луны (рис.

8,2

1

1, табл. 1)

показывает большой разброс сейсмических дан­

!

1000

0

4

3

ных. Лишь скоростная структура верхней мантии

(Н -

50-300 км, Р- 3-15

кбар) непротиворечива и

V5 , км/с

может считаться достаточно надежной.

Рисунок
ные

1 показывает,

сейсмические

модели

-

4,2

4,0

что все опубликован­

4,4

4,6

противоречивы,

отдать предпочтение какой-либо из них невоз­

200

можно. Модели характеризуются резкими гра­

ницами, что приводит к сейсмической расслоен­
2

ности верхней и нижней мантии на глубинах

250, 500

и

400

750 км. Однако подобная зональность
250 и 750 км не находит петрологи­

:::Е

на глубинах

ческого объяснения. Фазовый переход шпинель­
гранат
~

в

пироксените

01 + Sp + Орх + Срх

:.:

::[ 600

~

01 + Gar + Орх + Срх, имеющий место в интер­
240-250 км (12-12,5 кбар, т - 700 °С),

800

вале глубин

4
3

сопровождается крайне незначительным скачком

скоростей и плотности

(Kuskov, 1995, 1997).

По­

1000

этому этот фазовый переход не в состоянии объ­

..+

яснить резкие изменения скоростей на глубинах

240-270 км в моделях (Nakamura, 1983; Gagnepain-Beyneix et а/., 2006).
Противоречивость моделей и антикоррелиро­

ванное поведение скоростей приобретает харак­
тер
ради

сейсмического
отметим,

что

сейсмопрофилей,

парадокса.
основные

Справедливости
черты

свидетельствующие

топологии

о зональ-

ном строении мантии, в том или ином виде при-

........_ 1 --- 2 3.Jil- 4 -

Рис.1.

+

Gagnepain-Beyneix et al. (2006)
Khan et al. (2000)
Kuskov et al. (2002)
Lognonne (2005)

Профили скоростей распространения продольных (а)
и поперечных (6) волн в мантии Луны. 1 - (Gagne, pain-Beyneix et а/" 2006), 2 - (Khan et а/., 2000), 3 (Kuskov et а/., 2002), 4 - (Lognonne, 2005). Сейсмиче­
ские модели (Lognonne, 2005; Gagnepain-Вeyneix et а/.,
2006) имеют антикоррелированное поведение про­
филей

скоростей

Р-,

S-волн

на

глубинах

ниже

(Khan et а/., 2000) характеризуется
максимальными значениями Vp и минимальными

240

км. Модель

значениями

Vs

сутствуют во всех современных моделях, более

изощрённых по сравнению с ранее опубликован-

видно, что подобные разногласия должны отра­

ными (рис.

К сожалению, это не означает, что

жаться на распределении температуры и петроло­

из всех противоречащих друг другу профилей

гических моделях состава Луны. Тем не менее,

один непременно должен быть истинным. Оче-

для нас важно экспериментальное подтверждение

1).


О. Л. Кусков, В. А. Кронрод. Моделирование теплового режима Луны инверсией сейсмических данных

Таблица

1

Скорости распространения продольных и поперечных

Глубина,
км

Vp,

км/с

Vs,

км/с

Goins et al.
(1981)

4,57 ± 0,10
4,37 ± 0,10
4,20 ± 0,10

Nakamura
(1983)

60-300
300-500
500-1000

7,74 ± 0,12
7,46 ± 0,25
8,26 ±0,40

4,49 ± 0,03
4,25 ± 0,10
4,65 ± 0,16

45-500
500-750
750-1000

8,0 ± 0,8
9,0 ± 1,9
11,0 ± 2,1

4,0 ±0,4
5,5 ± 0,9
6,0 ±0,7

et al.
(2007)*

45-1000

7,75-8

4,2-4,5

Lognonne et al.
(2003),
Lognonne
(2005)

30-300
300-500
500-750
750-1000

7,75 ± 0,15
7,75 ± 0,15
7,50 ± 0,30
7,90 ± 0,30

4,53 ± 0,15
4,50 ± 0,15
4,35 ± 0,30
4,20 ±0,30

GagnepainBeyneix et а!.
(2006)

40-240
240-500
500-750
750-1000

7,65 ± 0,06
7,79 ± 0,12
7,62 ± 0,22
8,15 ± 0,23

4,44 ±0,04
4,37 ± 0,07
4,40 ± 0,11
4,50 ± 0,10

Kuskov et al.
(2002)

30-300
300-500
500-1000

7,81±0,40
7,85 ± 0,40
8,01±0,38

4,51±0,18
4,42 ± 0,19
4,44 ± 0,20

60-270
400
800

7,67-7,75
7,55
8,20

4,46-4,51
4,30
4,54

Kuskov,

(1998)

авторы которой не дают в тексте ста­

тьи конкретных значений.

строения

мантии,

означающего

стра­

что позволяет искать решение сейсмического па­
с

помощью

дополнительных

петрологи­

ческих ограничений на состав.

•

O'Neill (1991)

Kuskov and Kronrod (1998)

о

10 ....

*. *•

8 ....

о

Earth

6
4

8

6

2.

McDonough and Sun (1995)
Геохимические модели

+ СаО,

.

.

12

14

Геофизические модели

10

д12 0:J

Рис.

-

Warren (2005)

16

мае%

Геохимические и геофизические модели валового

оксидов СаО и А1 2 0 3

(Taylor et а/. 2006; Гали­
мов, 1995, 2004; Кусков, Кронрод, 1999, 2008,
2009; Lognonne et а/., 2003).
Сейсмические данные (Nakamura, 1983; Lognonne et а/., 2003; Gagnepain-Beyneix et а/., 2006) и
модельные расчеты (Kuskov, 1997; Kuskov, Kronrod, 1998; Khan et а/., 2000) указывают на страти­
фикацию мантии Луны по химическому составу,
что обычно связывают с идеей магматического
океана. Оценки мощности предполагаемого лун­
ного магматического океана охватывают интервал

глубин от верхних

200-500 км

до частичного или

полного плавления всей Луны

1993; Wieczorek et а/., 2006).

(Shearer, Papike,

Это один из основ­

ных нерешенных вопросов магматической эволю­

ции Луны, ибо от ответа на него зависит состав
тивной) мантии, вероятно, не затронутой процес­
сами плавления.

Существование раздела на глубине ~500 км

обычно объясняется плавлением внешнего слоя
Луны. Предполагается, что в процессе остывания
внешнего
циация

3.

Morgan et al.

(1978)

(2004)

верхней мантии и существование нижней (прими­

тификацию лунных недр по химическому составу,

радокса

~·

Taylor (1982)
Галимов

Земли

* Значения скоростей взяты из рисунков работы

(Khan et а!., 2007),

зонального

-

о

состава Луны в сравнении с составом силикатной

Кhan

Кronrod

о+

IU

if

.

Lognonnll et al. ( 2003)

:li

о

7,75 ± 0,15
7,65 ±0,15
7,60 ± 0,15

etal.
(2000)

о

(1989)

....
ou 12
~

60
400
480-1100

Кhan

о
Khan et al. ( 2007 )

Jones and Delano

волн в мантии Луны

Модель

.

Ringwood (1979)

14 ....

87

слоя

кристаллизационная

привела

к

образованию

дифферен­

мафических

и

ультрамафических кумулатов на глубине (область

Состав

источника морских базальтов) и анортозитовой
Модели химического состава Луны противо­

коры (ферроанортозиты)

речивы и зависят от методического (геохимиче­

et а/., 2006).

ского или геофизического) подхода (рис.

ществование

ществуют противоречия как

2).

Су­

между геофизиче­

(James, 1980; Wieczorek
1998) су­

В работе (Кусков, Кронрод,
«500-км»

сейсмической

скими и геохимическими классами моделей, так и

жет находиться в интервале

внутри обоих классов. Основные из них -

лось

концентраций

FeO

оценка

и труднолетучих (тугоплавких)

границы

(положение границы точно не определено и мо­

изменением

400-600 км)

химического

состава

объясня­
на

этих

глубинах, отделяющих первичную (недифферен-


Глава

88

1. Допланетная

стадия развития солнечной системы

Таблица
Состав и физические свойства петрологических моделей мантии Луны
Химический состав мантии (мае.

Соединение

пироксенит (01-Рх)

(Kиskov,

Kronrod,
1998)

%)

Са, Аl-обоrащенный состав

Оливиновый
Пиролит

(McDonoиgh,

1990)

( оливин-клинопироксенrранат, 01-Cpx-Gar)
(Kиskov, Kronrod, 1998)
34,1

MgO

32,0

37,58

FeO

11,6

8,48

10,05

Al203

2,25

4,50

6,4

СаО

1,8

3,64

5,1

Si02

52,0

45,25

44,0

0,05

Na20
Ti02

0,3

MG#

83,0

0,34

0,05

0,21

0,3
85,8

88,8

Фазовый состав (мол.%) и физические свойства

200
Порода

км

(10,2

680

°С)

750

(Kиskov,

Kronrod,
1998)

км

(31,8

кбар/

Пиролит

(McDonoиgh,

1990)

( оливин-клинопироксенrранат, 01-Cpx-Gar)
(Kиskov, Kronrod, 1998)

77,0

20,6

0,0

9,0

31,1

36,8

13,0

44,7

54,1

Ильменит

0,4

0,3

0,6

Шпинель

0,6

3,3

0,0

Гранат

о

о

8,5

р, г/см

3

3,321

3,307

3,403

Vp,

км/с

7,711

8,005

8,190

V5,

км /с

4,449

4,555

4,525

Клин о пироксен
Оливин

1100 °С)

Са, Аl-обоrащенный состав

Оливиновый
пироксенит (01-Рх)

Ортопироксен

кбар/

Состав фаз на глубине

200 км (10,2 кбар, 680 °С).
77 % Орх (OrthoEn 80 0rthoDi20rthoFs 15 0rthoHed 10rthoCor2) +
(ClinoEn 26 , 5 Di 41 ClinoFs 9 Hed 16 Jd4 ClinoCorз,s) + 13 % 01(Fo 85 )+0,4 % Ильменит (Geik2б) +

Оливиновый пироксенит:

+ 9 % Срх
+ 0,6 % (Мgо,66Fео,з4)Аl2О4-ШПИНель.
Пиролит: 44,7 % 01 (Fo 91 ) + 20,6 % Орх (OrthoEn 87 ,50rthoDi 10rthoFs 90rthoHed0,50rthoCor2) +
+ 31,1 % Срх (ClinoEn29Di 37 ClinoFs 7Hed 14Jd9ClinoCor4) + 0,3 % Ильменит (Gei~ 1 ) + 3,3 % (Мg0 , 78 Fе 0 ,22)А1 2 04 -шпинель.
Состав фаз на глубине

400 км (19,1 кбар, 920 °С).
80 % Орх (OrthoEn77 0rthoDi 3,50rthoFs 15 0rthoHed20rthoCor2,5) +
+ 5,8 % Срх (ClinoEn32 Di 34ClinoFs9Hed 15 Jd 6ClinoCor4) + 13,7 % 01(Fo 85 )+0,4 % Ильменит (Gei~0 ) +
+ 0,1 % Gar (Gros 6 Py68 Alm26 )-гpaнaт; р= 3,317 г/см 3 , Vp = 7,708 км/с, Vs = 4,402 км/с.
Пиролит: 53,1 % 01 (Fo 91 ) + 5,9 % Орх (OrthoEn 84 0rthoDi 30rthoFs 90rthoHed 10rthoCor3) +
+ 37,1 % Срх (ClinoEn 36Di 33 ClinoFs6Hed 13 Jd 8ClinoCor4) + 0,4 % Ильменит (Geik56 ) + 3,5 % Gar (Gros 5Py78 Alm 17);
3
р = 3,328 г/см , Vp= 8,073 км/с, Vs = 4,530 км/с.
Оливиновый пироксенит:

Состав фаз на глубине

750 км (31,8 кбар, 1100 °С).
- клинопироксен - rранат (01-Cpx-Gar):
54,1 % 01 (Fo 89) + 36,8 % Срх (ClinoEn28 Di44 ClinoFs6,6Hed 17Jd 1,4ClinoCor3) + 0,6 % Ильменит
+ 8,5 % Gar (Gros12PY10Alm1s).
Оливин

(Gei~ 0 )

+

2


О. Л. Кусков, В. А. Кронрод. Моделирование теплового режима Луны инверсией сейсмических данных

цированную) нижнюю мантию, обогащенную

Al

некотором заданном составе (табл.

2)

89

в профили

и Са, от внешних слоев деплетированной (диффе­

температуры (Тр, Т8). Восстановленные профили

ренцированной)

температуры (рис.

мантии.

Дифференциация

до

3-7)

позволяют, во-первых, оце­

подразумевает, что весь алюминий, находя­

нить общие погрешности теплового поля, во-вто­

щийся в коре, бьm экстрагирован лишь из верхней

рых, выявить предпочтительность того или иного

оболочки Луны. Методами совместной инверсии

состава верхней и нижней мантии, а в-третьих

сейсмических и гравитационных данных было по­

(и это весьма существенно), определить степень

500 км

казано, что верхняя мантия обеднена Са и

в то

неопределенности и/или несогласованности сейс­

время как нижняя мантия должна быть обогащена

мического строения Луны. Таким образом, резуль­

Са и Al

таты

Al,

(Kuskov, 1997; Kuskov, Kronrod, 1998).
(Ringwood, 1977;
Кронрод, 1999; Kuskov, Kronrod, 1998), в ка­

В настоящей работе, вслед за
Кусков,

моделирования

позволяют

сделать

опреде­

ленные выводы в отношении состава и внутреннего

строения Луны. По этой причине ряд особенно­

честве моделей состава верхней и нижней мантии

стей в поведении профилей Три

принято три модели, состав которых нормирован

специального обсуждения.

Ts

заслуживает

на систему Na20-TiOт-CaO-FeO-MgO-Al20гSi02
(табл.

2).

В верхней мантии на глубинах

50-500 км

Распределение температур

4. 1.

принят состав оливинового пироксенита, обед­
ненный Са и

Al (-2 % СаО и А1 2 0 3 ). В
глубинах 500-1 ООО км принят

нижней

мантии на

оливин­

в верхней мантии
Профили температур в верхней мантии (рис.

3)

клинопироксен-гранатовый состав, обогащенный

рассчитаны для двух композиционных моделей

Са и

Al; концентрации СаО, А1203 достигают 5-6 %,
1,5-2 раза выше их распространенности в
земной мантии и хондритах. Рингвуд (Ringwood,
1977) предположил, что валовый состав Луны бли­

фиксированного состава

что в

нита и пиролита. Из рис. За и

зок к составу пиролита за исключением того, что

нита,

Луна обеднена летучими элементами и обогащена

ние температур до

оливинового пироксе­

-

36

следует, что Тр

и Ts, выведенные из ранних сейсмических моделей
(Goins et а!., 1981; Nakamura, 1983) для пироксе­
удовлетворительно

-300 км.

описывают распределе­

На глубинах

300-500 км

закисным железом. Поэтому для состава как верх­

Три

ней, так и нижней мантии Луны принят состав

температуру солидуса. Профили Тр и

земного пиролита, модифицированный в работе

ные из данных Накамуры, испытывают скачок

(McDonough, 1990)

и близкий к составу примитив­

ной мантии Земли. Пиролитовая модель (оливин

+

ортопироксен

+

начинают приближаться или превышать

Ts

температуры

(-400

°С) на глубине

Ts,

270

выведен­

км. Это оз­

+

начает, что либо на этой границе происходят ка­

клинопироксен +гранат) обога­

кие-то изменения (фазовый переход или скачок

щена СаО и А1 2 0 3 и обеднена
пироксенитом (табл.

2).

по сравнению с

состава

Важно выяснить, соответ­

работах

FeO

это проблема подробно обсуждается в

-

вы, химический состав фаз и физические свойства

(Kuskov, 1997; Kuskov, Kronrod, 1998)),
- артефакт. Как подчеркивает Накамура
(Nakamura, 1983), резкие границы на глубинах
270 и 500 км введены скорее для вычислительного

минеральных ассоциаций приведены в табл.

Из­

удобства, а их реальное положение и резкость ос­

менения в составах и пропорциях фаз с изменени­

таются под вопросом. Из рис. Зв и Зг следует, что

ем Р-Тусловий отражены в примечании к табл.

Три

ствуют ли физические характеристики пиролита
сейсмическим лунным профилям. Фазовые соста­

2.

2.

либо это

Ts, выведенные из моделей (Goins et а!., 1981;
Nakamura, 1983) для пиролитового состава, при­
ближаются к температуре солидуса уже на глуби­

4.

Обращение сейсмических

нах ниже

профилей в профили

на глубинах ниже

температуры

данным о высокой добротности верхней мантии

50 км

(Nakamura,
В этом разделе проведено обсуждение ре­

(рис. Зв) или превышают солидус

270

Коуата,

пиролитовый

состав

(рис. Зг), что противоречит

1982).
не

Следовательно, либо

удовлетворяет

зультатов инверсии сейсмических профилей ско­

верхней мантии Луны, либо данные

ростей распространения Р- и S-волн (табл.

1981; Nakamura, 1983) не достоверны.

1)

при

составу

(Goins et al.,


Глава

90

1. Допланетная

стадия развития солнечной системы

0

Тр, С

400

600

800

Ts, ос

1200

1000

+

"
100

1400

600

400

800

1000

(А)

+

200

1200
+

100

dl

+~
~
+ ...

\+

~+

200

:Е

(Б)

(\+

:Е

=..::

+

=..::

ж

300

ж
Пироксенит

400

Пироксенит

400

......._. Nakamura (1983)
-9- Golns et al. (1981)

500

300

...,._ Nakamura (1983)
Goins et al. (1981)

"V'-

500

Ts, ос

Тр, С
0

1000

1200

1400

1800

1600

+

:1111:

':i 300

400

3.

(Г)

:Е

':i 300

Рис.

1400

+
+

200

:.с

500

1200

100

200

:&

1000

+

(В)

100

800

600

+

Пиролнт

......._. Nakamura (1983)
-9- Goina et al. (1981)

Пнролит

400

.......... Nakamura (1983)
-9- Goins et al. (1981)

500

+

Распределение температур (Тр, Ts) в верхней мантии Луны, выведенное из ранних сейсмических определений
(табл.

1) (Goins et а/., 1981; Nakamura, 1983) и геохимических ограничений для пироксенитового и пиролитового со­
2. Солидус (кресты) - данные (Hirschmann, 2000) для перидотитового состава. (А), (Б) - оливиновый
пироксенит; (В), (Г) - пиролит

ставов из табл.

Чтобы подробнее разобраться в этой пробле­

погрешности

ме, перейдем к анализу температурного распреде­

Vs = 4,4

ления на рис.

огромному

25 О

4.

На глубинах верхней мантии

50-

(Vs = 4 км/с (Khan et а!., 2000) или
(Khan et а!., 2000, 2007)) приводит к
разбросу по Т ~ 600-800 °С, причем

км/с

км селенотермы, рассчитанные из недав­

более низкие скорости дают температуры, пре­

но опубликованных сейсмических моделей (Lognonne, 2005; Gagnepain-Beyneix et al., 2006) для

против, профиль Тр характеризует нереально низ­

01-Рх состава, разумно согласуются между собой,

кие температуры (рис. 4а), что означает завышен­

например: Тр(100 км)=

ные скорости

= 520 ± 120
по

°С (рис.

температуре

4).

590 ± 100

°С,

Ts(100

км)=

Уменьшить погрешность

практически

скольку различие в значениях

невозможно,

VP,s

в

±0,05

по­

км/с

приводит к разбросу Т в

±90-120 °С. С другой
стороны, на глубинах 300-500 км селенотермы,
рассчитанные из моделей (Lognonne, 2005; Gagnepain-Beyneix et а!., 2006) для 01-Рх состава, хоро­

вышающие температуру солидуса (рис.

2000).

Vp = 8 км/с

в модели

Vp < 8 км/с и Vs > 4 км/с (Kuskov et al., 2002).
Сейсмическая

et а!., 2006)

модель

( Gagnepain-Beyneix

характеризуется скачками в значениях

скоростей (табл.

1,

рис.

1),

что отражается и на

профилях температуры (рис.

4).

Для обоих соста­

вов на глубинах ~240 км профиль

филя

на

глубинах

250-500

км

(Khan et а!.,

Отсюда следует, что в верхней мантии ско­

в сторону высоких температур (рис.

особенно

г). На­

рости Р-, S-волн должны удовлетворять условиям

шо согласуются между собой в отношении про­

Тр,

46,

Ts

имеет излом

46, г ),

а про­

(рис. 4а), но различаются на ~350 °С для профи­

филь Тр имеет излом в сторону низких температур

ля

(рис. 4а, в).

(рис.

46).

Расчет

Ts

Ts

для пироксенитового и пиролитово­

го составов по моделям А. Хана и др. с учетом их

Последнее

не

имеет

физического

смысла и может быть связано с погрешностями в
значениях

VP,s·

С учетом погрешностей (табл.

1)


О. Л. Кусков, В. А. Кронрод. Моделирование теплового режима Луны инверсией сейсмических данных

Тр, С
0

400

600

500

Ts,

700

800

900

(А)

100

600

400

91

ос

1000 1200 1400 1600

800

+
+

100

С>

+~

200

:Е

:.с:

:С

+\(>
+

200

:.::

:Е

~

300
400
, -@--

'

500

/

Gagnepain·Вeyneix

at al. (200&)
Lognonne {2005)
-О- Khan at al. (2000)

+-

300

+
Пироксенит

400

-@-- Gagnepaln-8eynelx

500

-0- Khan et al. {2000)

et al. {2006)

+- Lognonne {2005)

-11-

Ts, ос

0

Тр, С

600

800

1000

1200

1400

800

600

(В)

100

1000

1400

1200

1600

100
200

200
:Е

+

:Е

:.с:

:.с:

:С 300

:С

+
Пиролит

+

-@-- Gagnepaln-Вayneix

~ Gagnepaln-8eynelx et af. {2006)
. _ Lognonne {2005)
-0- Khan et al. (2000)

500

300
400

Пиролит

400

Рис.

Khan et al. {2000, 2007)

et al. (2006)

500

(Г)

+ . _ Lognonne (2005)

-0-11-

Khan et al. (2000)
Khan et al. (2000, 2007)

Распределение температур (Тр,

4.

Ts) в верхней мантии Луны, выведенное из недавно опубликованных сейсмиче­
1) (Lognonne, 2005; Gagnepain-Beyneix et а/" 2006; Khan et а/" 2000, 2007) и геохимических ог­
раничений для пироксенитового и пиролитового составов из табл. 2. Из-за очень больших погрешностей в скоро­
стях упругих волн по моделям Хана и др. профили Тр рассчитаны из скоростей Vp (50-500 км) = 8 км/с (Khan et а/"
2000), а профили Ts рассчитаны из следующих значений: Vs (50-500 км)= 4 км/с (Khan et а/., 2000) и Vs (50-500 км)=
= 4,4 км/с (Кhап et al" 2000, 2007). Солидус (кресты) - данные (Hirschmaпп, 2000) для перидотитового состава.

ских моделей (табл.

(А), (Б)- оливиновый пироксенит; (В), (Г)- пиролит

скорости Р-, S-волн в данной модели можно счи­

ли

тать практически постоянными.

дает разумное распределение Тр (рис. 4в), но при­

Сейсмическая модель

(Lognonne, 2005) при­
Ts для пи­

(Khan et al., 2000)

водит к значениям

Ts,

для пиролитового состава

превышающим температуру

водит к разумным распределениям Три

солидуса (рис. 4г). Столь высокие температуры не

роксенитового состава на глубинах верхней ман­

согласуются ни с высокой добротностью лунных

тии (рис. 4а,

недр

6).

Обратим особое внимание на то,

(Nakamura,

Коуата,

1982) и теплофизиче­
1975; Токсоц, Джон­

что селенотермы Тр, выведенные из одной и той

скими расчетами (Любимова,

же скоростной модели для пироксенитового и пи­

стон,

ролитового составов, различаются на

зондирования и лабораторных экспериментов по

500-600

°С.

Из обращения сейсмических моделей следу­

1975),

измерению

ни с данными электромагнитного

электропроводности

(Khan

et al"

Это означает, что пиролитовая модель не­

ет, что для пиролитового состава уже на глубине

2006).

100 км Тр = 1100-1250 °С (Lognonne, 2005; Gagnepain-Beyneix et al., 2006) и Ts = 920 °С ( GagnepainBeyneix et al., 2006) (рис. 4в, г), что находится

пригодна для описания химического и минераль­

вблизи

или

превышает

температуру

ного состава верхней мантии Луны.
Перемешивание

вещества в

магматическом

солидуса.

океане должно приводить к выравниванию соста­

Следовательно, пиролитовый состав приводит к

ва верхней мантии. Поэтому с точки зрения лун­

нереально высоким температурам верхней мантии

ной петрологии сейсмические модели не должны

Луны. Напротив, обращение сейсмической моде-

сопровождаться скачкообразным изменением ско-


92

Глава

1.

Допланетная стадия развития солнечной системы

0

т, С

500

700

900

1100
\

200

1300
\

Оценки Т по

фициент теплопроводности пород верхней мантии

''\~
,.,,

Луны

\

Вт/м К

(Gagnepain-Beyneix et al" 2006),
2

равное 3,6 мВт/м . Эта величина не согласуется с

--------------~

\

3,3

получим значение мантийного теплового потока,

\\

тепnовому потоку

1,8-3,2 К/км и температуры в интервале 8001300 °С на глубине 300 км. Принимая из уравне­
ния (2) градиент температуры ~1,1 К/км и коэф­

оценками

(Keihm, Langseth, 1977), согласно кото­
рым тепловой поток на глубине 300 км находится
в интервале 7-13 мВт/м2 •

\

400

В третьем разделе, обсуждая противоречи­
вость сейсмических моделей Луны, мы отметили,
Рис.

5.

Температуры верхней мантии Луны (Тр,

Ts),

выве­

денные из средних значений скоростей сейсмиче­

что скоростная структура верхней мантии может

ских моделей по данным

считаться достаточно надежной, поскольку скоро­

бинах

сти волн в пределах погрешности близки во всех

(Nakamura, 1983) на глу­
50-300 км, и по данным (Lognonne, 2005) и
(Gagnepain-Beyneix et а/., 2006) на глубинах 5(}..-500 км;
петрологическая модель
роксенит. Кресты

нению

(2).

-

оливинсодержащий пи­

-

профиль температуры по урав­

Квадраты

-

температуры на глубине

400 км по моделям (Gagnepain-Beyneix et а/., 2006;
Kuskov, Kronrod, 1998). Штриховая линия - оценки
температур на глубине 300 км по данным измере­
ний теплового потока (Keihm, Langseth, 1977)

независимых моделях (табл.

1).

Напротив, интер­

претация измерений теплового потока, имеющих

единичный характер

(Langseth et al" 1976; Keihm,

в настоящее время может вызы­

Langseth, 1977),

вать сомнения. Двух-, трехкратное отличие на­
стоящих оценок мантийного теплового потока от
измерений по программе «Аполлон» позволяет

ростей. Если принять во внимание погрешности

сейсмической

обработки

результатов

миссии

<<Аполлон» (табл.

1), то модель (Nakamura, 1983)
на глубинах 50-270 км и модели (Lognonne, 2005;
Gagnepain-Beyneix et а!" 2006) на глубинах 50-500 км являются вполне приемлемыми для описа­

нам

присоединиться

к

мнению

(Hagermann,
Tanaka, 2006; Saito et а!., 2007; Grott et al., 2010) о
необходимости ревизии данных (Langseth et а!"
1976; Keihm, Langseth, 1977) по тепловому потоку
с поверхности Луны.

Из

проведенного

обсуждения

термального

ния физических свойств верхней мантии Луны.

состояния верхней мантии по сейсмическим дан­

Тогда на глубинах

ным (рис.

50-500 км

температуры, выве­

3-5)

можно сделать следующие выво­

денные из скоростей Р-, S-волн (Nakamura, 1983;
Lognonne, 2005; Gagnepain-Beyneix et al" 2006) для

ды:

оливинового пироксенита, могут быть описаны

роксенитовый состав, обедненный

следующим приближенным уравнением (рис.

водит к разумным температурам верхней мантии:

Т(°С) = 374+ 7918(1-e-O,OOOISH).

5):

1)

ный от пиролитовой модели мантии Земли;

T(IOO
(2)

Как видно из рис.

5, погрешности по темпе­
ратуре могут достигать 100-150 °С. Температуры
800--900 °С на глубине 400 км, найденные в работах
(Gagnepain-Beyneix et al" 2006; Kuskov, Kronrod,
1998), согласуются с оценками по уравнению (2).

верхняя мантия Луны имеет состав, отлич­

км)

~400--500 °С,

Т(300 км)

Al

2)

пи­

и Са, при­

~600--750 °С,

Т(500 км) ~750-1000 °С;
границы на глубинах

4)

3) резкие сейсмические
240--270 км маловероятны;

температуры верхней мантии, выведенные из

средних значений скоростей Р-, S-волн, не согла­
суются с оценками температур из измерений теп­

лового потока

(Keihm, Langseth, 1977).

Чрезвычайно важно подчеркнуть, что приведен­
ные на рис.

5

температуры гораздо ниже темпера­

тур, оцененных из прямых измерений теплового

потока

(Keihm, Langseth, 1977)

4.2.

Распределение температур
в нижней мантии

в местах поса­

док «Аполлона-15» и «Аполлона-17». Эти авто­
ры из измерений поверхностного теплового по­
тока и распространенности тория получили гра­

диенты температур в верхней мантии в интервале

По данным ряда сейсмических моделей

nonne, 2005; Gagnepain-Beyneix et а!" 2006),

(Log-

в ман­

тии Луны существуют зона или зоны понижен­
ных скоростей

-

скорости Р-, S-волн на глубинах


О. Л. Кусков, В. А. Кронрод. Моделирование теплового режима Луны инверсией сейсмических данных

500-750 км

меньше, нежели в ниже- и выше ле­

жащих горизонтах мантии (рис.

Тр, С
0

При обраще­

1).

нии скоростных профилей в профили Тр,

Ts

1200 1300 1400 1500 1600 1700

это

д

приводит к температурам, близким или превышающим

солидус,

что

заставляет нас

93

(А)

800

отказаться

от использования значений скоростей Р-, S-волн

для оценки температур на глубинах
В обзоре

(Lognonne, Johnson, 2007)

500-750 км.

ж

900

подчеркивает­

1·

-о·

ся, что сейсмическая структура мантии Луны на

этих глубинах определена неоднозначно.

\·

1000

на глубинах

750-1000 км (рис. 6) выведены из
сейсмических моделей (Lognonne, 2005; GagnepainBeyneix et а!., 2006) и термодинамических моде­
лей (Kuskov, Kronrod, 1998; Kuskov et а!" 2002).

получены

обратной

задачи

+
0

Gagnepain-Вeyneix

900

в верхней и нижней мантии

решением

-6-

Lognonne (2005)
Kuskov et al. (2002)
Solldus

Ts,

В наших моделях допустимые области скоростей

1)

--- - - - - - - - - - ----- - · - - - - - - 'l

.._....____. +

Профили температур в нижней мантии Луны

Р-, S-волн (табл.

1Э

et al. (2006)

ос

1100

1300

1500

+

(Б)

методом

Монте-Карло из ограничений на массу и момент

800

инерции Луны. В качестве петролого-геохимиче­
ные модели нижней мантии

-

и пиролит (табл.

~

ж 900

оливиновый пирок­

сенит, оливин-клинопироксен-гранат

(01-Cpx-Gar)

2).

Сразу же отметим, что оливин-пироксенито­

вая модель, обедненная
описания

(рис.

теплового

Al

режима

верхней

=

500

6). Так, например, при обра­
модели (Gagnepain-Beyneix et а!., 2006) по­
Ts(1000 км)= 940 °С (рис. 66), Тр(1000 км)=

-6-

+

Рис.

6.

Kuskov et al. (2002)
Solidus

вывод,

что

модель

оливинового

Интервалы температур (Тр,

Ts) в нижней мантии
(Lognonne, 2005; Gag2006; Kuskov et а/., 2002) (табл. 1).

Луны, выведенные из моделей

nepain-Beyneix et а/.,

Композиционные модели

- пироксенит, оливин­
(01-Cpx-Gar) и пиролит. Со­
- данные (Hirschmaпп, 2000) для
состава. (А) - fp; (Б)- Ts

клинопироксен-гранат

°С (не показано на рис. ба). Отсюда можно

сделать

..__...._-! -0- Gagnepain-Beyneix et al. (2006)

мантии

нижней мантии (рис.

лучим:

1000

и Са и пригодная для

дает нереально низкие температуры в

5),

щении

+

:Е

ских ограничений рассмотрены три композицион­

лидус (кресты)

пирок­

перидотитового

сенита, обедненного труднолетучими оксидами

(Lognonne, 2005) со
скоростями Vp = 7,9 км/с и Vs = 4,2 км/с на глуби­
нах 750-1000 км (рис. 1, табл. 1) приводит к про­

1000-1100 км (Toksoz
et а!., 1978; Williams et а!" 2001; Frohlich, Nakamura, 2009). Авторы (Hood, Zuber, 2000) отмети­
ли, что на этих глубинах фактор Qs уменьшается
до ~ 100, что указывает на приближение темпера­

филям Тр и

туры к солидусу. Наша термодинамическая мо­

(~2 мае.% СаО и А1 2 0 3 ), не пригодна для описа­
ния состава нижней мантии.

Сейсмическая

Ts,

дуса, как для

состава (рис.

модель

лежащим выше температуры соли­

01-Cpx-Gar, так и для пиролитового
6,). Следовательно, такое поведение

расплава на глубинах ниже

дель
и

(Kuskov et а!" 2002) со скоростями Vp = 8,01
Vs = 4,44 км/с на глубинах 500-1000 км приво­

селенотерм, по-видимому, отвергает столь низкие

дит к распределению

скорости в нижней мантии и опровергает предпо­

как профиль Тр находится вблизи солидуса на глу­

в то время

ложение о существовании зоны пониженных ско­

бинах ниже

ростей в модели

на глубинах

нижней мантии скорости Р-, S-волн должны быть

Существуют косвенные данные, указываю­

Vs :::: 4,4 км/с. Этим требованиям удов­
( Gagnepain-Beyneix et а!" 2006;
Kuskov, Kronrod, 1998; Kuskov et а!" 2002), которые

750-1000

(Lognonne, 2005)

км.

щие на возможность

Vp :::: 8,0

существования частичного

1ООО км.

Ts ниже солидуса,

и

летворяют модели

Можно предположить, что в


Глава

94

1. Допланетная стадия развития солнечной

0

Т, С

1100

1300

pain-Beyneix et а/., 2006; Wieczorek et а/., 2006;
Kuskov, Kтvnrod, 1998; Кусков, Кронрод, 1998, 1999).

1500

701

1
1
1 (')

В этом случае верхняя мантия Луны, вероятно,

имеет пироксенитовый состав, обедненный тру.ц­

+о

\':>

\а
1"

800
:.:
ж

нолетучими оксидами (~2 мае.% СаО и А1 2 0 3 ),

\

рис. 4а, б. Состав нижней мантии обогащен тру.ц­

+\

2

нолетучими оксидами

\
1

900

системы

1
1
1
1
1

мае.% СаО и А1 2 0з) и

лита, либо модельной ассоциацией оливин+ кли­

+

1000

(4-6

может быть представлен либо породой типа пиро­

+

нопироксен

гранат (рис.

6);

сейсмические дан­

ные не позволяют отдать предпочтение тому или

Рис.

7.

Распределение температур (Тр,

Ts)

в нижней мантии

Луны, выведенное из модельных профилей скоростей
Р-, S-еолн (Gagnepain-Вeyneix

et а/., 2006; Kuskov et а/.,
AI и Са (оливин­
клинопироксен-гранат и пиролит). Кресты про­
филь температуры по уравнению (3). Литературные

2002),

другому составу. Как видно из рис.
нижней мантии не превышает

для составов, обогащенных

различие по

Обобщенное

50-100

распределение

°С.

температур

в

верхней мантии пироксенитового состава, обед­

данные по распределению температур в мантии Лу­

ненного СаО иАI20 3 (~2 мае.%), и в нижней ман­

ны приводят к следующим оценкам:

тии для состава, обогащенного СаО и А1 2 0 3 ( 4-6

1200--1250 °С на
глубине 800 км (Kuskov, Kronrod, 1998; Hood, Zuber,
2000); 1175--1250 °С на глубине 1000 км (GagnepainBeyneix et а/., 2006; Khan et а/., 2006)

мае.

характеризуются скоростями

Vs = 4,44-4,54 км/с

(табл.

Vp = 8,15-8,20 км/с

1).

Для расчета распределения
глубинах

750--1000 км

температур

на

приняты следующие сред­

ние значения скоростей:

Vp = 8.15 и Vs = 4,50 км/с
(Gagnepain-Beyпeix et al., 2006) и Vs = 4,44 км/с
(Kuskov et al., 2002). Выведенные из этих скоро­
стных моделей профили Тр и Ts для 01-Cpx--Gar и

% ),

на глубинах Н

= 50-1 ООО км, полученное
Ts (рис. 5, 7), мо­

аппроксимацией значений Три
жет

и

6,

температуре между двумя последними моделями

быть

описано

следующим

приближенным

уравнением:

Т(°С)=351+1718(1-е-о,оооs2н).
Погрешности в уравнении

(3)

(3)

оценить тру.ц­

но. Они вытекают из ряда источников, таких как
неточности мантийных составов и ошибки расче­
тов. Но главный источник неопределенности при
восстановлении термального состояния недр Луны

пиролитового составов близки между собой и дают

связан с погрешностями в сейсмических моделях.

следующие интервалы: Тр(750 км)=

Построенные

1100--1170 °С,
Ts(750 км) = 1140-1280 °С; Tp(lOOO км) = 12501330 °С, Ts(1000 км)= 1220--1360 °С (рис. 7).

профили

заметный разброс,

температур

связанный

с

показывают

недостаточной

робастностью сейсмических моделей, но в целом
разумно согласуются с имеющимися в литературе

4.3.

оценками (Кронрод, Кусков,

Обобщенное распределение
температур в верхней и нижней
мантии

Несмотря на неопределенность сейсмических
моделей, можно видеть из распределения Тр и

Ts,

1997, 1999; Kuskov,
Kronrod, 1998; Hood, Zuber, 2000; Lognonne et а/.,
2003; Gagnepain-Beyneix et а/., 2006; Khan et а/.,
2007). Мы полагаем, что точность определения
температуры по уравнению (3) можно оценить в
пределах 150-200 °С.

что модель однородного состава мантии Луны не
удовлетворяет сейсмическим ограничениям. По­
скольку композиционные модели играют домини­
рующую

роль

при

восстановлении

Заключение

термального

состояния Луны, мы приходим к выводу о невоз­

В результате обращения имеющейся инфор­

можности описания всей мантии однородным со­

мации по средним значениям скоростей распро­

ставом. Геофизические и петрологические данные

странения Р- и S-волн в профили температуры

поддерживают идею о стратификации мантии по

установлены геофизические и геохимические ог­

химическому составу

раничения

(Lognonne et al" 2003; Gagne-

на

состав

и

термальное

состояние


О. Л. Кусков, В. А. Кронрод. Моделирование теплового режима Луны инверсией сейсмических данных

95

верхней и нижней мантии Луны и сделаны сле­

требует пересмотра. Необходимы дополнитель­

дующие выводы.

ные лабораторные эксперименты по фазовым
состояния

соотношениям и сейсмическим свойствам пород

мантии Луны приводит к распределению темпе­

при высоких Р-Т параметрах и новые космиче­

Реконструкция

1.

термального

ратуры, которое на глубинах

50-1 ООО

км может

быть описано приближенным уравнением

ские эксперименты по сейсмо- и электрозонди­
рованию

Т(°С) = 351+1718(1-е-о,оооs2Н).

лунных

недр

и

измерению

теплового

потока.

Полученное распределение температур и значение

теплового потока в верхней мантии (3,6 мВт/м )
не согласуется с оценками (Keihm, Langseth, 1977),
2

основанными

на

измерении

распространенности

тория,

теплового

потока

согласно

и

которым

мантийный тепловой поток находится в интервале

7-13 мВт/м 2 . Двух-, трехкратное отличие настоя­

Литература
Виноградов А. П.

(1975)

Дифференциация вещества

Луны. Космохимия Луны и планет. М.: Наука. С.
Галимов Э. М

(2010)

5-28.

Замыслы и просчеты: Фундамен­

тальные космические исследования в России по­

щих оценок мантийного теплового потока от та­

следнего двадцатилетия. Двадцать лет бесплодных

ковых по программе <<Аполлон» позволяет усом­

URSS. 304 с.
(2004) О происхождении вещества Луны//
Геохимия. № 7. С. 691-706.
Галuмов Э. М (1995) Проблема происхождения Луны.
Основные направления геохимии. М.: Наука. С. 8-43.

ниться в корректной интерпретации данных

seth et а/., 1976; Keihm, Langseth, 1977)

(Lang-

по измере­

нию теплового потока с поверхности Луны.

2.

Восстановленные профили температур по­

зволяют установить ограничения на состав верх­

ней и нижней мантии и оценить степень досто­

верности сейсмического строения Луны. Выяв­
ленные ограничения приводят нас к выводу о том,

усилий. М.:

Галимов Э. М

Галuмов Э. М,

Кривцов А. М,

ступов М С, Энеев Т М

Забродuн А. В.

//

дель образования системы Земля-Луна
мия. №

Легко­

Динамическая мо­

(2005)

Геохи­

с.

11.

1139-1150.
Кусков О. Л. (1997)

Кронрод В. А.,

Определение химиче­

что опубликованные значения скоростей Р- и

ского состава, температуры и радиуса ядра Луны по

S-волн для мантии Луны, полученные обработкой

геофизическим данным// Геохимия. №

данных сейсмических экспериментов КА <<Апол­

лон», не согласованы между собой на глубинах
ниже

500 км.

Для адекватного распределения тем­

ператур в нижней мантии необходимо, чтобы ско­
рости сейсмических волн на глубинах
удовлетворяли условиям

500-1 ООО км
8,0 S:: Vp S:: 8,2 км/с и

4,4 S:: Vs S:: 4,55 км/с.
3. Влияние химического
става породы

(и минерального) со­

становится определяющим при ин­

Кронрод В. А., Кусков О. Л.

Кусков О. Л.,
кин А. Б.

мае.

%

СаО и

Al 20 3),

может быть представлен ли­

бо породой типа пиролита, либо модельной ассо­
циацией оливин

+ клинопироксен + гранат.

В заключение подчеркнем, что надежность
имеющихся сейсмических данных пока недоста­

точна, чтобы выявить более тонкие детали хи мического строения и теплового режима Луны.
Интерпретация

измерений

теплового

потока,

имеющих единичный характер, в настоящее время

8.

Дорофеева В. А.,

(2009)

Кронрод В. А.,

Макал­

Системы Юпитера и Сатурна: Фор­

мирование, состав и внутреннее строение крупных

спутников. М.: ЛKИ/URSS.
Кусков О. Л., Кронрод В. А.

576 с.
(2008) Валовой

состав Лу­

ны и размеры ядра. Проблемы зарождения и эволю­

ции

(4-6

Профили темпера­

(1999)

804-812.

URSS.

ми (~2 мае.% СаО и А1 2 0 3 ). Состав нижней ман­

134-142.

чески дифференцированной Луны// Геохимия. №
Р.

няя мантия Луны, вероятно, имеет пироксенито­

тии, обогащенный труднолетучими оксидами

С.

туры и скоростей упругих волн для модели хими­

версии скоростей в температурные эффекты. Верх­
вый состав, обедненный труднолетучими оксида­

2.

биосферы.
С.

М.:

Книжный

дом

«Либроком»/

317-327.

Кусков О. Л., Кронрод В. А.

Геохимические ог­

(2009)

раничения на модели состава и теплового режима

Луны по сейсмическим данным

№

9.

с.

Кусков О. Л., Кронрод В. А.

33.

Физика Земли.

№

5.

С.

Луна: химический

(1999)

состав и внутреннее строение
Т.

//

25-40.

//

Астроном. Вести.

437-446.

Кусков О. Л., Кронрод В. А.

(1998)

Модель химической

дифференциации Луны// Петрология. Т.

6.

С.

615-

633.
Любимова Е. А.

(1975)

Тепловой поток и термическая

история Луны. Космохимия Луны и планет. Под

ред. Виноградова А. П. М.: Наука. С.

241-257.


Глава

96

1.

Допланетная стадия развития солнечной системы

Орнатская О. И, Альбер Я. И, Рязанцева И П.

(1975)

Расчеты тепловой истории Луны при различных
7
концентрациях радиоактивных элементов с учетом

дифференциации вещества при плавлении. Космо­
химия Луны и планет
М.: Наука. С.

/

Ред. А. П. Виноградов.

258-274.

Токсоц МН., Джонстон Д. Х

(1975)

Эволюция Луны и

планет земной группы. Космохимия Луны и планет
Ред. А. П. Виноградов. М.: Наука. С.
Шаркав Е. В.,

Богатиков О. А.

тектономагматического

(2001)

развития

Ранние

Земли

Сходство и различия// Петрология. Т.

Юри ГС,

Макдональд Г Дж. Ф.

/

210-240.

(1973)

9.

С.

и

этапы
Луны:

115-139.

Возникнове­

ние и история Луны. Физика и астрономия Луны

/
3. Копал. М.: Мир. С. 230--316.
Elkins-Tanton L. Т, Burgess S, Yin Q-Z. (2011) Тhе lunar
magma ocean: Reconciling the solidification process
with lunar petrology and geochronology // Earth Planet.
Sci. Lett. V. 304. Р. 326-336.
Frohlich С, Nakamura У. (2009) Тhе physical mechanisms
of deep moonquakes and intermediate-depth earthquakes: How similar and how different? // Phys. Earth
Planet. Inter. V. 173. Р. 365-374.
Gagnepain-Beyneix J., Lognonne Р, Chenet Н., Lombardi D., Spohn Т (2006) А seismic model of the lunar
mantle and constraints on temperature and mineralogy //
Phys. Earth Planet. Inter. V. 159. Р. 140--166.
Goins N. R., Dainty А. М, Toksoz М N. (1981) Lunar seismology: The intemal structure of the Moon // J. Geophys. Res. V. 86. Р. 5061-5074.
Grott М, Knollenberg J, Krause С (2010) Apollo lunar heat
flow experiment revisited: А critical reassessment of the
in situ thermal conductivity determination // J. Geophys.
Res. V. 115, Ell005, doi: 10.1029/2010JE003612.
Hagermann А., Tanaka S. (2006) Ejecta deposit thickness,
heat flow, and а critical ambiguity on the Moon 11
Geophys. Res. Lett. V. 33. L19203. doi: 10.1029/
2006GL027030.
Нirschmann М М (2000) Mantle solidus: Experimental
constrain and the effects of peridotit composition // Geochemistry Geophysics Geosystem. V. 1. Р. 1525-2027.
doi. 2000GC000070.
Hood L. L., Zuber М (2000) Recent refinements in geophysical constraints on lunar origin and evolution.
Origin ofthe Earth and Moon / Eds. Righter К., Canup R.
Tucson: Univ. Arizona Press. Р. 397-412.
James О. В. (1980) Rocks of the early lunar crust // Proc.
11 th Lunar Planet. Sci. Conf. Р. 365-393.
Keihm S. J., Langseth М G. (1977) Lunar thermal regime
to 300 km // Proc. Lunar Sci. Conf. 8th. Р. 499-514.
Khan А., Connolly J. А. D., Maclennan J, Mosegaard К.
(2007) Joint inversion of seismic and gravity data for
lunar composition and thermal state // Geophys. J. Int.
V. 168. Р. 243-258.
Ред.

Khan А., Maclennan J., Taylor S. R., Connolly J. А. D. (2006)
Аге the Earth and the Moon compositionally alike?
Inferences on lunar composition and implications for
lunar origin and evolution from geophysical modeling // J. Geophys. Res. V. 111. ЕО5005. doi: 10.1029/
2005JE002608.
Khan А., Mosegaard К., Rasmussen К. L. (2000) А new
seismic velocity model for the Moon from а Monte
Carlo inversion of the Apollo lunar seismic data //
Geophys. Res. Lett. V. 27. Р. 1591-1594.
Kuskov О. L. ( 1995) Constitution of the Moon: 3. Composition ofmiddle mantle from seismic data // Phys. Earth
Planet. Inter. V. 90. Р. 55-74.
Kuskov О. L. (1997) Constitution of the Moon: 4. Composition of the mantle from seismic data // Phys. Earth
Planet. Inter. V. 102. Р. 239-257.
Kuskov О. L., Kronrod V А. (1998) Constitution of the
Moon: 5. Constraints on composition, density, temperature, and radius of а core // Phys. Earth Planet. Inter.
V. 107. Р. 285-306.
Kuskov О. L., Kronrod V А. (2001) Core sizes and intemal
structure of the Earth's and Jupiter's satellites // Icarus.
V. 151. Р. 204-227.
Kuskov О. L., Kronrod V А., Hood L. L. (2002) Geochemical constraints on the seismic properties of the lunar
mantle // Phys. Earth Planet. Inter. V. 134. Р. 175-189.
Langseth М G., Keihm S. J., Peters К. (1976) Revised lunar heat flow values // Proc. Lunar Planet. Sci. Conf.
7th. Р. 3143-3171.
Lognonne Р (2005) Planetary seismology // Annu. Rev.
Earth Planet. Sci. V. 33. Р. 571-604.
Lognonne Р, Gagnepain-Beyneix J., Chenet Н. (2003)
А new seismic model of the Moon: implications for
structure, thermal evolution and formation ofthe Moon //
Earth Planet. Sci. Lett. V. 211. Р. 27-44.
Lognonne Р, Johnson С L. (2007) Planetary seismology //
Planetary seismology. Treatise on Geophysics, Planets
and Moons. Elsevier. V. 10. Р. 69-122.
McDonough W. F (1990) Constraints on the composition
of the continental lithospheric mantle // Earth Planet.
Sci. Lett. V. 101Р.1-18.
Nakamura У. (1983) Seismic velocity structure of the lunar
mantle // J. Geophys. Res. V. 88. Р. 677-686.
Nakamura У., KoyamaJ. (1982) Seismic Q of the lunar
upper mantle // J. Geophys. Res. V. 87. Р. 4855-4861.
Ringwood А. Е. (1977) Basaltic magmatism and the bulk
composition of the Moon. I. Major and Heat-Producing
Elements // Тhе Moon. V. 16. Р. 389-423.
Ringwood А. Е., Essene Е. (1970) Petrogenesis of Apollo
11 basalts, intemal constitution and origin of the Moon //
Proc. Apollo llth Lunar Sci. Conf. V. 1. Р. 769-799.
Saito У., Tanaka S., Takita J., Horai К., Hagermann А. (2007)
Lost Apollo heat flow data suggests а different bulk lunar composition // Lunar and Planet. Sci. V. 38. Р. 2197
(abstract).


О. Л Кусков, В. А. Кронрод. Моделирование теплового режима Луны инверсией сейсмических данных

Shearer С. К., Papike J. J. (1993) Basaltic magmatism on
the Moon: А perspective from volcanic picritic glass
beads // Geochim. Cosmochim. Acta. V. 57. Р. 47854812.
Taylor S. R , Taylor G. J., Taylor L. А. (2006) The Moon:
А Taylor perspective !! Geochim. Cosmochim. Acta.
V. 70. Р. 5904-5918.
Toksoz М N., Hsui А. Т, Johnston D. Н. (1978) Тhermal
evolutions of the terrestrial planets ! Moon and Planets.
V. 18. Р. 281-320.

97

Wieczorek М А., Jolliff В. L., Khan А., Pritchard М Е.,
Weiss В. Р, Williams J. G., Hood L. L., Righter К.,
Neal С. R., Shearer С. К., McCallum I S., Tompkins S.,
Hawke В. R., Peterson С., Gillis J. J., Bussey В. (2006)
Тhе constitution and structure of the lunar interior //
Rev. Mineral. Geochem. V. 60. Р. 221-364.
Williams J. G., Boggs D. Н., Yoder С F, Ratclif.fJ Т, Dickey J О. (2001) Lunar rotational dissipation in solid
body and molten core // J. Geophys. Res. V. 106.
Р. 27933-27968.


АСТРОФИЗИКА И СЛАБАЯ ФОРМА ГИПОТЕЗЫ ПАНСПЕРМИИ

А. В. Витязев, Г В. Печерникова
Институт динамики геосфер РАН.

avit@idg. chph. ras. ru,

galpech@gтail. сот

Проблемы происхождения Земли и жизни на ней являются фундаментальными проблемами в совре­
менной науке. Здесь мы попытаемся на основании данных последних лет наметить новую нить (пока тон­
кую) поиска решения этой старой проблемы. Мы полагаем, что на основании астрофизических данных по

большому космосу, полученных за последние

30-50 лет,

и последних результатов по изучению малых тел

Солнечной системы (в частности, комет) можно объединить старую идею о панспермии в расширенном
смысле и поиски основ жизни на ранней Земле на базе теоретических и лабораторных данных по эволю­
ции Земли.

Введение

Формирование Солнечной

1.

системы в комплексе

Идеи панспермии (греческое наименование
смесь всяких семян, от рап

panspermia весь, всякий и

sperma -

семя)

-

звездообразования

-

гипотезы о

Одним из важнейших открытий за последние

появлении жизни на Земле в результате пере­

менее

носа с других планет каких-либо «зародышей

нетных систем около других звезд в Галактике.

жизни»

К середине июля

восходят к временам Анаксогора из

-

Клазомен,

век до нашей эры (его «ничто не

V

рождается из

ничего»

и

идеи

о

«семенах

жиз­

в

448

20 лет

стало обнаружение множества пла­

2011

г. открыто

544

экзопланеты

планетных системах. Почти каждый день

открывается новая экзопланета. Более того, обна­

ни»). Начиная со времен Берцеллиуса, Гельм­

ружены

гольца и Кельвина обсуждается проблема пан -

роятно

и

исследуются тысячи

протопланетных,

газопылевых,

дисков

около

ве­

молодых

привноса жизни на Землю из кос­

звезд. Таким образом, спустя два с половиной

моса. Со времен Опарина (идея о первичном

столетия после знаменитых работ Канта-Лапла­

бульоне) и позже,

после знаменитых опытов

са идея о происхождении планет из околосолнеч­

Миллера (аспирант нобелевского лауреата Га­

ного газопылевого диска обрела эксперименталь­

рольда Юри), обсуждалась 2-я гипотеза

-

об

ное подтверждение. Да, у нас нет возможности

автономном

самой

своими глазами увидеть раннюю Солнечную сис­

позволяют

тему. Но мы можем наблюдать рождение планет­

спермин

Земле.

-

происхождении

Прошедшие

жизни

пятьдесят

лет

на

взглянуть на эти гипотезы с новой точки зре­

ния. В этой статье мы обсуждаем данные аст­
рофизики и последние результаты по ранним
стадиям эволюции Солнечной системы и пер­
вым этапам, обеспечившим начало жизни на
нашей Земле.

ных систем в современной Галактике около звезд
солнечного класса.

Более полувека назад астрофизики пришли к
согласию,

звезды

рождаются

в

гигантских

Частью такого комплекса современного звездооб­
разования, одного из тысяч в нашей Галактике,
является

Исследования проведены при финансовой поддержке про­
грамм Президиума РАН №

что

комплексах галактических молекулярных облаков.

25

и ОНЗ №

7.

знаменитая

эмиссионная туманность

Ориона (М42) диаметром около

7

пк. Она пред­

ставляет собой небольшую часть холодного неви-


Глава

100

1.

Допланетная стадия развития солнечной системы

Галактики, где и

5 млрд

лет назад тоже шло звез­

дообразование.
В центре туманности Ориона расположено
молодое звездное скопление Трапеция, которое
содержит группу из четырех ярчайших О-В звезд
«младенческого» возраста

-- от 1О до 300 тыс.

лет.

Трапеция может быть компонентом ассоциации

приблизительно

2 тыс.

звезд. Два миллиона лет

назад эта группа, возможно, была домом «убе­
жавших» звезд АЕ Возничего,

53

Овна и

µ

Голубя.

В настоящее время они движутся от туманности

со скоростями, превышающими

100 км/с.

Около О-В звезд наблюдается несколько торо­
образных образований с явно влдимыми газовыми
«хвостами», вызванными УФ-излучением и звезд­
Рис.

1.

Туманность Ориона (М42). Снимок сделан косми­

ным ветром от голубых гигантов и, прежде всего,

ческим телескопом Хаббла

звезды

11

января

2006.

Фото

NASA

81

Ориона С. Эти образования получили

краткое название

(протопланетные диски).

proplyds

После падения метеорита Алленде и иссле­
дования

(CAI)

его

кальций-алюминиевых

включений

научное сообщество пришло к согласию,
v

что аномальным

2бМ

g указывает на вымершим 26Al .
v

Этот короткоживущий (время полураспада около

тыс. лет) изотоп рождается при вспышках

720

сверхновых. Значит, максимум за два млн лет до

рождения Солнечной системы рядом в комплексе

была вспышка сверхновой. Эта сверхновая либо
послужила триггером для начала формирования
Солнца (и его соседей), либо впрыснула некую
долю вещества в уже формирующуюся Солнеч­
ную

систему.

Недавно

появились

данные,

что

спустя миллион лет после начала формирова­
ния Солнечной системы была еще одна вспышка
Рис.

2.

Звездное скопление Трапеция в Туманности Ориона.

сверхновой, впрыснувшей короткоживущий изо­

В центре

топ 6°Fe (время полураспада около 2,6 млн лет).

-

группа молодых очень ярких звезд, соз­

дающих подсветку. Инфракрасное изображение по­
лучено сложением экспозиций в трех полосах спек­

Это веское доказательство в пользу идеи об обра­

тра, сделанных

зовании Солнечной системы в плотной звездной

Новом Технологическом Телескопе

ассоциации с присутствием массивных звезд. Од­

14 марта 2000 г. камерой SOFI на
(NTT) Европей­
ской Южной Обсерватории (ESO) в Ла Силле

нако

последствия

такого

совместного

рождения

планетных систем для нашей Солнечной системы,
димого облака молекулярного водорода, ионизо­

по сути, остаются не исследованными.

ванную несколькими молодыми горячими звезда­

Возникает вопрос: если Солнечная система

ми, погруженными в туманность. В пределах цен­

формировалась в подобном комплексе, то где она

тральной части туманности обнаружено примерно

располагалась

700

звезд на различных стадиях формирования.

-

вблизи центра в области горячих

голубых гигантов или на периферии в значитель­

Этот комплекс звездообразования ввиду его бли­

ном удалении от массивных звезд? В первом слу­

зости (менее

чае

500

пк) изучается методами всевол­

плотность

звездного

окружения

оказывается

новой астрофизики уже десятки лет. Кроме того,

на три порядка выше средней галактической. Ха­

он считается весьма типичным для современной

рактерные расстояния между звездами здесь по-


101

А. В. Витязев, Г. В. Печерникова. Астрофизика и слабая форма гипотезы панспермии

Рис.

Протопланетные диски, из которых формируются новые звезды с планетными системами в глубине туманности

3.

Ориона. Снимки сделаны с помощью 8,2-тепескопа

рядка

0,01

VLT Европейской

пк. Поэтому, кроме эффективного про­

Южной Обсерватории. Фото:

ESAIESO, L. Ricci

туманности и/или уже из безгазового звездного

газа из околосолнечного газо­

скопления типа Плеяд или Гиад. Заметим, что ха­

пылевого диска из-за интенсивного ультрафиоле­

рактерные времена жизни туманностей, в которых

тового излучения ближайших звезд, должно быть

рождаются звезды с (и без) планетными система­

и их динамическое влияние на внешние области

ми, порядка десятков миллионов лет. Голубые ги­

диска. Отдельные звездные скопления могут жить

ганты

несколько сотен миллионов лет. Заманчиво свя­

пылевую

зать

остаются звездные скопления. Звездные скопле­

цесса диссипации

«позднюю

ment) 4,1-3,8

бомбардировку»

(late bombard-

млрд лет назад в Солнечной системе

ния

своим

звездным

ветром

составляющую,

распадаются

рассеивают

гораздо

медленнее,

с пребыванием ее в скоплении. Во втором крайнем
случае

вплоть до многих сотен миллионов лет.

-

это диссипация газа, вызванная турбу­

Вопрос

известны

Гиады, Ясли, имеющие возрасты

NGC 752, V 67,

лентным переносом во внешних оболочках диска,

газо­

и на месте туманности

второй

-

какие

космохимические

инициированным магнито-ротационной неустой­

следствия

чивостью Велихова-Чандрасекара (Адушкин В. В.

иметь место для молодой Солнечной системы?

и др.,

Обратимся к характеристикам астрофизической

2008).

В этом случае и динамическое влия­

тесного

звездного

окружения

могли

Второй вариант нам

обстановки у наблюдаемых протопланетных дис­

представляется сейчас предпочтительным, т. к. ха­

ков в молодых туманностях. Типичные протопла­

рактеристики орбит планет не дают основания го­

нетные

ворить о возможных сверхблизких прохождениях

класса, формирующихся в областях звездообразо­

·звезд во время образования планетной системы.

вания, испытывают сильнейшее влияние звездного

Проблема еще и в том, чтобы найти указания на

ветра, рентгеновского и УФ-излучения от близких

время пребывания и ухода Солнечной системы из

голубых гигантов.

ние должно быть малым.

диски

около

молодых

звезд

солнечного


Глава

102

1. Допланетная

стадия развития солнечной системы

,

Рис.

4.

Схема протопланетного диска (проплайда). Справа

-

художественное изображение протопланетного диска, обду­

ваемого звездным ветром близкого голубого гиганта. Слева на схеме показана молодая звезда с протопланетным
диском, на который еще продолжается аккреция, вдоль оси вращения вырываются две противоположно направ­
ленные струи газа

-

джеты, справа стрелками показаны потоки мощного звездного ветра и ультрафиолетового из­

лучения от близких голубых гигантов

Потребуется

При мощных потоках звездного ветра от мо­

ли

перенормировка

космо-

и

расширяющимися

геохронометров ранних стадий эволюции Сол­

сброшенными оболочками сверхновых в молодую

нечной системы и Земли? Другие близкие форми­

лодых

гигантов,

встречах

с

Солнечную систему на разных стадиях в первые

рующиеся планетные системы так же могли по­

десятки миллионов лет после образования Солнца

ставлять отдельные ледяные и каменные астероиды

может по-прежнему поступать свежий материал

в молодую Солнечную систему.

от окружающего звездного населения. По массе в

Наконец, вопрос третий

сравнении с массой протопланетного диска это

была

может быть и незначительная доля. Т. е. на хими­

Солнечной системы.

плотность

звезд

-

насколько велика

вблизи

зарождающейся

Сегодня внешняя граница

ческий состав молодой Солнечной системы влия­

облака Оорта простирается на порядка

ние привноса вещества может быть пренебрежи­

стояния до ближайших звезд. Тогда численная

мо малым. Но если инжектируются свежие ра­
6

плотность звезд могла быть на порядок и более

1/3

рас­

дионуклиды коротко живущих элементов {2 Al,
бор е, ... , 182Hf, . . .) , по дочерним которых мы хро-

выше современной (сегодня около

нометрируем ранние стадии эволюции Солнечной

лака Оорта из-за близких звезд могла быть на по­

системы,

рядки ближе к Солнцу.

это

может

оказать

существенное

влия­

0,12

звезды на

кубический парсек). То есть внешняя граница об­

Задолго до обнаружения газопылевых дисков

ние на определение возрастов различных пород.

Попадая на поверхность пылинок и мелких час­

в

тиц, они могли изменять измеряемые нами коли­

лись теоретические исследования процесса фор­

чества

мирования

их

дочерних

элементов

в

метеоритных

галактических молекулярных

досолнечного

облаках

протопланетного

нача­

дис­

(лунных, марсианских и др.) образцах и тем са­

ка. Одной из первых была работа Линден-Белла и

мым «омолаживаты> космо- и геохронометры. Ко­

Прингла

эффициент «загрязнения» свежим материалом от

ремой о том, что около сжимаемой силами грави­

близких сверхновых определяется тремя парамет­

тации звезды остается диск с малой массой, но с

рами:

квадрату

большим моментом количества движения. После

массы сброшенной

первых моделей сжатия звезды начались исследо­

оболочки сверхновой к массе диска и оптической

вания формирования диска с массой порядка О, 1-

отношениями

расстояния

до

площади

сверхновой,

диска

к

толщиной газопылевого диска. Крайний случай

-

0,01

(Lynden-Bell D" Pringle J.

1974)

с тео­

от массы звезды. Большим подспорьем яви­

срыв диска у молодой звезды. Более вероятно за­

лась

грязнение его материалом сверхновой до

(Shakura N., Syunyaev R" 1973),

1-1 О %

Е"

классическая

работа Шакуры

и

Сюнаева

где был введен из­

(вероятный случай для Солнечной системы). Ука­

вестный параметр турбулентности а. Сейчас такие

занный эффект особенно важен для внешних об­

расчеты идут в контексте статьи, где требуется

ластей диска.

определить эволюцию тех или иных компонентов


103

А. В. Витязев, Г. В. Печерникова. Астрофизика и слабая форма гипотезы панспермии

Первое замечание. Уже полвека продолжают­

2000

ся поиски многоатомных молекул в молекулярных

~

:.:
.......

комплексах. Обнаружены не только фуллерены,

1500

но и ряд более сложных Сп Нп

Nm

образующих

объекты земной биосферы. Молекулы, включаю­

ф

~

::J

ё 1000

щие CНNOSP и входящие в состав допланетного

ф

облака (кроме близких к Солнцу областей), со­

Q.

Е

~

хранили свой состав.

500

Второе замечание.
вестно

о

о

хиральности

Со времен Пастера из­
аминокислот

и

сахаров

в

земной биосфере. О ней писал Вернадский, об­
о

2

4

3

5

ращаясь к вьщающимся ученым своей поры, с 50-х

Rodius [AU]

годов начались исследования хиральности земного

Рис.

Тепловая эволюция внутренней области диска с

5.

500

ООО-летними интервалами, жирной линией по­

казана температура в начале моделирования. Плато
в

1350

К появляется из-за испарения пыли, которое

понижает непрозрачность

(Ciesla F. J., Yang L., 2010)

биовещества. Фактически, со статьи

(Baily et al.,

начались поиски хиральности в звездных

1998)

облаках. В прошлом году завершилась большая
работа под руководством Дугласа Уитгета, директора Института астробиологии в Трое (США), по
исследованию

Треsмернаи та6л1ща Менделеева
с:овременноrо кос:~шчес:коrо o611J111R 311ементов

звездообразования

в

гигантских

молекулярных облаках. В статье Фуку Т. с девятью

LgN
9

соавторами

(Fukue

Т.

et al" 2010)

бьшо сообщено

о хиральности, измеренной в районе Трапеции
туманности Ориона. Вместе с обнаружением сла­
бой хиральности в углистых метеоритах это дает

нам нить (пока тонкую), которая может привести
нас к разгадке, каким образом попали строитель­
ные блоки будущей жизни на Землю.
о

2.

Средний космический состав
и состав допланетного

N-

чиС110 атомов на МИЛ11118рд

Рис.

6.

газопылевого диска

Современный космический состав

Многолетние исследования в ИК и радиодиа­
пазонах состава газа и пыли в галактических ту­

газа и пыли. На рис.

приведены результаты рас­

манностях и молекулярных облаках, данные о ме­

четов тепловой эволюции диска из недавней ра­

талличности звезд разных поколений, данные по

боты

фотосферам Солнца и ряда звезд, данные о соста­

5

(Ciesla F J., Yang L., 2010).
3-4 а. е. межзвездная

Видно, что после

пыль в

ве метеоритного, астероидного и кометного веще­

диске остается холодной. И здесь мы должны сде­

ства позволяют судить о среднем составе космоса

лать два существенных замечания, которые будут

(рис.

6) и

Солнца.

использованы во второй половине этой статьи.

Состав первичного газопылевого диска вос­

В прошлом веке многое было сделано астро­

станавливается по данным о метеоритах и кометах

физиками для установления элементного косми­

и содержанию элементов в фотосфере Солнца.

ческого состава. На диаграмме (рис.

Для грубых расчетов динамики газопылевого дис­

6)

показана

верхняя часть таблицы Д. И. Менделеева с одно­
временным указанием

более

среднего

распространенных

(Анисочкин В. М и др.,

содержания наи­

элементов

2007).

в

космосе

ка используют три основные компоненты (табл.

1).

Для ближней горячей зоны околосолнечного
диска, по-видимому, годятся расчеты, следующие

за классическими работами Гроссмана

-

из газа


Глава

104

1.

Дошшнетная стадия развития солнечной системы

Таблица

1

Основные компоненты газопылевого диска
1

Содержание элементов

Среднее по космосу

Для Солнечной системы (метеориты)

Х-

массовая доля водорода (Н)

0,75

0,706

У-

массовая доля гелия (Не)

0,23

0,275

Z-

массовая доля всех других элементов

0,02

0,019

(«металлов»)

и пыли по мере остывания в диске образуются те

бьmо отмечено, что единственным механизмом,

или

способным поддерживать сгущения в разрежен­

иные

молекулы,

вначале

тугоплавкие,

затем

умеренно тугоплавкие и т. д. На периферии про­

ном

топланетного

тральные

диска,

возможно,

сохранилось

не­

состоянии,

были

их последующие

столкновения.

В

системе

нецен­

сгущений

переработанным вещество родительского молеку­

нужно

лярного облака, а число многоатомных молекул

масс, размеров (плотности) и вращательных мо­

одновременно

описать

изменение

числа,

(от двух до тринадцати атомов), обнаруженных в

ментов сталкивающихся, объединяющихся и раз­

молекулярных межзвездных облаках, уже превы­

рушающихся сгущений в рамках самосогласован­

шает полторы сотни. Мы его здесь не приводим,

ной задачи. Результаты расчетов для зоны Земли,

отсылая читателя к электронным ресурсам . (От­

впервые учитывающих эффект исчерпания кон­

метим обычно не подчеркиваемый факт: содер­

денсированного вещества

жание многоатомных молекул в межзвездной сре­

tyazev А. V, 2005;
ведены в табл. 2.

1

де падает почти экспоненциально с ростом числа

атомов в данной молекуле.)

(Pechernikova G. V, Vi2008), при­

Адушкин В. В. и др"

Расчеты роста массы крупнейших сгущений в

Ситуация с молекулярным составом газа и

зоне Земли проводились в зависимости от пара­

молодых

метра у (показатель степени в степенном распре­

звезд и в околосолнечном газопылевом диске яв­

делении сгущений по массам принимается посто­

ляется предметом обширной дискуссии. В рамках

янным на всем интервале роста сгущений вплоть

этой статьи мы лишь отметим, что переработка

ДО mmax) и параметра Сафронова

вещества в ходе формирования околосолнечного

вающего превышение гравитационного сечения

пьmи

в

протопланетных

дисках

около

диска могла быть не полной и часть вещества на
окраине диска могла иметь состав как газа, так и

пыли, близкий к межзвездному, но, может быть, с
доставкой

CAI

из близких зон (по мнению извест­

ного астрофизика Шу). Более того, согласно выше
сказанному,

часть

межзвездного

вещества

могла

поступать в молодую Солнечную систему уже в
ходе продвинутого формирования планет.

е, показы­

столкновений тел над геометрическим
(без газа В=

2,

(1 + 2 8)

при наличии газа в несколько раз

больше). В таблице приведены значения входных
параметров

и

соответствующих

вычисленных

масс сгущений mmax' при которых их плотность
3

становится ""1 г/см , а также времена роста сгу­
щений tmax ДО ДОСТИЖеНИЯ ИМИ массы mmax (время
роста сгущений отсчитывается от распада пыле­
вого субдиска на сгущения со средней начальной

3.

Эволюция сгущений
в допланетном диске

Недавно мы заново обратились к теории рос­
та сгущений в допланетном диске и критически

рассмотрели диапазон параметров, обеспечиваю­
щих выживаемость крупнейших сгущений. Давно

массой т 0 ). В зоне Юпитера предельные массы
сгущений mmax и, соответственно, времена роста

tmax на один-два порядка больше, в зависимости
от параметра у.

Рассмотрим

столкновениях

процесс

несколько

роста

сгущений

подробнее.

при

Скорость

вращения разреженного пьшевого сгущения с мас­

сой т и радиусом

ронов В. С.,

r

близка к кеплеровской

( Саф­

1969):

Например,

http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_ molecules_
in_ interstellar_space

(1)


105

А. В. Витязев, Г В. Печерникова. Астрофизика и слабая форма гипотезы панспермии

Таблица

2

Предельные значения масс сгущений mmax и их времен роста tmax

1,45

у

{}

5

10

1

3,5 10

mmax' г

15

fmax. тыс. лет

Примечание: при у

1,55

1,50
5

5 10
7,8

1

= 1,6 рост

43,5

5

10

1

20

7 10
15

22,7

массы вычислен до т

10

1

21

1

= 0,97 Mffi,

1,60
5

10

1

23

5,8 10
7,8

1

43,5

27

22,7

1

при этом плотность оставалась меньше единицы

(8= 0,266 r/см 3 ).
где

.; -

коэффициент, зависящий от формы сгу-

щений. В соответствии с

(1),

момент сгущения,

связанный с его вращением, равен
112

µ -

вокруг Солнца в диске среди пылевых сгущений
появляются

К= (2/5) µ ( ,;Gmr) т,
где

видеть, что уже через несколько сотен оборотов

(2)

коэффициент неоднородности,

или

с

обобщенным коэффициентом а

твердые

планетезимали

с

массами

~ 10 19-10 20 г.
Итак, системы твердых тел и сгущений из

пыли и обломков существовали и эволюциониро­
вали в совместном процессе аккумуляции. Можно

K=aтvr.

(3)

В случае объединения двух сгущений равных
масс, столкнувшихся центрально, удельный момент

сохраняется, а масса удваивается: К 1

а т1vr 1

=

=

= а 2т 1 vr 1 /2 = К2 . Радиус такого объединенного
сгущения соответственно должен уменьшиться в

два раза, а его плотность возрасти в

16 раз.

сказать, что следы последних мы наблюдаем как
околопланетные рои (кольца) и спутники планет.
Синтез двух тенденций, долго противостоявших

друг другу, впервые позволяет дать объяснение
всему

комплексу

динамических

и

космохимиче­

ских данных, в частности, по возрастам аккреции

хондритов (Кleine

et al" 2009).

Оценки показывают, что если в зоне Земли

сгущение с начальными массой т 0
плотностью ~

=

=

5·10 16 г и

О роли комет в зарождении

4.

3

10- г/см четыре раза подряд
5

жизни и ее эволюции

столкнется центрально с равным себе по массе

сгущением (то---+

2

то---+

4

то---+

8

то---+

16

то),

то оно превратится в сплошное тело с массой

т ~ 10 18 г и плотностью о~ 1 г/см 3 .

Выше мы рассмотрели эволюцию ансамблей
газопылевых сгущений и первых планетезималей

в астродинамическом аспекте. С 90-х гг. начались

(4)

исследования

и

тепловой истории

недр

выжи­

вающих в столкновениях тел. В наших расчетах
(Витязев А. В.,

Здесь Л.
ний,

v-

-

длина свободного пробега сгуще­

их относительная скорость, п

-

числен­

1996) и в расчетах других авторов
26
были приняты во внимание данные по Al. В на­
стоящее

время

ная плотность сгущений соответственно, Рр -

впрыскивании

плотность в пылевом субдиске, Рк

му

ский орбитальный период, Е 2 -

-

кеплеров­

доля пыли грави­

и

новое

(2,62 млн

60

мы

Fe

добавили

новые

данные

о

в молодую Солнечную систе-

значение

лет вместо

постоянной

1,5)

полураспада

этого нуклида. Наши
26

1и

60

тационно неустойчивого слоя, вошедшей в пьmе­

расчеты показали, что радионуклиды

вые сгущения.

обеспечили нагрев и дифференциацию недр ранних

Используя формулу

(4),

мы вычислили наи­

меньшие времена превращения отдельных сгуще­

ний в твердые тела и их массы для зоны Земли

(см. рис.

Fe

планетезималей в первые

вания

3-4 млн лет после образо­
CAI (кальций-алюминивые включения).

В зоне планет земной группы раннее плавле­

для тех, которым «повез­

ние тел с размерами от десятков до сотен кило­

ло» столкнуться центрально с равными себе по

метров позволяет объяснить образование группы

массе сгущением несколько раз подряд. Можно

дифференцированных тел в первые

7,

кривая

А

3),

3-4 млн

лет


Глава

106

1.

Допланетная стадия развития солнечной системы

т,г

1o2 8 r-r-~~~~-.--~~~~.....-~~~~...-~~~~

1<>26
1<>24

1<>22
1020

1<>18

1

1

10

2
10

105

4

3

10

10

6

10

7
10

8

10

t,лет

Рис. 7. Рост масс крупнейших сгущений m(t) в зоне Земли до превращения их в плотные тела с плотностью б - 1 г/см 3 (ли­
нии 1 и 2) в зависимости от показателя степени у в степенном распределении сгущений по массам в зоне питания
Земли (линия 1 - при у =1,5; линия 2 - у =1,55). Линия 3 и серый фон ограничивают область коэволюции твердых
11
111
тел и сгущений. Показаны: 4 1-4 11 - область формирования тел с массами порядка массы Весты-Луны, 4 -4 тел с массами порядка массы Меркурия-Марса. Линией 5 показан рост Земли в процессе твердотельной аккумуля­
ции, линия 6 показывает массу вещества в зоне питания растущей Земли
существования Солнечной системы и данные по

зывавшие падение

ранней дифференциации недр планет.

на

15

средних температур

минимум

°С, были не понятны.

В зоне планет-гигантов задолго до образова­

Многие авторы связывают некоторые глобаль­

ния самих планет в планетезималях с размерами

но повторяющиеся события с движением Солнеч­

от десятков до сотен километров, образовавшихся

ной системы в Галактике. В процессе этого дви­

из газопылевых сгущений, происходило плавле­

жения Солнечная система неоднократно встреча­

ние льдов, дифференциация на оболочки и ядра

лась с гигантскими молекулярными облаками, пе­

из опустившейся пьmи и ее агрегатов с органикой.

риодически пересекала галактическую плоскость,

Для астробиологов этот результат указывает на

проходила

необходимость поиска следов анаэробных форм

структуры, т. е. проходила через области повы­

жизни в ледяных телах Солнечной системы или

шенной плотности вещества в Галактике. В такие

их осколках

-

через

систему

ветвей

спиральной

периоды увеличивалась и частота близких прохо­

кометных ядрах.

Для геофизиков наши результаты по нагреву

ждений звезд, которые вызывали возмущения ко­

тел лунных размеров короткоживущими радионук­

метных орбит внешней и внутренней частей ко­

лидами снимают старую проблему раннего нагрева

метного облака Оорта, что, в свою очередь, могло

центральных областей растущих планет.

приводить к кометным ливням. Сотни комет пе­

Роль комет важна не только в процессе фор­

ребрасывались на высокоэксцентричные орбиты и

мировании Земли, но и на протяжении всей ее

проникали

эволюции. В недавнем обзоре

(Coryn А. L. Bailer-

системы, некоторые из них сталкивались с Зем­

в

центральные

области

Солнечной

было отмечено, что ни одна гипотеза

лей. Но столкновение кометы с Землей не могло

пока не подходит для объяснения массовых экс­

привести к глобальной катастрофе, это событие

тинкций биоты и великих оледенений на Земле с

локального масштаба.

Jones, 2009)

периодами

1960 г"

больше

25-500 млн лет.

Начиная

с

ряд известных геологов (Брайан Харлэнд,

Джозеф Киршвинк

автор термина

А. В. Витязев (Витязев А. В"

2011)

предложил

новый механизм воздействия Галактики на собы­

"Snowball

тия на Земле. В периоды кометных ливней поток

Пол Хоффман и др.) разрабатывали тео­

комет, двигаясь в сторону Солнца, пересекает пояс

рию ве}иких оледенений. Но сами причины, вы-

астероидов. Сечение столкновения комет с много-

Earth",
1

-


А. В. Витязев, Г В. Печерникова. Астрофизика и слабая форма гипотезы панспермии

численными астероидами на порядки превышает

107

Литература

их сечение столкновения с Землей. Расчеты по­
казали, что при средней скорости комет в поясе

астероидов ~
тероидом

40

даже

км/с столкновение кометы с ас­
много

меньшим

по размеру,

но

большей плотности, приводит к полному разру­
шению кометы и вбросу пыли в межпланетное

пространство. Эта пыль медленно дрейфует в
сторону Солнца, пополняя зодиакальное облако

Адушкин В. В., Витязев А. В., Печерникова Г В.

ции Земли

Проблемы зарождения и эволюции

дом «Либроком»!URSS. С.

275-296.

Анисочкин В. М, Печерникова Г В., Витязев А. В.
Эволюция химического состава Вселенной
лица Менделеева)

РАН

ных ливней пыли может образоваться достаточ­

С.

ли привело к наступлению очередного леднико­

//

биосферы/ Под ред. Э. М. Галимова. М.: Книжный

пыли. Оценки показали, что в периоды комет­

но для того, чтобы уменьшение инсоляции Зем­

/

//

В истории исследований возникновения жиз­
ни на Земле бьшо две основные гипотезы

ги­

-

потеза панспермии и автономного происхождения

земной биосферы. После С. Аррениуса (начало
последовательного

исследования

панспермии),

гипотез Т. Чемберлина и Р. Чемберлина (предло­
живших кометы) и Ф. Хойла и Ч. Виккрамасинга,
предложивших споровые послания космоса, поя­

вились новые тенденции в

Cosmic Ancestry

мической

Одновременно

родословной).

(кос­

среди

последователей автономного (и не только) про­
исхождения

жизни

направления

-

шли

исследования

общего

где, когда, как могла возникнуть

жизнь из космического разнообразия элементов.
Пришла пора собирать камни.

По всей видимости, Солнце и окружавший
его газопылевой диск сформировались в гигант­
ском молекулярном облаке рядом с молодыми
гигантами, голубыми О-В-звездами, ультрафио­

летовое излучение которых обеспечило слабую
(до

15 % EEs)

в

органике

меж­

звездной пыли. Далее часть межзвездной пыли

за орбитами более

3-4

а. е. оставалась холодной

и затем вошла в первые планетезимали. Органи­
ка

после

М.: ГЕОС.

Великие ледниковые периоды вы­

Планеты земной группы. М.: Наука.

хиральность

/

званы кометными ливнями?// ДАН, (в печати)

Сафронов В. С

Заключение

плавления

-

недр

первых

планетезима-

леи в результате нагрева короткоживущими

UAl

и °Fe в виде керогенов опустилась в ядро. Это
произошло в первые 3-4 млн лет, задолго до того
6

как Солнце вышло на главную последователь­

ность. По-видимому, следует искать в кометах

анаэробную жизнь.

таб­

Сборник научных трудов ИДГ

отв. Редактор С. Б. Турунтаев

317-320.
Витязев А. В. (2011)

(2007)

(4D

Витязев А. В., Печерникова Г В., Сафронов В. С

вого периода.

(2008)

В развитие теории происхождения и ранней эволю­

(1969)

(1990)

294 с.

Эволюция допланетного облака

и образование Земли и планет. М.: Наука. 244 с.
Bailey J., Chrysostomou А" Hough J. Н., Gledhill Т М,
McCall А., Clark S., Menard F, Tamura М (1998) Circular polarization in star-forrnation regions: implications for biomolecular homochirality // Science. 281.
Р. 672-674.
Ciesla F J., Yang L. (2010) The dynamics and ages of refractory objects in the Solar nebula // 41 LPSC. Abstract #1081.
Coryn А. L. Bailer-Jones. (2009) The evidence for and
against astronomical impacts on climate change and
mass extinctions: А review // Intemational Joumal of
AstroЬiology. V. 8. Р. 213-239.
Fukue Т, Tamura М, Kandori R., Kusakabe N, Hough J. Н.,
Bailey J., Whittet D. С В., Lucas Р W, Nakajima У.
And Hashimoto J. (2010) Extended High Circular Polarization in the Orion Massive Star Forrning Region:
Implications for the Origin of Homochirality in the
Solar System // Orig. Life Evol. Biosph. June; 40(3).
Р. 335-346.
Кleine Т, Touboul М, Bourdon В" Nimmo F, Mezger К,
Palme Н., Jacobsen S. В., Yin Qing-Zhu, Halliday А. N.
(2009) Hf-W chronology of the accretion and early
evolution of asteroids and terrestrial planets // Geochim.
and Cosmochim. Acta. V. 73. № 17. Р. 5150-5188.
Lynden-Bell D" Pringle J. Е. (1974) The evolution ofviscous
disks and the origin of nebular variaЫes // Monthly N otices ofthe Royal Astronomical Society. V. 168. Р. 603-637.
Pechernikova G. V, Vityazev А. V (2005) Growth of condensations in the preplanetary disk and the planets formation // Abstracts of Vemadsky-Broun MicroSymp.
42, Moscow, CD.
Shakura N, Syunyaev R. (1973) Black holes in Ьinary systems: Observational appearance // Astron. Astrophys.
V. 24. Р. 337-353.
Vityazev А. V (1996) Forrnation of cometary subnuclei //
Planet. Space Sci. V. 44. № 9. Р. 967-971.


ГЛАВА

11

РЕКОНСТРУКЦИЯ

ХИМИЧЕСКИХ И ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
НА РАННЕЙ ЗЕМЛЕ


А. А. Кадик

Формирование

N-C-H-0 летучих

соединений ранней Земли при плавлении

мантии и сегрегации металлической фазы ..............................................................................

111

Э. М Галимов, Ю. В. Наточин, Б. Н Рыженко, Е. В. Черкасова
Термодинамическое моделирование химического состава

первичной водной фазы Земли ................................................................................................. 125
Е. В. Бибикова, А. А. Федотова, С. Клаэссон, М О. Аносова, Л. В. Шумлянский

Время зарождения континентальной коры в ранней истории Земли:
изотопное и геохимическое

(U-Th-Pb, Lu-Hf, REE)

изучение терригенных

цирконов архейских метаосадочных пород Сарматии ........................................................... 147
А. А. Новоселов, С. А. Силантьев

Баланс вещества в системе «атмосфера-гидросфера-кора» ранней Земли

.................... 167

Е. Б. Лебедев, Э. М Галимов

Физико-химические условия экспериментального моделирования формирования
металлического ядра Луны в условиях частичного плавления ............................................. 183


ФОРМИРОВАНИЕ

N-C-H-0 ЛЕТУЧИХ СОЕДИНЕНИЙ

РАННЕЙ ЗЕМЛИ

ПРИ ПЛАВЛЕНИИ МАНТИИ И СЕГРЕГАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ФАЗЫ

А. А. Кадик
Институт геохимии и аналитической химии им. В. И Вернадского РАН

kadik@geokhi. rи

В теориях образования Земли формирование состава газов, извлеченных первичными планетарными
магмами, связывают с процессами крупномасштабного плавления ранней мантии, которое происходило в при­

сутствии металлической фазы

Fe.

Расплавленная металлическая фаза

Fe

и расплавленное силикатное вещество

были подвержены гравитационной миграции, что оказало влияние на фракционирование сидерофильных эле­
ментов. Одновременно в зонах крупномасштабного плавления ранней Земли должно было происходить и

формирование летучих соединений, состав которых определялся их взаимодействием с силикатными и метал­
лическими расплавами. Этот процесс во многом остается неясным.

В серии экспериментов в системе силикатный расплав (Fe0-Na 2 0-SiOгA1 2 0 3 )

+ жидкая металлическая
Fe + С(графит) +летучие компоненты (N-C-H) при 1,5 ГПа, 1400 °С и значениях летучести кислорода
(/0 2) от 1,9 до 3,7 логарифмических единиц ниже значений/0 2 буферного равновесия IW изучены особенно­
фаза

сти совместного растворения азота, углерода и водорода в железосодержащих силикатных расплавах. Для вы­

яснения механизмов растворения

N,

С и Н использованы методы КР спектроскопии стекол

продуктов за­

-

калки восстановленных расплавов. Установлено, что плавление в Т-Р-/0 2 области устойчивости металличе­
ской фазы приводит к формированию в силикатных расплавах комплексов со связями
Н-0 (Н2О, ОН-), а также молекул

Nz

и

N-H (NH 3),

С-Н

(CJ-4),

Hz.

Экспериментальные исследования обнаруживают существенное влияние давления и/0 2 на коэффициент
распределения азота между силикатным расплавом и равновесной металлической фазой
При

1,5

ГПа,

1400

°С и Лlog/Oz(IW), равных

-2,4

и-3,7, значения

DN составляют 2,9

и

(DN= Nметалл/Nсиликат).

0,5

соответственно.

обмена между мантией и поверхностью планеты.

Введение

Среди них извлечение летучих соединений из ги­

Восстановленный характер атмосферы ранней
мантии

рассматривается

как

одно

из

условий

потетического

магматического

или

из

твердой Земли при частичном плавлении и дега­

формирования предбиогенных молекул, что при­

зации

вело к возникновению жизни на Земле

центральную роль.

( Galiтov,

океана

магматических

дериватов

мантии

играет

Однако условия формирования ранней вос­

Современные физические модели образова­

становленной атмосферы Земли при сегрегации

ния Земли предполагают, что в процессе аккреции

металлической фазы железа и ее превращение в

Земля прошла через множество коллизий. Энер­

нейтральную атмосферу,

гии, освобождающейся при таких гигантских им­

2004).

N2

и СО 2 , во многом ос­

дискуссии (АЬе et al., 2000,
2005; Hashiтoto et al., 2007). Одним из
источников N-C-H-0 молекул ранней атмосфер,

пактных

как предполагается, являются процессы газового

ского океана) (Stevenson, 1981; Sasaki and Nakazawa, 1986; Melosh, 1990). Предполагается, что

тается

предметом

Galiтov,

событиях,

достаточно

для

плавления

больших объемов силикатной мантии с образова­
нием внешнего расплавленного слоя (магматиче­

Автор благодарен Н. А. Куровской и Ю. А. Игнатьеву за уча­

магматический

стие в экспериментальных исследованиях, В. В. Колташеву и

ядра планеты путем

В. Г. Плотниченко за спектральные исследования образцов.

металлической фазы железа в расплавленном си­

Исследования проведены при поддержке программ Прези­
диума РАН №

28

и РФФИ №

11-05-00926.

океан

связан

с

формированием

гравитационной миграции

ликатном веществе мантии

(Li and Agee, 1996;


Глава

112

11. Реконструкция химических и геологических условий на ранней Земле

Righter and Drake, 2000; Wood et а!" 2006; Frost
et а!. 2008). Одновременно с сегрегацией ядра в

исследователями в экспериментальных геохими­

реакции в значительной степени мало изучены и

(Libourel et а!"
2003; Roskosz et а!., 2006; Mysen et а!., 2008;
2009).
Экспериментальные исследования при /0 2 в
области стабильности Fe-Si металлической фазы
(Kadik et а!" 2004; Кадик и др" 2006; Муsеп et а!"
2009) позволяют предполагать, что в первичных

неясны. В рамках этих концепций газовый режим

расплавах восстановленной мантии наряду с окис­

ранней Земли должен быть связан с особенностя­

ленными формами Н (в виде ОIГ, Н 2 0), харак­

ми растворения летучих компонентов в магмати­

терными для магм современной мантии, следует

ческих расплавах и расплавленной фазе

ожидать образование соединений со связью типа

зо1rах крупномасштабного плавления ранней Зем­
ли должно было происходить и формирование ле­
тучих соединений, состав которых определялся
взаимодействием С,
таллическими

N,

Н, О с силикатными и ме­

расплавами.

Эти

геохимические

Fe

при

ческих центрах США и Франции

низких значениях /0 2 • Силикатные жидкости, ко­

С-Н

торые формируются в

между этими формами находятся в существен­

T-P-f0 2 области стабиль­
Fe при значениях /0 2

(СН 4 и другие молекулы).

ности металлической фазы

ной зависимости от

на

f0 2

4-5

порядков ниже таковых для магм совре­

f02.

Соотношения

Таким образом, режим

имеет принципиальное значение при оцен­

менной мантии, обладают свойствами, которые в

ках содержаний Н 2 0, Н 2 , СН 4 в газах, которые

значительной степени неизвестны. Эксперимен­

поступали

тальное

щества на поверхность Земли при ранней вулка­

изучение

физико-химической

природы

из восстановленного планетарного ве­

и

нической активности, а следовательно, при оцен­

окислительно-восстановительных реакций, котоо F 2+
з+
рые протекают в них с участием Fe , е , Fe
и

ках влияния/0 2 на состав формирующейся ранней

восстановленных

N-C-H--0

магматических

компонентов,

расплавов

и являются предметом

Подобное значительное влияние

/0 2

следует

ожидать и на другой важнейший летучий компо­

настоящих исследований.
Формы нахождения С,

атмосферы.

N,

Н и О молекул и

нент мантии

-

азот. Среди летучих компонентов

комплексов, растворенных в силикатной и метал­

азот является элементом,

лической фазах, могут быть смоделированы с ис­

сферу Земли, и одним из ключевых элементов

пользованием значений /0 2 , которые преобладали

биологической эволюции. Знание его поведения

во время образования и эволюции магматического

является, таким образом, исключительно важным

океана. Режим

для понимания количественных процессов, кото­

f02 и fН2 особенно важен для
С--0-Н и N--0-H летучих компонентов, поскольку

формирующим атмо­

рые могут контролировать обмен азотом между

углерод и азот могут существовать в нескольких

мантией и атмосферой в геологическом времени.

окислительно-восстановительных состояниях при

Небольшое число экспериментальных данных по

высоких давлениях

растворимости азота в

и температурах

при

сущест­

вовавшем в мантии режиме

/0 2 (Libourel et а!.,
2003; Miyazaki et а!., 2004; Kadik et а!., 2004;
Roskosz et а!., 2006; Kadik and Litvin, 2007). К на­
стоящему времени имеется весьма ограниченное

магматических расплавах

(Miyazaki et а!" 2004; Libourel et а!., 2003; Roskosz
et а!., 2006; Mysen et а!" 2009) и в металлургических
шлаках (Mulfinger, 1966; Schrimpf and Frischat,
1983) позволяют предполагать двоякий характер

количество экспериментальных работ по раство­

его поведения при взаимодействии с силикатными

римости

жидкостями, который определяется режимом /0 2 .

C-N-H-0

летучих компонентов в вос­

становленных расплавах при высоких температу­

Выявлено, что при умеренных значениях

рах и давлениях. Среди них экспериментальные

временной мантии растворимость азота в расплавах

исследования участников проекта

2004;

Кадик и др.

(Kadik et а!"
2006; Kadik and Litvin, 2007),

весьма

невелика ввиду молекулярного

вхождения

N2

/0 2

со­

характера

в структуру силикатной жидкости,

которые вскрыли ряд особенностей окислитель­

тогда как при низких значениях

но-восстановительных реакций в силикатных жид­

вующих равновесию силикатов с металлической

костях

водорода.

фазой железа, азот обнаруживает высокую рас­

Эти результаты хорошо согласуются с экспери­

творимость. Это различие связано со сменой ме­

ментальными данными, которые были получены

ханизма растворения азота, который при низких

с

участием

углерода,

азота

и

fOz,

соответст­


А. А. Кадик. Формирование

N-C-H-0 летучих соединений ранней Земли

113
Таблица

1

Химический состав исходных смесей (мае.%)
Опыт

Исходная смесь

3S*

97 %(Ab(80)+Fe0(20)) + 3 %SiзN4

6S

97 %(Ab(80)+Fe0(20)) + 3 %SiзN4

7S
8S

Аl2Оз

Na20

FeO

Si

N

Сумма

53,34

15,08

9,17

19,40

1,80

1,20

100,00

53,34

15,08

9,17

19,40

1,80

1,20

100,00

95 %(Ab(80)+Fe0(20)) + 5 %SiзN 4

52,24

14,77

8,98

19,00

3,00

2,00

100,00

93 %(Ab(80)+Fe0(20)) + 7 %SiзN4

51,14

14,46

8,79

18,60

4,20

2,80

100,00

Si02

* Опыт проведен без графитовоm диска в Pt ампуле.
Примечание. АЬ

-

альбит NaAISiзOs.

значениях/0 2 вступает в химическое взаимодей­

Экспериментальные

1.

ствие с кремнекислородными ионами расплавов

и аналитические методы

с формированием нитридных и других ионов.

исследования

Зависимость растворимости азота от /02 во мно­
гом остается малоизученной. Между тем, выяс­
нение условий, которые приводят к смене меха­

В качестве исходного материала в экспери­

ментах была использована тонкодисперсная смесь

низмов растворения ~зота в продуктах плавления

синтезированного альбитового стекла NaAlSiзOs

мантии,

(80

может

оказаться

ключевым

моментом

для понимания его геохимической истории на
ранних этапах формирования Земли, определяемой
растворением его летучих соединений в магма­
тическом океане во время сегрегации металличе­

ской фазы и сменой окислительно-восстанови­
тельного

состояния

планетарного

вещества при

многостадийной эволюции ядра Земли

2005).

(Galimov,

Многие особенности растворения азота

в восстановленных расплавах остаются неясны­

ми. К ним относится влияние f02 на образование

N-Si, N-H, N-0

связей и комплексов азота, ко­

торые могли бы определить формирование ран­
них магматических расплавов и продуктов их де­

газации с высокой концентрацией летучих со­
единений азота.

Природа

химического растворения

азота

в

силикатных расплавах в присутствии углерода ос­

тается во многих аспектах малоизученной. Между
тем

изучение

металлургических

систем

предос­

тавляет доказательства значительного влияния Н

и С на растворимость азота в шлаках

(Muifinger,
1966; France et а!., 1984; Martinez and Sano, 1990),
что связано с образованием C-N комплексов в си­

ликатных расплавах.

мае.%) и окиси железа

деление особенностей совместного растворения
водорода, азота и углерода в модельном силикат­

торой был добавлен порошкообразный

их дегидратации

турах:
мерно

при соответствующих темпера­

Si02 и А1 2 0 3 - при 1100 °С, Nа2СОз при­
при 200 °С. Смесь окислов, взятых в сте­

хиометрической пропорции, отвечающей составу
альбита, тонко измельчалась в агатовой ступке со
спиртом в течение

3 часов. Затем смесь нагрева­
900 °С для декарбонатизации со скоро­
стью -10 °С/мин. в алундовом тигле в атмосфере
аргона при 1 атм и спекалась при 900 °С и 1 атм в
течение 3-4 часов. После закалки декарбонатизи­

лась до

рованная

при

смесь

растиралась

1400 °С, 1 атм
3-4

тигле в течение

вновь

плавилась

часов. Закалка образцов про­

водилась со скоростью

-100-200

°С/сек. Для про­

верки на гомогенность анализировались, по край­

ней мере, три различных фрагмента стекла. Син­
тезированное альбитовое стекло измельчалось до

размера

20

микрон. К нему добавлялись порош­

FeO

и

Si3N 4

в соответствующих про­

порциях, высушенные при
ственно в течение

стекло+

FeO + Si3N 4

24

и

105

°С соответ­

часов. Смесь альбитовое

при

105

200

перетиралась в агатовой ступ­

ке со спиртом в течение

вий стабильности металлической фазы.

и

в токе аргона в графитовом

ниях /02, которые характерны для

усло­

нитрид

Si3N 4 , как источник азота в системе, в
количествах 3, 5 и 7 мае.%. Стекло альбитового
состава было приготовлено из реагентов Si02,
А1 2 0 3 и Na2C0 3 , предварительно прокаленных для

ном расплаве (FeO-Na 2 0-SiOгA120з) при значе­

T-P-f02

мае.%), к ко­

кремния

кообразные

Целью данного исследования являлось опре­

FeO (20

°С в течение

6

3

часов, высушивалась

часов и хранилась в эксп-


114

Глава

11. Реконструкция химических и геологических условий на ранней Земле
жащим расплавом и стенками

9

Pt

ампулы образец

изолировался вольфрамовой фольгой толщиной
мм (Литвин,

0,05

Платиновые ампулы по­

1981).

мещались в среду из порошкообразного нитрида
бора. Д,Лительность опытов составляла

2

часа. За­

калка продуктов опытов проводилась путем отклю­

чения электропитания нагревателя с подачей давле­

ния в процессе охлаждения. Во избежание разрыва
ампулы при декомпрессии охлаждение образцов
проводилось при постоянном давлении. Начальная

скорость закалки составляла-200 °С/сек.

Метод

буферирования

летучести

UН 2 ) и, соответственно кислорода

водорода

(f0 2),

исполь­

зованный в экспериментах, подробно описан в

(Kadik et al., 2004; Кадик и др., 2006; Кадик и др.,
2010). Он основан на диффузии Н 2 через стенки
Pt ампулы с достижением равенства химического
потенциала Н 2 внутри ампулы и вне ее в твердом
ансамбле нагревательного устройства установки.

Величины fН 2 в твердом ансамбле установки оп­
ределяются реакциями следов Н 2 0 с металличе­
Рис.

1.

Схема

ячейки

цилиндр

аппарата

поршень:

-

высокого давления типа
поршень;

1-

медное контактное кольцо;
флюоритовая втулка;

4 -

ватель;

6 -

35-

разцом;
товый

9-

графитовый нагре­

верхний пирофиллитовый вкладыш;

термопара;

вкладыш;

вкладыш;

верхнее

свинцовая фольга;

вкладыш из нитрида бора;

7 -

2 -

12 -

11 -

1О -

8 -

ампула с об­

малый пирофилли­

нижний

пирофиллитовый

нижнее медное контактное кольцо;

изолирующие пирофиллитовые кольца;

13 -

токоввод;

15 -

14 -

камера высокого давления

скими элементами ансамбля нагревательного уст­
ройства при значениях
ям

f 02

Fe-FeO (IW)

момента использования в эксперимен­

близких к значени­

(Литвин,

1981; Kadik et al., 2004).

Соответственно, при заданных Т, Р и/0 2 отноше­
ние fН20dli 2 в 0-Н системе вне ампулы приоб­
ретает фиксированное значение. Внутри

Pt ампулы

значения/0 2 контролируются равновесием между

графитовым диском,
каторе до

/0 2 ,

буферного равновесия железо-вюстит

компонентами

буферируемым извне, и

Hz,

железосодержащего

силикатного

тах. Химический состав исходных смесей пред­

расплава. Последний восстанавливается с высво­

ставлен в табл.

бождением

1.

Эксперименты выполнены на установке типа

цилиндр-поршень (Слуцкий,

1400 °С

зы железа согласно уравнению реакции:

2Fe0 = 2Fe + о 2 .

в запаянных платиновых ампулах. Схема

1.

и образованием металлической фа-

1962) при 1,5 ГПа и

Нитрид азота

ячейки аппарата высокого давления представлена

на рис.

02

Детальное описание методики экспери­

мента приведено в работе (Кадик и др.,

2010).

эксперимента и

(1)

неустойчив в условиях

Si3N 4

полностью расходуется

согласно

уравнению реакции:

зовался природный флюорит с небольшим коэф­

+ 0 2 = 3Si0 2 (расплав) +
+ 2Nz(расплав)
(2)

фициентом внутреннего трения. Температура кон­

с последующим участием азота в реакциях с ком­

тролировалась

понентами силикатного расплава, углеродом и во­

Si 3 N 4 (исходный)

В качестве среды, передающей давление, исполь­

±10

Pt-Pt 10Rh

термопарой с точностью

°С, неопределенность в измерении давления

составляла

дородом. Равновесия

±0,1 ГПа. Образец весом около 200 мг
помещался в Pt ампулу диаметром 5 мм, высотой
15 мм и толщиной 0,2 мм. Снизу образца поме­
щался графитовый диск толщиной 0,2 мм. Д,Ля

f02

исключения взаимодействия между железосодер-

/0 2

(1)

и

(2)

определяют значения

в системе во время экспериментов. В резуль­

тате взаимодействия нитрида кремния с силикат­

ным

расплавом

и

0 2,

образующимся

уравнению реакции восстановления

(1 ),

согласно
значения

внутри платиновой ампулы оказываются зна-


А. А. Кадик. Формирование

чительно ниже значений
сия

IW.

/0 2 буферного

N-C-H-0 летучих

Определение отношения

равнове­

При этом уменьшение значений/0 2 прямо

соединений ранней Земли

1

115

н+;3°si+ в стеклах

проведено с использованием ионного микрозонда

(Ярославский филиал ФТИАН).

пропорционально количеству SiзN4 в исходной

Cameca IVS 3f

смеси.

Аншлифы образцов прошли ультразвуковую очи­

Экспериментальные значения
представлены относительно
новесия

f 0 2эксп

были

буферного рав­

f02

IW как

стку и бьmи покрыты золотом. Интенсивность пи-

s·+

30
ков ~н+ и
1

кой пучка

ром

0 2-

10 мкм

фильтрации

где

f02(IW)

и f0 2 эксп представляют собой лету­

честь кислорода буферного равновесия

IW

и ле­

тучесть кислорода в экспериментах соответственно.

жсп

3начения fo 2

рассчитывались на основании

эмпирической зависимости (Арискин и др.,

1992)

б ьmа измерена под бомбардиров-

интенсивностью

при разрешении

100±20 эВ.

10-15 нА и разме­
масс 1200 и энергии

Для определения соотно­

1

шения н+;3°si+ использована калибровочная кри­
вая

(Sobolev, Chaussidon, 1996),

которая характе­

ризуется отсутствием влияния матрицы на резуль­

таты измерений в области содержаний

49

и

Si02 между

мае.%.

71

Исследование

N-H-C

содержащих стекол ме­

тодом спектроскопии КР проведено в Научном
которая основывается на экспериментальных дан­

ных по равновесию между жидкой фазой железа и
силикатным

расплавом

как

в

природных,

так

и

модельных магматических системах. В уравнении

(4) h

и

d-

параметры регрессии, Х;- компонен­

ты силикатных расплавов в виде окислов (мол.

%),

активность

Ofe = XFe · JFe -

сплаве, XFe активности

мольная доля

Fe.

Fе в металлическом
Fe, JFe - коэффициент

При расчетах значения JFe были

приняты равными

1.

Основанием для этого допу­

щения является близость JFe к единице в сплавах

железа при высоких мольных долях

Fe,

случае наших экспериментов составляют

которые в

центре волоконной оптики РАН. Измерение КР
спектров проводилось в конфигурации рассеяния
под углом
(JoЬin

лаждаемым жидким азотом. Возбуждающее излу­

чение от Аr+-лазера (Spectra Physics) с длиной вол­
ны 5145 А фокусировалось на поверхности образ­
ца через микроскоп с 50-кратным объективом в
пятно диаметром

осуществлен

0,90--0,98.

2.

Pownceby, 1993).

4

вертикальными спектрометрами в Институте гео­

химии и аналитической химии им. В. И. Вернад­
ского РАН. Одновременно измерялся весь набор
элементов,

ставляло

исследований

фирмы САМЕСА с

SX-100

поэтому ускоряющее

15 кВ,

ток зонда

-

электронного пучка составлял
кристалл-анализатора

для

напряжение

30

со­

нА, расфокус

5 мкм.

измерения

В качестве
азота

ис­

пользовался псевдокристалл РС2 с межплоскост­

Результаты
экспериментальных

с помощью электронного мик­

розонда САМЕВАХ

Рассеянное излучение со­

биралось тем же микроскопом. Точность опреде­
1
.

Химический анализ продуктов эксперимен­
тов

2 мкм.

ления положения полос бьmа не хуже 1 см-

Значения f02(IW) определены на основании экспе­
риментальных данных (О 'Neil,

180° на тройном спектрометре Т-64000
Yvon), оснащенном CCD приемником, ох­

Эксперименты выполнены при
и Лlogf0 2 (IW), равных
бS),

-2,4

(опыт

экспериментов

7S)

и

-1,9
-3,7

1,5 Ша, 1400 °С
3S), -2,1 (опыт
(опыт 8S). Продукты
(опыт

представляют

собой

прозрачное

стекло с включениями глобулей металлической
фазы железа размером

< 50 мкм

(рис.

2).

Цвет

стекла зависит от условий экспериментов и меня­

ется от золотисто-желтого (опыт

3S) до зеленовато­
7S и 8S). Сферическая форма металли­
фазы Fe позволяет заключить, что она бьmа

ным расстоянием 2d = 97 ,46А. С целью улучше­

го (опыты

ния статистических характеристик анализа было

ческой

увеличено время набора аналитической информа­

жидкой во время экспериментов. Микроскопиче­

на пике. В качестве стан­

ские исследования не обнаруживают в стеклах га­

дартного образца для измерения азота использо­

зовых включений, что свидетельствует о том, что

валась керамика

расплав не был насыщен в отношении летучих со­

ции для азота до

30 с

BN.

Предел обнаружения содер­

жания азота составлял

0,3

мае.%.

единений азота, водорода и углерода.


Глава

116

Рис.

11. Реконструкция химических и геологических условий на ранней Земле

Растровое изображение в обратно рассеянных (отраженных) электронах продуктов закалки опыта

2.

8S

(Р=1,5 ГПа,

Т=1400 °С, Лlogf02(1W)=-3,7): стекло с каплями металлического железа

Таблица
Химический состав стекол и металлической фазы после экспериментов При

ГПа и

1,5

1400

2

°С (мае.%)

Стекло
Опыт

Лlg/OДW)

Si02

Аl2Оз

Na20

FeO

N

с

Сумма

3S

-1,9

63,48(21)

15,26(12)

8,39(10)

10,73(10)

0,47(13)

0,64(21)

98,97

6S

-2,1

67,82(26)

12,8(10)

7,36(15)

9,78(14)

0,62(19)

0,65(19)

99,03

7S

-2,4

70,03(41)

13,74(17)

8,11(24)

6,93(39)

0,60(19)

0,40(20)

99,81

8S

-3,7

74,71(20)

13,42(20)

7,55(13)

1,58(8)

1,47(24)

0,84(15)

99,57

N

с

w

Сумма

Глобули металлической фазы

Опыт

Лlg/02(IW)

Fe

Si

Al

7S

-2,4

96,92(19)

0,04(1)

0,02(1)

1,75(17)

0,84(16)

0,16(13)

99,68

8S

-3,7

97,90(75)

0,05(1)

0,02(1)

0,71(21)

0,45(18)

0,12(9)

99,59

1О определений и металличе­
5 определений для каждого опыта; в скобках указаны стандартные отклонения; состав металлической фазы
3S и 6S не определен из-за небольших размеров глобулей (<10 мкм).

Примечание. Представлены средние содержания окислов и элементов в стеклах из

ской фазе из
для опытов

Характерной особенностью химического со­
става стекол является уменьшение концентрации

FeO
FeO

от ~19 мае.%, что соответствует содержанию

в исходной смеси (табл.

1),

до

1,6

мае.% при

наиболее низких значениях Лlogf0 2 (1W) (табл.

2).

Это свидетельствует о восстановлении

FeO

плаве с образованием жидкой фазы

в соответ­

Fe

в рас­

ствии с уравнением реакции
Согласно реакциям

(1 ).
(1) и (2)

с содержаниями
в

Si02 в

предположении,

восстановлением

что

FeO.

расплаве, рассчитанными
они

определяются

только

Зависимость SiOгFeO для

экспериментов обнаруживает более высокие со­
держания

Si0 2 в

стеклах, как этого и следовало

ожидать из-за участия реакции

(2)

в формирова­

нии состава силикатной жидкости. Химический
состав стекол, наряду с результатами оптических

содержание

Si02

исследований, свидетельствует о том, что

Si3N 4 ,

в расплаве должно определяться двумя процессами,

исходный компонент смеси для опытов, нестаби­

а именно формированием жидкой фазы железа с

лен в условиях экспериментов и полностью рас­

удалением

ходуется согласно уравнения реакции

FeO

из расплава и окислением

Si3N 4

исходной смеси с добавлением к расплаву некото­
рого количества
рис.

3.

Si02,

что и демонстрируется на

На нем показана концентрационная зави­

симость SiOгFeO для экспериментов в сравнении

Распределение компонентов

Si02, N

(2).
FeO, Na20, А12 0 3 ,

и С в стекле относительно гомогенно и

свидетельствует о достижении

новесия во время опытов (рис.

химического рав­

4).


А. А. Кадик. Формирование

117

N-C-H-0 летучих соединений ранней Земли
80

Содержание азота в стекле лежит в преде­

1

о

лах

0,5-1,5 мае. %, С - в пределах 0,4-0,8 мае. %
(табл. 2, рис. 5). Наиболее высокие содержания азо­

82
оз

та и углерода в стекле соответствуют наиболее низ­

ким значениям/0 2 в экспериментах (Лlogf02(IW) =

-3,7). Содержание Н в стекле составляет 0,30,6 мае.%, уменьшаясь с понижением/0 2 (рис. 5).

=

Глобули металлической фазы содержат азот и
углерод в количествах

соответственно (табл.

Образование

2. 1.

и

0,7-1,8
2).

0,5-0,8

-0,61

мае.%

50

N-H-0

F еО

комплексов в расплавах согласно

Рис.

спектральным данным

3.

жания

(80

обнаруживают ряд пиков, которые могут быть при­
С-Н и Н-Н связями (рис.

N-H,

0-Н связи. КР спектры стекол в высокочас­

ную полосу с максимумом на 3561 см- . Форма

1

Al20з-Si02 и других

а)

о

о

о

о

е

Q

е

!;<

8

о

о

о

е

е

(}

GI

о

о

о

о

(\)

.....
5

6

N

z""

о

оN

о

=<

Q

е

о

50

о

100

200

150

Профиль, мкм

3

б)

~

u 2

::.""

(\)"

~
(\)

f

Е-<

u

творенному в стекле. При нормальном давлении и

молекулы

Q

~

о

става

N-N

Q

Е-<

дованиям форм нахождения азота в стеклах со­

температуре колебание связей

о

u

Согласно спектральным иссле­

Na20-Si02 (Mysen et al., 2008) и FeO-Na20Al20з-Si02 (Kadik, Litvin, 2007), после опытов при
1-2 ГПа, 1300-1500 °С и 4 ГПа, 1550 °С соответ­
1
ственно острый и интенсивный пик на 3293 см- и
1
1
11ики на 3377 см- и 3188 см- принадлежат комп­
лексам или молекулам со связью типа N-H. К ним
относятся NH 3, NH 2-(=Si-NH2), NH2+(0-NH2).
Пик на 2912 см- 1 согласно (Mysen et al., 2008) со­
ответствует колебаниям N-H связей комплекса
NH2+ (O-NH2).
N-N связи. Острый и узкий пик в области
2331 см- 1 принадлежит молекулярному азоту, рас­

15
~

,;
~ 10
(\)

и молекуле Н 2 0 в структуре силикатных расплавов.
связи.

содержания

u
""::.

соответствует колебаниям 0-Н связей в ОIГ группах

N-H

мае.%)+

FeO; 2 - содер­
FeO в исходной смеси Nад18iз0в
Fe0(20 мае.%), Лlogf02(IW) =-0,61

1,5 ГПа и 1400 °С;
8i02 и FeO в стеклах, опреде­
ляемые значениями f0 2 во время экспериментов
(Лlogf02(IW) = -1,9, опыт 38; Лlogf02(IW) = -2, 1,
опыт 68; Лlogf0 2 (1W) = -2,4, опыт 78, Лlogf02(IW) =
=-3,7, опыт 88)

тотной области содержат широкую и асимметрич­

Na20(Mysen and Virgo, 1986). Она

и

8i02

с металлической фазой железа при

3 -

на для водосодержащих стекол в системе

в стеклах от содер­

соответствует равновесию расплава исходной смеси

6).

этой полосы подобна той, которая была обнаруже­

8i02

расчетное содержание 8i02, опре­

деляемое только восстановлением

КР спектры стекол в области 2000-4150 см- 1

N-N,

30

в стекле, мае,%

Зависимость содержания

жания FeO: 1 -

писаны комплексам или молекулам с 0-Н,

20

10

о

и С-Н-0

~

~ f

z

N2

f

1

f f ?f
f

11риходится на 2331 см- . Однако этот пик для мо­
1

лекулы

N2 в

стекле более широкий, чем для

N2 в
N 2 в стекле был опре­
(Roskosz et al., 2006; Kadik and Litvin, 2007)

о

;1елен

rюсле изучения растворимости азота и его соеди­

нений с водородом в силикатных расплавах при
высоких давлениях.

50

о

1103Духе. Подобный пик для

100

200

150

Профиль, мкм
Рис.

4.

Содержание в стекле по профилю от края капли же-

леза для опыта

Na20,

АIД 3 ,

88 (Лlogl02(IW) = -3,7):
(6)- N

(а)

-

FeO,


Глава

118

11. Реконструкция химических и геологических условий на ранней Земле

2,0

а)

~

20

~

1,5

:.:f-<

,;

::.'°

15

о
.,Q.

.;

§ 1,0

f-<

()

о

=
=
=
::::=

(\)

f-<

10

~

()

~

z

а)

()

0,5

(\)

f-<

5
ЛlogfO,(IW)

=-2.1

0,0

--4

-3

-1

-2

о

4000

Лlog/ 0 2 (IW)

3000

3500

2500

2000

Сдвиг КР, см -I

1,0

б)

б)

20
~

~

(\)

u'

:.:f-<

"

..Q'

::.'°

о

§ 0,5

f-<

()

(\)

о

= 10
=

f-<

()

~

~

()

=

~

(\)

f-<

::::=
0,0

ЛlogfOz<lW) =

--4

-3

Лlog/0 2 (IW)
Рис.

5.

3000
Сдвиг КР, см

4000

Содержание в Fе-содержащем силикатном распла­

ве как функция летучести кислорода: (а)
(б)

-

-2.4

-1

-2

-

2000
1

азота и

водорода.

20

Н-Н связи. Полоса на 4133 см-J имеет слабо
выраженный характер и принадлежит молекуляр­

ному Н 2 , растворенному в стекле (Lиth

et а!., 1987;

Dianov et а!., 2005)

~

(\)

:.:

!3 15
.,Q.

f-<

Таким образом, спектральные исследования
свидетельствуют об образовании в

силикатных

расплавах состава Fe0-Na 2 0-Al 2 0з-Si0 2 , равно­
весных с металлической фазой железа, комплек­

()

о

=
=
=
~

10

()

~

::::

сов азота с водородом (NH 3 , NН2-, NH 2+), молеку­
лярного азота

н2

(\)

ЛlogfO

5

(IW) = -3.7

N 2. Водород присутствует в расплаве

также в виде гидроксильной группы он-, молеку­

3500

4000

лы Н 2 0 и молекулярного водорода Н 2 .

С-Н связи. КР спектроскопия стекол в области
колебательных движений С-Н связей обнаружива­

ет полосы на 2912 см- 1 • Согласно (Poиchert, 1981),
они соответствуют колебательным движениям мо­
лекулярного

СН 4

или

других

3000

2500

2000

Сдвиг КР, см -i
Рис.

6.

КР спектры

Т

= 1400 °С):

опыт

78,

N-H
(а) -

содержащих стекол (Р

опыт

Лlogf0 2 (1W)

Лlogf02(IW)

68,
= -2,4;

= 1,5

ГПа,

Лlogf02(IW)

=-2, 1; (6)-

(в)- опыт

88,

=-3,7

углеводородных

групп, таких как СН 3 - или СН}-.
Формы растворения азота и водорода в рас­

плаве состава FeO-Na2 0-SiOгA1 2 0 3 при давлении

1,5 ГПа, 1400 °С идентичны обнаруженным ранее
(Kadik and Litvin, 2007) для расплавов FeO-Na20SiOгA120з при давлении 4 ГПа, 1550 °С и анало-


А. А. Кадик. Формирование

N-C-H--0 летучих соединений ранней Земли

гичных значениях /0 2. Можно заключить, что по­

Wood, 2005),

нижение давления с

где Лlog/02(IW) =

4

до

1,5

ГПа не оказало влия­

ния на формы растворения азота и водорода в си­
ликатных

расплавах,

равновесных

с

металличе­

ской фазой железа.

/0 2(IW)

и

119

Лlog/0 2 (1W) возрастал от

log/0 2(1W) -

/0 2мантия

ферного равновесия

-4

мантии соответственно.

В рамках представлений о многостадийном ха­

океана

восстановленный режим мантии был характерен

дегазации ранней мантии земли

для его первой стадии в течение первых

имеет

принципиальное

значение

при

оценке состава газов, которые будут извлекаться
из восстановленного планетарного вещества

Во время сегрегации железа мантия Земли
временном содержании в мантии около

8%

действием силикатной мантии с ядром, продолжа­
лась последующие

150-300 млн

лет и сопровожда­

лась ростом /02 в недрах планеты в результате дис­
пропорционирования

FeO мантии cornacнo реакции:

2

3Fе +0(мантия) ~ Fe (ядро)+
+ Fе3 +2 0 3 (мантия).

вес.

0

По представлениям

FeO и около 80 % Fe в ядре, как ожидается, значения
/0 2 должны быть на 2 log единицы ниже /02(IW)
(Waпke, Dreibus, 1988; O'Neill, 1991). Однако как

2008; Javoy et а!., 2010

предполагается, более вероятным сценарием эво­

Si0 2 (силикат)

окислительно-восстановительного

100 млн лет

жизни Земли. Вторая стадия, связанная с взаимо­

должна быть высоко восстановленной. При со­

люции

2005)

Особенности магматической

Режим /0 2 при формировании магматическо­
го

-2,

летучести кислорода бу­

-

IW и

рактере образования ядра Земли (Galiтov,

2. 2.

до

lоg/0 2 мантия,

(6)

(Javoy, 1995; Frost et а!.,
Si при

фракционирование

взаимодействии мантии с ядром

=

режима

+ 2Fе(металл) =
Si(металл) + 2FеО(силикат)

(7)

ранней мантии является такой, когда первоначаль­

повышает содержание

ная Земля характеризовалась

тельно,/02. Моделирование показало, что в резуль­

ленным состоянием,

а

затем

весьма восстанов­
испытала

повыше­

ние

/0 2 с окислением мантии и магматического
океана (Javoy, 1995; О 'Neill, 1991; Galiтov, 2005;
Wade, Wood, 2005).
Предполагается, что повышение /0 2 во время

тате вхождения

Si в

FeO

в мантии и, следова­

ядро мантия постепенно стано­

вилась все более окисленной: Лlog/0 2 (IW) возрас­
тал от

-3,2 до -1,4 по (Javoy et а!., 2010)
до -2,5 по (Frost et а!., 2008).

и от

-4,5

Сушественное изменение режима кислорода

аккреции и сегрегации металлической фазы обу­

ранней мантии в процессе сегрегации металличе­

словлено добавлением вещества поздних планете­

ской фазы и эволюции металлического ядра Земли

зималей, которые имели более высокое отношение

FeO/Fe

по сравнению с более ранними планете-

3ималями (О 'Neill,

1991).

Однако недавние иссле­

дования позволяют считать, что эволюция ранней

позволяет предполагать изменение состава летучих

соединений углерода, азота, водорода и кислорода

и форм их растворения в магмах.
Экспериментальные исследования по раство­

мантии и магматического океана сопровождалась

римости С-0-Н компонентов в расплавах при зна­

самоокислением

чениях

с

повышением летучести кисло­

рода в результате фракционирования

Fe, Si и О
между силикатной и металлической фазами (Javoy,
1995; Frost et а!., 2004; Ruble et а!., 2004; Galiтov,
2005; Wade, Wood, 2005). Согласно гипотезе (Frost
et а!., 2004; 2008; Wade, Wood, 2005), повышение
/0 2 в магматическом океане обусловлено диспро1юрционированием FeO при кристаллизации пе­
ровскита (Mg, Fe, Al)(Al, Si)0 3 согласно уравне­
ния реакции:

=

которые соответствуют стабильности

Как было оценено

по­

восстановленной мантии наряду с окисленными

формами водорода (в виде ОlГ, Н 2 0), характерными
для магм современной мантии, следует ожидать

образования соединений со связью типа С-Н (на­
пример, СИ~ и другие молекулы с этой связью), а
также молекулярного водорода Н2.

/0 2

на растворимость

в магмах обнаруживается и для другого компо­

(5)

Магматический океан постепенно окислял­

/0 2.

(Kadik et а!., 2004),

зволяют предполагать, что в первичных расплавах

Значительное влияние

3Fe2+ О (расплав)+ А12 0 3 (расплав)=
2Fe3+ А10 3 (перовскит)+ Fe 0 (металл).

ся с повышением

/02,

металлической фазы железа

(Wade,

нента мантии

-

азота. Небольшое число экспе­

риментальных данных по влиянию /02 на раство­
римость азота в магматических расплавах

(Fogel,


Глава

120

11. Реконструкция химических и геологических условий на ранней Земле
при

5

1,0-2,5

ГПа

(Mysen et а/., 2008)

и значениях

f 0 2<f02(JW) привели к заключению о растворении
,4

азота в силикаrnых жидкостях в виде соединений со

N+H+C,
1,5 ГПа, 1400 "С

связью типа N-H (NНз, NН/ и др.) и молекулы N2.
Экспериментальные исследования при 1,5 ГПа
и 1400 °С показали, что плавление в области ста­
бильности металлической фазы Fe в присутствии

Lidourel et al., 2003

жидкостей, которые содержат соединения азота со

Кадик и др.,

2010

PacfUlaв(Na 2 0+FeO+Si02 +Al 2 03)+Fe+

водорода приводит к формированию силикатных
Расплав базальта

00

.о

1 атм, 1425

о

•

+ N2

"С

связью

наряду с молекулярным азотом

N-H

N2

и

молекулярным водородом Н2 . Примечательной осо­
бенностью окислительно-восстановительных реак­

-1

ций в расплавах является то, что, несмотря на низ­

кие значения

-2
10

-5

о

5

-10

f

0 2,

в них формируются комплексы

со связью 0-Н (ОIГ, Н 2 0). Таким образом, следует
ожидать, что продукты дегазации ранней восста­

Рис.

7.

Общее содержание азота в расплаве состава

Fe0-Na20-Al203-Si02 в виде N-H комплексов и N2 при
1,5 ГПа и 1400 °С (Кадик и др., 2011) в сравнении с

содержанием азота в модельном базальтовом рас­

плаве (без Fe) при 1 атм и 1425 °С как функции

f02

(Libourel et а/., 2003)

новленной мантии, равновесной с металлической
фазой, наряду с

N 2,

соединениями азота с водоро-

дом, могли содержать также и первичную магма­
тическую воду.

Формирование

N-H

связей в расплавленном

силикатном веществе приводит к сушественному

1994; Libourel et а/., 2003; Miyazaki et а/., 2004; Roskosz et al., 2006; Kadik, Litvin, 2007) и в металлур­
гических шлаках (Mulfinger, 1966; Schrimpf, Frischat, 1983) позволяет предполагать сушественное

увеличению

отличие механизмов растворения азота в продуктах

них продуктах плавления Земли по сравнению с

плавления восстановленной мантии от таковых,

магмами более поздних геологических эпох со

формирование которых проходило при умеренных

значениями

значениях

f

0 2.

При значениях

f

02

современной

растворимости

азота,

которая

мо­

жет достигать
=-1,9-о--З,7

0,5-1,5 мае. % для Лlogf 02(IW) =
(рис. 7). Таким образом, можно пред­

полагать более высокие содержания азота в ран­

fOz,

более высокими, чем

f02(IW).

В последнем случае растворимость азота в виде

рас­

молекулы N 2 составляет п х 10-4 мае. % (Libourel
et а!., 2003; Miyazaki et al" 2004).

творимость азота в базальтовых расплавах весьма

Изменение механизма растворения азота при

мантии, близких к значениям

f

0 2 буферного
(FMQ),

новесия фаялит-магнетит-кварц

рав­

невелика ввиду молекулярного характера вхожде­

низких значениях

ния

чениями

N2

в структуру силикатной жидкости (физи­

ческое

растворение) и составляет доли ppm
(Libourel et а/., 2003; Miyazaki et а/., 2004). Однако
при значениях f 0 2 ниже значений f 02 буферного
равновесия IW растворимость азота резко возрас­
тает и достигает нескольких сот ppm. Это связано

f

f

0 2 по

сравнению с теми зна­

Оъ которые характерны для современ­

ной мантии, имеет принципиальное значение для

выяснения геохимической истории азота. В со­

временной геохимии поведение азота в глубин­
ных мантийных резервуарах,

кроме

изотопного

состава азота, определяется по подобию с поведе­

со сменой механизма растворения азота, который

нием благородных газов. В основе этого предпо­

при этих значениях

ложения лежит общая физическая природа рас­

/0 2

вступает в химическое

взаимодействие с кремний-кислородными ионами

творения этих летучих

расплавов с формированием нитридных и других

при определенных значениях Р, Т, и/02.

комплексов (химическое растворение).

В

в

силикатных жидкостях

наибольшей степени растворимость азота

Экспериментальные исследования взаимодей­

сопоставима с таковой для аргона, как это бьmо оп­

ствия азота и водорода с силикатным расплавом

ределено рядом авторов для базальтовых расплавов

состава

при нормальном давлении и температурах между

Fe0-Na20-Si0z-Al20 3 при 4 ГПа, 1550 °С
(Kadik, Litvin, 2007) и расплавами Na2Si20s, Na2Sii09

1300 и 1650 °С (Нiyagon, Ozima, 1986; Jambon et al.,


А. А. Кадик. Формирование

N-C-H-0 летучих соединений ранней Земли

121

ней мантии оказываются близкими к таковым для

1986; Lux, 1987; Carroll, Draper, 1994; Miyazaki,
1996; Marty, Dauphas, 2003). Близость их раство­

расплавленной металлической фазы. Это усили­

римости обусловлена сравнимыми атомными раз­

вает роль магм в выносе азота из глубин ранней

мерами. Они одинаково заполняют пространства

Земли к ее поверхности в тот короткий период

внутри структуры силикатного расплава. Подобие

геохимической истории Земли, который был свя­

в физической растворимости

зан с формированием ядра планеты при низких

считать, что отношение

значениях/0 2 в мантии.

N и Ar позволяет
N/Ar мало фракционирует

при дифференциации магм, и оно может быть ис­

Повышение

f

02в

результате взаимодействия

пользовано для оценки поведения азота при дега­

ядра с компонентами мантии на последних стади­

зации мантии и формировании атмосферы. Однако

ях его формирования

как показьmают исследования

процессе образования и эволюции магматического

(Galimov, 2005)

или же в

(Libourel et al., 2003;
Miyazaki et al., 2004; Roskosz et al., 2006; Kadik,
Litvin, 2007) и данные эксперименты, подобие в

растворимости азота в продуктах плавления Земли

растворимости азота и благородных газов ограни­

и, соответственно, к изменению условий его маг­

чено окислительно-восстановительными условия­

матического переноса к поверхности Земли.

океана

ми зарождения магм в мантии. При значениях/0 2
ниже

f

привело к понижению

(Wood et al., 2008)

Восстановленная атмосфера ранней мантии

химическое взаимодействие азота с

Земли рассматривается исследователями как одно

силикатными расплавами с формированием ком­

из необходимых условий происхождения жизни на

0 2(IW)

плексов

N

N-H

исключает подобие в растворимости

и благородных газов. Таким образом, соотно­

шение

N/Ar

не может быть использовано для вы­

Земле

(Delano, 2001; Galimov, 2004).

Предполага­

ется, что атмосфера, содержащая С~,

NH3,

Н2 и

Н 2 0 в качестве ее главных летучих компонентов,

яснения геохимической истории азота, связанной

может быть источником предбиогенных молекул,

с его растворением и дегазацией при плавлении

что привело к возникновению жизни на Земле.

Однако условия формирования ранней вос­

ранней восстановленной мантии.

Экспериментальные исследования

vin, 2007)

(Kadik, Lit-

обнаружили сушественное влияние дав­

ления и/0 2 на коэффициент распределения азота
между расплавом состава FeO-Na20-SiOгAl20з и

(D N =

в нейтральную атмосферу

N2 и

СО 2 во многом ос­

таются предметом дискуссии (АЬе

et al., 2000;
Galimov, 2005; Hashimoto et al., 2007). Предпола­

Nметалл;

гается, что атмосфера, которая образовалась во

4 ГПа, 1550 °С и
Лlogf0 2 (IW) = -3,3 величина DN равна 0,82, тогда
как при нормальном давлении N 2, 1600 °С и/0 2 =
= f 0 2(IW) значения DN более высокие и близки к
104 (Miyazaki et al., 2004). Аналогичное влияние

время главной фазы аккреции, была потеряна во

u

равновесном

u

металлическом

ф

становленной атмосферы Земли и ее превращение

u

азои

Nсиликат). Как было найдено, при

время гигантского импактного процесса, который

привел к образованию Луны

(Ahrens, 1990; Pepin,
(Hashimoto, АЬе et al., 1995;

2006). Однако авторы
et al., 2000) предполагают,

АЬе

что трудно осуше­

на распределение азота между расплавом состава

ствить достоверную оценку степени импактной

FeO-Na 2 0-SiOгA1 2 0 3 и равновесной металли­

эрозии атмосферы Земли, и полная потеря ранней

ческой фазой обнаружено и в наших эксперимен­

восстановленной атмосферы Земли не является

тах: при

1,5 ГПа, 1400 °С, Лlogf0 2 (IW) = -2,4 и
Лlogf0 2 (IW) = -3,7 значения DN равны 2,9 и 0,5

очевидным процессом.

соответственно.

2007),

Сушественное понижение величин

(Hashimoto et al.,

часть восстановленной атмосферы, созда­

срав­

ная до или после гигантского импактного процес­

нению с нормальным давлением является прямым

са, сохранилась и оказывала влияние на создание

результатом

окислительно-восстановительных условий, необ­

увеличения

DN по

Согласно представлениям

растворимости

азота

в

силикатном расплаве и жидкой металлической фа­

·~е железа при высоких давлениях, значениях
ниже

f

0 2(IW)

f

Модель формирования Земли и Луны из еди­

и в присутствии водорода в систе­

ного облака примитивного состава, предложенная

ме. Результаты экспериментов позволяют считать,
что

ходимых для возникновения жизни на Земле.

02

при этих условиях возможности силикатных

расплавов. по извлечению азота из вещества ран-

в

(Galimov, Krivtsov, 2005),

нативой

гипотезам

является новой альтер­

импактного

происхождения

Луны. В рамках этих представлений можно пред-


Глава

122

полагать

11. Реконструкция химических и геологических условий на ранней

постепенное

превращение

восстанов­

ленной атмосферы в нейтральную атмосферу, со­
дерJ<ащую

магматическую воду. Количество 0-Н комплексов

увеличивается с возрастанием/0 2 .

и СОъ в результате самоокисления

N1

мантии в течение

100-150

миллионов лет

( Ga-

limov, 2005).

Земле

Исследования

обнаруживают

влияние давления и

f

0 2 на

существенное

коэффициент распреде­

ления азота между силикатным расплавом и равно­

весной металлической фазой

(DN = Nмегаллмсшшкj.
1,5 ГПа, 1400 °С и Лlog/ 0 2(IW), равных -2,4
и -3,7, значения DN составляют 2,9 и 0,5 соответст­
При

Заключение

венно. Это свидетельствует о возможности захоро­

Изучение физико-химической природы восста­
новленных магматических расплавов и окислитель­

нения

некоторого

плавов

нентов, обнаруживает ряд особенностей, которые

режима

в формирование восстановленой атмосферы.
Проведенные экспериментальные исследова­

ния в системе силикатный расплав

(FeO-Na20Fe + С
(графит) + летучие компоненты (N-C-H) при
1,5 ГПа, 1400 °С и значениях/0 2 от 1,9 до 3,7 ло­
гарифмических единиц ниже значений f 0 2(IW)
SiOгA1203)

+

жидкая металлическая фаза

первичного

азота

в

мантии при сегрегации металлической фазы.

но-восстановительных реакций, которые протекают
о
2+
3+
в IШХ с участием Fe, Fe , Fe и N-C-H-0 компо-

важны для оценки вклада плавления ранней мантии

количества

Установленные свойства восстановленных рас­
позволяют
кислорода

предполагать,
при

что

эволюция

самоокислении

мантии

(Galimov,2005) и магматического океана (Frost
et al., 2004; Ruble et al., 2004; Wade, Wood, 2005) в
результате фракционирования Fe, Si и О между
силикатной и металлической фазами сопровожда­
лась принципиальным изменением характера маг­

матического переноса летучих соединений углеро­
да и водорода из недр планеты к ее поверхности.

В рамках этих представлений плавление мантии

свидетельствуют о формировании в силикатных

на ранней стадии формирования ядра при низких

расплавах комплексов азота с водородом

(NH 3,

значениях летучести кислорода приводило к обра­

NH2-, NH/) и молекулярного азота N 2. Водород

зованию магм, в которых азот, углерод и водород

присутствует

в

расплаве

также

в

виде

гидро­

ксильной группы ОН-, молекулы Н 2 0 и молеку­
лярного водорода Н 2 . Главным комплексом угле­

существуют в виде комплексов N-H, NH3, NН 2 -,
NH2+, С-Н (СН 4 ), при подчиненных количествах
молекулярных соединений N 2, Н 2 и Н 2 0. Соответ­

рода в расплаве является СН 4 . Летучесть кисло­

ственно,

рода существенно влияет на величину раствори­

ленных

состав
магм

в

продуктов
условиях

дегазации

сегрегации

восстанов­
металличе­

мости и формы растворения азота в исследуемых

ской фазы принципиально отличается от тех, ко­

расплавах: с понижением/0 2 растворимость азота

торые характерны для магматической дегазации

увеличивается, доля молекулярного

ликатном

веществе

увеличению

-1,97-3,7.

N 2,

возрастает.

связей в расплавленном си­

дийном характере эволюции металлического ядра

приводит

растворимости

жет достигать
=

N-H

современной мантии с преобладанием в них

Н2О и СО 2 . В рамках представлений о многоста­

шается, а комплексов со связью
Формирование

азота умень­

0,5-1,5

N-H

к

существенному

азота,

которая

мо­

мае.% для Лlog/0 2 (1W) =

Таким образом, можно предполагать

более высокие содержания азота в ранних про­

Земли

/0 2 в

( Galimiov, 2005),

глобальное повышение

теле планеты в течение

100-300

миллионов

лет при взаимодействии ядра с силикатной мантией

согласно реакции

(1)

явилось причиной существен­

ного изменения форм растворения углерода, водо­

дуктах плавления Земли по сравнению с магмами

рода и азота в продуктах плавления мантии, в кото­

более поздних геологических эпох со значениями

рых стали преобладать N2, Н 2 0, СО 2 .

/0 2 более

высокими, чем/0 2 (1W).

Несмотря на низкие значения

f

0 2,

в распла­

вах формируются комплексы со связью 0-Н (ОН-,

Н 2 0), т. е. продукты дегазации ранней восстанов­
ленной мантии, равновесной с металлической фа-.
зой, могли содержать, наряду с комплексами
и молекулярными

N2

N-H

и Н 2 , также и первичную

Литература
Арискин А. А., Борисов А. А., Бармина ГС.

(1992)

Мо­

делирование равновесия железо-силикатный рас­

плав

С.

в

базальтовых

1231-1240.

системах

//

Геохимия.

№

9.


А. А. Кадик. Формирование

N-C-H-0

Кадик А. А., Куровская Н. А., Игнатьев Ю. А., Кононко­
ва Н. Н., Колташев В. В., Плотниченко В. Г

(2010)

Влияние летучести кислорода на растворимость уг­

лерода и водорода в расплавах Fe0-Na 2 0-Si0г
А1 2 0 3 , равновесных с жидкой фазой железа, при

1,5

ГПа и 1400°С11Геохимия.№10. С.

Кадик А. А.,
ва Е. Б.,

Литвин Ю. А.,

Ллотниченко В. Г

водорода

и

углерода

в

(2006)

(1981)

Крюко­

Растворимость

восстановленных

ранней мантии Земли// Геохимия. №
Литвин Ю. А.

1011-1018.

Колташев В. В.,

1.

С.

магмах

38-53.

К методике исследования при вы­

соком давлении фазовых равновесий с участием

железосодержащих магматических расrmавов

1981. № 8. С. 1234--1242.
Слуцкий А. Б. (1962) Установка для

//

Гео­

химия.

геохимических ис­

следований в условиях сверхвысоких давлений и

повышенных температур

//

Сб. Эксперименталь­

ные исследования в области глубинных процессов.
М.: Изд-во Академии наук СССР. С.

212-215.
Ohtani Е., Okuchi Т., Righter К, Drake М (2000)
Water in the early Earth // Origin of the Earth and
Moon / Eds. R. М. Canup, К. Righter. Tucson: Univ. of
Ariz. Press. Р. 413-433.
Ahrens Т. J. (1990) Earth accretion // Origin of the Earth /
Eds. Н. Е. Newsom, J. Н. Jones. Oxford, UК: Oxford
UniversityPress. Р. 211-227.
Carroll М R., and Draper D. S. (1994) NоЫе gases as
trace elements in magmatic processes // Chem. Geol.
V. 117. Р. 37-56.
Delano J. W (2001) Redox history of the Earth's interior
since ~3900 Ма: Implications for preЬiotic molecules //
Origin of Life and Evolution of the Biosphere. V. 31.
Р. 311-341.
Dianov Е. М, Koltashev V V, Кlyaтkin S. N., Malosiev А. R., Medvedkov О. !., Plotnichenko V G., Rybaltovskii А. А., Rybaltovskii А. О., Sokolov V О., Vasiliev S. А. (2005) Hydrogen diffusion and ortho-para
conversion in absorption and Raman spectra of
germanosilicate optical fibers hydrogen-loaded at 150170МРа // Joumal of Non-Crystalline Solids. V. 351
(49-51) Р. 3677-3684.
Fogel R. А. (1994) Nitrogen soluЬility in aubrite and Е chondrite melts // Lunar Planet. Sci. Conf. 25. Р. 383-384.
France Р W, Carter S. F, Williaтs J. R. (1984) NH\ absorption in fluoride glass infrared fibers // Joumal of
theAmerican Ceramic Society. V. 67 (11). С. 243-244.
Frost D. J., Liebske С, Langenhorst F, МсСаттоп С А.,
Tronnes R. G., RиЬiе D. С (2004) Experimental evidence for the existence of iron-rich metal in the Earth's
lower mantle // Nature. V. 428(6981). Р. 409-412.
Frost D. J., Мапп И., Asahara У., RиЬiе D. С (2008) The
redox state of the mantle during and just after core
formation // Philosophical Transactions of the Royal
Society. А 366. Р. 4315-4337.

АЬе У,

летучих соединений ранней Земли

Galiтov Е. М,

123

Krivtsov А. М (2005). Origi_n of the EarthMoon system Luna-Glob project in the context of the
past and present lunar exploration in Russia // Joumal
ofEarth System Science. V. 114 (6). Р. 593-600.
Galiтov Е. М (2004) Phenomenon of life: Equilibrium
and non-linearity. Origin of Life and Evolution of the
Biosphere. 34/6. Р. 599-613.
Galiтov Е. М (2005) Redox Evolution of the Earth
Caused Ьу а Multistage Formation of Its Core // Earth
and Planetary Science Letters. V. 233. Р. 263-276.
Hashiтoto G. L., АЬе У. (1995) Chemical composition of
the early teпestrial atmosphere-possiЬility СН4 atmosphere and hydrocarbon ocean // Proceedings ofthe 28th
ISAS Lunar and Planetary Symposium. Р. 126-129.
Hashiтoto G. L., АЬе У., Sиgita S. (2007) Тhе chemical
composition of the early teпestrial atmosphere: Formation of а reducing atmosphere from CI-like material //
Joumal ofGeophysical Research. V 112. № ЕО5. ЕО5010.
Hiyagon Н., Oziтa М (1986) Partition of nоЫе gases between olivine and basalt melt // Geochimica et CosmochimicaActa. V. 50. Р. 2045-2057.
JатЬоп А., Weber Н., Вrаип О. (1986) SoluЬility of Не,
Ne, Ar, Кr and Хе in а basalt melt in the range 12501600 °С: Geochemical implications // Geochimica et
CosmochimicaActa. V. 50. Р. 401-408.
Javoy М (1995) Тhе integral Enstatite Chondrite model of
the Earth. // Geophisical Research Letters. V. 22.
Р. 2219-2222.
Javoy М, Kaтinski Е., Guyot F, Andraиlt D., Sanloиp С,
Moreiraa М, Labrosse S., JатЬоп А., Agrinier Р, Davaille А., Jaиpart С (2010) Тhе chemical composition
of the Earth: Enstatite chondrite models // Earth and
Planetary Sciences Letters. V. 293. Р. 259-268.
KadikA. А., Kиrovskaya N. А., Ignat'ev Уи. А., Kononkova N. N., Koltashev V V, Plotnichenko V G. (2011) lnfluence of Oxygen Fugacity оп the SoluЫlity of Nitrogen, Carbon, and Hydrogen in FeO-Na2 0-SiOгAl20з
Melts in Equilibrium with Metallic Iron at 1,5 GPa and
1400°С // Geochemistry Intemational. V. 49. № 5.
Р. 451-461.
Kadik А. А., Litvin Уи. А. (2007) Magmatic transport of
carbon, hydrogen, and nytrogen constituents from reduced planetary interiors // Lunar and Planetary Science XXXVIII. LPI Contribution. № 1338. Р. 1020.
Kadik А. А., Рiпеаи F, Litvin Уи. А., Jendrzejewski N.,
Martinez !., Javoy М (2004) Formation of carbon and
hydrogen species in magmas at low oxygen fugacity //
Joumal of Petrology. V. 45. № 7. Р. 1297-1310.
Li J., Agee С В. (1996) Geochemistry of mantle-core differentiation at high pressure // Nature. V. 381. Р. 686-689.
Libourel G., Marty В., Huтbert F (2003) Nitrogen soluЬil­
ity in basaltic melt. Part 1. Effect of oxygen fugacity //
Geochimica et Cosmochimica Acta. V. 67. № 21.
Р. 4123-4135.


124

Глава

11. Реконструкция

химических и геологических условий на ранней Земле

Luth R. W, Mysen В. О., Virgo D. (1987) Raman spectroscopic study of the solubility behavior of Н2 in the sys;em Na2 0-Al 2 0з-SiOгH2 // American Mineralogist.
V. 72. Р. 481-486.
Lux G. ( 1987) Тhе behaviour of nоЫе gases in silicate liquids: solution, diffusion, bubЫes and surface effects
with application to natural samples // Geochimica Cosmochimica Acta. V. 51. Р. 1549-1560.
Martinez Е. R., Sano N. (1990) Nitrogen solubility in CaOSiOz, Ca0-Mg0-Si0 2 , and Ba0-Mg0-Si02 melts //
Metallurgical and Materials Transactions В. V. 21В.
Р. 97-104.
Marty В., Dauphas N. (2003) The nitrogen record of crustmantle interaction and mantle convection from Archean
to Present // Earth and Planetary Science Letters. V. 206.
Р. 397-410.
Melosh Н. (1990) Giant impacts and the thermal state ofthe
early Earth // Origin of the Earth / Eds. Н. Е. Newsom,
J. Н. Jones. New York: Oxford Univ. Р. 69-83.
Miyazaki А. (1996) Studies on Solubilities ofNitrogen and
NоЫе Gases in Silicate Melts // Ph. D. dissertation,
University of Tokyo.
Miyazaki А., Hiyagon Н., Sugiura N., Hirose К., Takahashi Е. (2004) Solubilities of nitrogen and nоЫе gases in
silicate melts under various oxygen fugacities: implications for the origin and degassing history of nitrogen
and nоЫе gases in the Earth // Geochimica et Cosmochimica Acta. V. 68. № 2. Р. 387-401.
Mulfinger Н. О. (1966) Physical and chemical solubility of
nitrogen in glass melts // Joumal of the American Ceramic Society. V. 49. Р. 462-467.
Mysen В. О., Virgo D. (1986) Volatiles in silicate melts at
high pressure and temperature. 2: Water in melts along
the join NaAIOгSi0 2 and а comparision of solubility
mechanism of water and fluorine // Chemical Geology.
V. 57. Р. 333-358.
Mysen В. О., Yamashita S., Chertkova N. (2008) Solubility
and solution mechanisms of NOH volatiles in silicate
melts at high pressure and temperature-amine groups
and hydrogen fugacity // American Mineralogist. V. 93.
Р. 1760-1770.
Mysen В. О., Fogel М L., Morrill Р L., Cody G. D. (2009)
Solution behavior of reduced С-0-Н volatiles in silicate melts at high pressure and temperature // Geochimica et Cosmochimica Acta. V. 73. Р. 1696-1710.
O'Neill Н. S. С. (1991) The origin of the Moon and the
early history of the Earth - А chemical model. Part 2:
Тhе Earth // Geochimistry Cosmochimistry Acta. V. 55.
Р.1159-1172.

O'Neill Н. S. С., Pownceby М !. (1993) Thermodynamic
data from redox reactions at high temperatures: I. An.

experimental and theoretical assessment of the electrochemical method using stabilized zirconia electrolytes,
with revised values for the Fe-"FeO", Со-СоО, Ni-NiO
and Cu-Cu 20 oxygen buffers, and new data for the
W-W0 2 buffer // Contributions to Mineralogy and Petrology. V. 114. Р. 296-314.
Pepin R. О. (2006) Atrnospheres on the teпestrial planets:
Clues to origin and evolution // Earth and Planetary
Science Letters. V. 252. Р. 1-14.
Pouchert С. G. (1981) Тhе Aldrich Library of Infrared
Spectra // 3rd edn. Milwaukee, WI: Aldrich Chemical Со.
1203 р.
Righter К., Drake М J. (2000) MetaVsilicate equilibrium in
the early Earth-New constraints from the volatile moderately siderophile elements Ga, Cu, Р, and Sn. // Geochimica et Cosmochimica Acta. V. 64. Р. 3581-3597.
Roskosz М, Mysen В. О., Cody G. D. (2006) Dual speciation of nitrogen in silicate melts at high pressure and
temperature: An experimental study // Geochimica et
CosmochimicaActa. V. 70. Р. 2902-2918.
Ruhie D. С., Gessmann С. К., Frost D. J. (2004) Partitioning
of oxygen during core formation on the Earth and Mars //
Nature. V. 429. Р. 58-62.
Sasaki S., Nakazawa К. (1986) Metal-silicate fractionation
in the growing Earth: energy source for the teпestria\
magma ocean // Joumal of Geophysical Research V. 91.
Р. В9231-В9238.

Schrimpf C., Frischat G. Н. (1983) Property-composition
relations of Nгcontaining Na20-Ca0-Si0 2 glasses //
Joumal ofNon-Crystalline Solids. V. 56. Р. 153-160.
Sobolev А. V, Chaussidon М ( 1996) Н2 0 concentrations in
primary melts from suprasubduction zones and midocean ridges: Implications for Н2 0 storage and recycline in the mantle // Earth and Planetary Science Letters. V. 137. Р. 45-55.
Stevenson D. (1981) Models of the Earth's core // Science.
V. 214. Р. 611-619.
Wade J, Wood В. J (2005) Core formation and the oxidation state of the Earth // Earth and Planetary Science
Letters. V. 236. Р. 78-95.
Wanke Н., Dreibus G. (1988) Chemical-composition and
accretion history of teпestrial planets. Philosophical
Transactions of the Royal Society A-Math. Phys. Eng.
Sci. V. 325(1587). Р. 545-557.
Wood В. J, Wade J, Кilburn М R. (2008) Core formation
and the oxidation state of the Earth: Additional constraints from NЬ, V and Cr partitioning // Geochimica
et CosmochimicaActa V. 72. Р. 1415-1426.
Wood В. J, Walter М J, Wade J (2006) Accretion of the
Earth and segregation of its core // Nature. V. 441.
Р. 825-833.


ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА

ПЕРВИЧНОЙ ВОДНОЙ ФАЗЫ ЗЕМЛИ

Э. М Галимов

(*)

, Ю.

В. Наточин

(**)

, Б.

Н Рыженко

(*)

, Е.

В. Черкасова

(*)

(*)Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН.
ryzhenko@geokhi.ru
(**)Институт эволюционной физиологии и биохимии им. ИМ Сеченова РАН.

У прокариот и в цитоплазме клеток эукариот доминируют ионы к+, во внеклеточной жидкости большин­

ства видов многоклеточных организмов преобладают Na+. Обосновано предположение, что K+/Na+ отношение
в солевом составе клеток современных организмов качественно отражает соотношение между этими элемен­

тами в водной фазе на Земле, в которой появились первые формы жизни, зародилась протоклетка. К такому же
выводу пришли

Armen

У.

Mulkidjianion

и др.

(PNAS 13, 2012,

Е821-830). Для реконструкции химического со­

става первичной водной фазы Земли выполнено термодинамическое компьютерное моделирование равновес­
ного состава систем «вещество углистых хондритов

- вода», «вещество примитивной мантии - вода»,
- вода», «основные породы - вода», открытых относительно С02 и СН4 .
Показано, что при 25 °С, общем давлении 1 бар и парциальных давлениях С0 2 10-5-10--S бар и С~ 10-2-10--S бар
в водной фазе систем с веществом углистого хондрита и примитивной мантии отношение к+/N а+ > 1, что соответ­
«ультраосновные породы

ствует отношению этих элементов во внутриклеточном растворе. Водная фаза имеет рН =
аммиачный азот, концентрации К,

Na, Mg

8-9, Eh

=

--450 ±50 mV,

близкие к таковым в предполагаемой внутриклеточной жидкости.

При взаимодействии воды с ультраосновными и основными породами в водном растворе отношение K+/Na+ < 1,
что соответствует химическому составу современных природных вод земной коры.

Результаты моделирования показывают, что развитие протоклеток могло начаться в первичной водной
фазе Земли при дифференциации хондритового вещества на ядро и мантию, в период после формирования

азотной атмосферы, содержащей СН 4 , СОъ

NH 3 ,

Нъ

H 2 S,

СО и другие газы, но до формирования современных

пород земной коры (первый миллиард лет формирования планеты).

(Проссер,

Введение

1977,

с.

177).

«Жизнь возникла в море.

Химический состав морской воды определен со­
Распространенная точка зрения, многие деся­
тилетия

не

подвергавшаяся

сомнению,

состоит

в

утверждении: жизнь возникла в море. «В настоя­

ставом земной коры, физическими и химическими
свойствами ее компонент, а следовательно, хими­
ческим составом планеты.

Высокая вероятность

щее время никто не сомневается в том, что жизнь

возникновения жизни именно в море подчеркива­

возникла в воде океана протерозойской эры, содер­

лась почти всеми. Мне также кажется это почти

жащей определенные соотношения одновалентных

бесспорным» (Шноль,

1979,

с.

95).

и двухвалентных катионов, которые с полным ос­

Есть ли сомнения в справедливости таких

нованием могут быть названы биологическими»

утверждений? Во-первых, стало ясно, что жизнь

(Гинецинский,

1963,

с.

9).

«Жизнь зародилась в море.

возникла даже не сотни миллионов лет тому на­

Как показывают данные геохимии, ионный состав

зад (Doиzery

морской воды не претерпел существенных измене­

зад, т.е. первые следы живых форм найдены в по­

ний с раннекембрийского периода, хотя ее общая

родах, образовавшихся несколько сот млн лет по­

соленость,

сле формирования Земли (Розанов,

по-видимому,

несколько

возросла»

et а!" 2004),

а около

4

млрд лет на­

2003).

Второе

обстоятельство состоит в том, что при возникно­
Работа вьшолнена благодаря поддержке программы Прези­
диума РАН №

25.

вении «первой» клетки (протоклетки) её содер­

жимое должно было быть отделено от окружаю-


Глава

126

11. Реконструкция химических и геологических
с

условий на ранней Земле

щей среды, в цитоплазме протоклетки должна

мембрана

была иметься достаточная критическая концен-

белка не могла возникнуть в среде, где превали­

включенными

в

неё

молекулами

тра•ия нуклеотидов, аминокислот, ионов

все-

ровали ионы натрия. Без плазматической мем -

го, что необходимо для синтеза белков, метабо-

браны не могла возникнуть и клетка в её совре­

лизма, должна была сформироваться мембрана

менном понимании, она была бы незащищен­

клетки.

ной, её компоненты были бы разрозненными,

Возникновение

плазматической

-

мембраны

она не могла бы адаптироваться к средам с раз-

клетки, несомненно, относится к одному из ключе­

личным ионным составом, разной осмоляльно­

вых событий в происхождении жизни на Земле.

стью, разной концентрацией неорганических ве­

Живому существу необходимы молекулы органи­

ществ.

ческих веществ, генетический код, механизм син­

иную схему последовательности событий, про­

теза полимеров биологически значимых веществ,

исходивших на начальных этапах эволюции жиз­

все это должно быть собрано вместе, отделено от

ни, чем появление жизни в среде, подобной со­

окружающего мира в единое целое и для этого тре­

временной океанической.

Следовательно,

необходимо предложить

буется появление оболочки, мембраны. Физико­

Суть нашей гипотезы состоит в том, что

химические условия водной среды, где происходи­

средой возникновения первых форм жизни мог­

ло формирование первых живых существ, её элек­

ли быть водоёмы с доминированием в качестве

тролитный

катионов

состав

должны

обеспечить

условия

магния и калия,

поскольку в

этих ус­

выживания и развития протоклеток. Нет сомнения

ловиях могли протекать процессы синтеза белка,

в том, что водная среда была и фоном, и важней­

а затем могли сформироваться белковые компо­

шим компонентом первичной жизни, сценой для

ненты

химических процессов организации жизни.

брану протоклетки. Аргументами в пользу этой

Выше были приведены данные литературы о

возникновении жизни в море (Гинецинский,
Проссер,

Шноль,

1964;

клетки,

включая

плазматическую

мем­

гипотезы служат данные об электролитном со­
ставе клеток и внеклеточных жидкостей у пред­

Верно ли это ут­

ставителей десятков видов различных групп со­

верждение? Приведем ряд аргументов, которые

временных животных, анализ функций сущест­

вызывают

предполо­

вующих различных типов мембран. Очевидно,

жения о возникновении жизни в море, подобном

что прямых сведений о событиях, которые про­

современному,

исходили около

1977;

сомнения

в

в

1979).

правомерности

море,

где

доминировали

ионы

4

млрд лет назад, нет. Дополни­

натрия. Главный довод в том, что плазматическая

тельными аргументами могут быть модельные

мембрана не могла быть первично синтезирована

системы,

в океанической воде, где превалируют ионы на­

процессов.

трия, а без такой мембраны нет одного из обяза­
тельных условий

для

последующей

адаптации

математическое

моделирование

этих

Можно принять, что солевой состав среды в
период зарождения первых форм жизни должен

клеток к натриевой океанической среде, к жизни

был представлять собой водные растворы, в кото­

в пресной воде и на суше (Наточин,

2005, 2006).

рых концентрация ионов благоприятствовала био­

В 60-е гг. ХХ в. стало ясно, что ключевые реакции,

химическим процессам, необходимым для реали­

связанные с синтезом белка, требуют присутствия

зации базовых жизненных функций, в частности,

in vivo и in vitro 5-20 мМ Mg + и 100 мМ К+, а ио­

синтеза белков. Консерватизм природы в отноше­

ны Na+ <<Являются антагонистами, ингибируя ра­

нии базовых принципов построения живых систем

боту

(Спирин,

должен бьш проявиться в качественном сходстве

Реакция транспептида­

фундаментальных условий реализации жизненных

2

белок-синтезирующей

Гаврилова,

1971,

с.

152).

системы»

ции на рибосоме нуждается в присутствии в среде

функций в ряду последующих поколений от пер­

ионов Mg 2+ и К+ (или NH4 +) (Monro, Marcker, 1967;

вых ее форм до ныне живущих поколений. Анализ

1971).

геологического прошлого планеты был необходим

Сказанное выше позволяет заключить, что при

для понимания физико-химических условий среды,

сохранении базовых молекулярных механизмов

где сформировалась жизнь.

Maden, Monro, 1968;

Спирин, Гаврилова,

синтеза белка в ходе эволюции жизни на Земле
принципиально

неизменными,

плазматическая

Поэтому попытаемся использовать иной под­

ход для ответа на поставленный вопрос. Суть нашей


127

Э. М Галимов и др. Моделирование химического состава первичной водной фазы Земли

Таблица

Таблица

1

Содержание натрия и калия (мкмоль/г в-ва) и их
соотношение в тканях животных (Наточин и др.,
Объект исследования

Na
31,8 ± 1,6

Крыса печень

Пчела Apis

mellifera,

глаз

Крыса, почка, кора

Треска

Gadus morhua,

мышца

littorea,
rustica,

К/Nа

88,2 ± 2,0

2,77

животных и человека (Наточин и др.,

Объект исследования

Na

к

К/Nа

141±1,2

4,3 ± 0,03

0,030

Собака

148 ± 2

4,1±0,2

0,028

138 ± 1,4

4,7 ± 0,1

0,034

138 ± 14

8,5 ± 0,4

0,062

155 ± 1

7,3 ± 0,26

0,047

147 ± 1,7

2,4 ±0,3

0,016

73,9 ± 5,2

80,9 ± 1,9

1,09

26,3 ± 2,8

129 ± 3,9

4,90

126± 8

94±6

0,75

terrestris

183 ± 7

85,6 ± 4,6

0,46

Rhombomys opimus

25,3 ± 1,1

91,3 ± 3,6

3,61

Крыса, линия Вистар

Водная полевка Arvicola

Большая песчанка

стенка тела

Голубь

Русский осетр А.

gйldenstiidti, мышца

americana,

21,7 ± 4,8

крьшовая мышца

85,6 ± 2,6

3,94

Пилильщик

Rhadinoceraea micas,

11,0 ± 1,6

72,7 ± 2,8

6,60

Columba livia

Черепаха
Лягушка

Testudo horsfieldi 135 ± 2,5

5,5 ± 0,5

0,041

108 ± 1,7

2,6 ±0,2

0,024

129 ± 3,7

0,9 ±0,07

0,007

154 ± 2

2,5 ± 0,48

0,016

Rana temporaria

Нерка

Oncorhynchus

nerka,

р. Белая

Горбуша Oncorhynchus
gorbuscha

мышца

гипотезы состоит в том, что на первом этапе воз­

Сом

никновения

Карп

функций

живых

систем

физико­

химические свойства внешней водной среды не

Siluris glanis
Cyprinus carpio

Судак

отличались от среды внутри протоклетки и были

Lucioperca
lucioperca

пригодны для синтеза полипептидов. Это обеспе­

Минога

чило возможность

образования плазматической

Lampetra

flиviatilis

мембраны, создания собственной внутриклеточ­

Миксина

ной среды и поддержания её состава в течение

Мидия Мytilus

всей жизни клетки, её последующей адаптации к

При возникновении живой клетки произошло

обособление протобионтов
среды.

от внешней водной

Внутриклеточная

жидкость и внешняя
+
2+
среда должны б ыли содержать К и Mg
- компоненты, которые обеспечивают синтез необхо­

димых

для

развития

органических

веществ,

калия должно быть больше натрия, так как

Na

но

по­

давляет этот процесс. В работе (Наточин и др.,

2008)

приведены результаты измерения концен­

траций натрия и калия (табл.

1, 2) в

клетках живых

Myxine glutinosa
edulis

26%0
Мидия

меняющимся условиям внешней среды.

2008)

Человек

4,22

Littorina
26,8 %
Goniocarpa

Таракан Р.

к

натрия и калия в гемолимфе и сыворотке крови некоторых

101 ±2,0

мышца

Асцидия

Концентрация (миллимоль/л) и соотношение ионов

2008)

23,9 ± 6,6

Литорина,

2

Mytilus edulis

34%0
Жемчужница

Margaritana

Перловица обыкновенная

И.

pectorium

Перловица клиновидная

Unio timidus
Живородка

Таракан

Viviparus

Periplaneta amer-

icana
Медуза

Thiaropsis
multicirrata

135 ± 3,7

6,8 ± 1,2

0,050

122 ± 2,5

1,3 ± 0,1

0,011

148 ± 2

5,6 ± 1,3

0,038

120 ± 1,8

3,2 ± 0,3

0,027

549

11,1

0,020

331 ± 11

7,5 ± 0,3

0,023

472 ± 15

13,5 ± 0,8

0,029

14,1±0,4 0,39 ± 0,02 0,028
14,4 ± 0,6 0,47 ± 0,06 0,033
12,9 ± 0,9 0,41±0,04 0,032
31,8±1,0

1,65±0,1

0,052

116 ± 8

11,3 ± 1,3

0,097

426 ± 5,4

15,3 ± 0,4

0,036

существ разного уровня эволюционного развития

(K+/Na+ = 0,46-6,6), а также во внеклеточной жид­
кости, плазме крови (K+/Na+ = 0,007-0,097). Соот­
ношение

между

калием

внеклеточной жидкости,

и

натрием,

аналогичное

пых

вод

и

неприемлемостью

этого

состава

для

функционирования клеток протобиотов.
Если допустить, что а) параметры внешней

характерно для совре­

среды и среды первых живых форм были иден­

менных вод Земли: К/Nа= ~О,03 в мировом океа­

тичны и характеризовались преобладанием калия

не, К/Nа ~

над натрием, б) за время существования Земли

Крайнов и

0,02-0,6 в
др., 2004).

водах суши (Шварцев,

1998;

Таким образом, возник К/Nа

живые

организмы

создали

плазматическую

кле­

биогеохимический парадокс, состоящий в проти­

точную мембрану для приспособления к изме­

воречии

няющемуся солевому составу водной оболочки,

между

современным

составом

природ-


Глава

128

11. rеконструкция химических

и геологических условий на ранней Земле

то для разрешения К+/N а+ парадокса нео бходимо

поиск условий, при которых в составе водного

реконструировать состав (особенно,

раствора отношение К/Nа

отношение

IG/Na+) первичной водной оболочки Земли.
.По представлениям А. П. Виноградова

пользован

(1967)

солевой состав водной фазы Земли образовался в

> 1.

Для этого был ис­

термодинамического

моделирования

систем

компью­

«порода-вода>>,

основы которого описаны в монографиях (Бори­

результате взаимодействия летучих элементов с

сов, Шваров,

первичными горными породами Земли. Однако для

2004).

современного мирового океана и природных вод

темы «вода-порода» необходимо знать: а) темпе­

земной коры отношение К/Nа <

Косвенным дово­

ратуру и давление существования системы; б) ком­

в первичном

понентный состав (набор химических элементов)

1.

дом в пользу преобладания К над

Na

океане Земли в работе (Наточин, Ахметов,

2005)

приведены отношения

1976;

Гричук,

2000;

Крайнов и др.,

Для выполнения моделирования любой сис­

системы;

в)

какие

компоненты

выступают

как

K 2 0/Na2 0 глин, которые
наиболее высоки (до 20-30) в алевропелитах верх­
него ятулия Балтийского щита (2,3-2,1 млрд лет).

г) определить список потенциальных твердых фаз

Моделирование взаимодействия горных пород

растворе в каждой фазе системы и установить их

инертные и какие как вполне подвижные; а также

и форм существования компонентов в водном

с водой при высоких отношениях масс порода/вода

свободные энергии Гиббса, кинетические харак­

показало (Рыженко и др.,

что преоб­

теристики при заданных температурах и давлениях;

возможно только при

д) создать алгоритм моделирования, т. е. последо­

1997, 2000),

ладание калия над натрием

взаимодействии воды с веществом ультраосновно­

вательность

го

выше

масс системы, которая обеспечивает решение по­

°С, но охлаждение образовавшегося вод­

ставленной задачи через расчет серии равновес­

и

основного

600-700

состава

при

температурах

ного раствора приводит к К/Nа отношению суще­
ственно меньше

1,

изменения

параметров

и

баланса

ных состояний.

т. е. обычному для поверхност­

Метод

термодинамического

моделирования

ных условий. В системах «вода-вещество ультра­

имеет принципиальные ограничения: если какие­

основного и основного состава» при

либо твердые или газообразные фазы, устойчивые

400-700

°С и

давлении несколько килобар моделированием ус-

.

терного

метод

тановлено

образование

углекислотно-метановой

флюидной фазы (Рыженко и др"

1997, 2000)

и

в

реальности,

или частицы,

преобладающие

в

водной фазе в реальности, не будут включены в
рассмотрение

при

моделировании,

то

результат

прямым экспериментальным исследованием опре­

(модельный состав водного раствора) будет отли­

делена летучесть водорода 10°·3±0,l бар при 400 °С,

чен от равновесного для заданной системы. Дру­

1 кбар

(Рыженко, Коваленка,

2002).

Такие свойства

гим

источником

погрешности

является

несовер­

флюидной фазы подтверждают представления о

шенство моделей коэффициентов активности для

восстановительном составе первичной атмосферы

твердых

Земли (Галимов,

водных растворов. Ввиду зависимости результа­

(Rauchfuss, 2008)

1967, 2005).

В обзорной работе

кометы и/или метеориты рас­

тов

растворов

и

для

концентрированных

моделирования от полноты и достоверности

сматриваются как возможный источник вещества

использованной термодинамической информации,

первичной гидросферы Земли. Отметим, что как в

необходима верификация результатов компьютер­

случае земного, так и космического вещества, пер­

ного моделирования.

вичный водный раствора З_емли формируется бла­

Обратимся к описанию исследуемой системы.

годаря реакции Н 2 0 и минерального вещества при
параметрах существования жидкой воды.

Моделируемая система «порода-вода» рас­
сматривалась при различных параметрах, но пре­

имущественно при температуре

давлении

1.

1

25

°С и общем

бар. Система образована

14 химиче­
Mg, Fe, Al, Si,

Метод термодинамического

скими элементами (Н, О, К,

моделирования систем

Ti,

«порода-вода»

фазами, из которых только 23 оказались устойчи­

Р, С,

S, N)

со

113

Na,

Са,

потенциальными твердыми

выми при параметрах моделирования. Из выбран-

Целью настоящей работы является реконст-

рукция состава первичной водной фазы Земли и

ных

227

простых и комплексных частиц в водном

растворе 40 достигали концентрации более 10- т
6


129

Э. М Галимов и др. Моделирование химического состава первичной водной фазы Земли

Таблица

3

Свободные энергии Гиббса устойчивых при параметрах моделирования твердых фаз, растворенных

(концентрации более 10-6 m) и газообразных форм элементов при 25 °С, 1 бар
Растворенные формы

Дж/моль

Твердые фазы, газы

NaA1Si 30 8 (альбит)
CaFe(C0 3) 2 (анкерит)
Mg,isSiз40147H62 (антигорит)

soi-

-744 459

-1 819 787

Si02
NH4+

-833 411

-66 126 875

Са 5 (РО 4 ) 3 0Н (апатит)

Дж/моль

-3 712 020

-6 338 438

-79 454
-26 706

СаС0 3 (кальцит)

-1 129 258

NH3
NaS04-

КFeAl[Si 4 0 10 ](0Н) 2 (Fе-селадонит)

-5 127 872

NaOH

-414 634

Mg5Al[A!Si 30 10](0H)8 (клинохлор)

-8 263 504

NаНСОз

-847 279

-1 011 591

Mg9[Si4010]06(0Н) 2 (клиногумит)

-9 062 912

NaHзSi04

Mgб[Si401 0 ](0Н) 8 (хлорит)

-8 078 625

NaC0 3-

-797 398

Fe 5 Al[A1Siз0 10 ](0Н) 8 (дафнит)

-6 535 708
-2 162 010

NaCl
Na+

-388 890

CaMg(C0 3) 2 (доломит)
FeOOH

(гетит)

-490 875

-261 881

Fe 30 4 (магнетит)

-1 012 339

Nz
MgOH+

MgC0 3 (магнезит)

-1 027 799

МgНСОз+

КA1Si 3 0 8 (микроклин)

-3 750 240

МgСОз

КМgз[АlSiзО1о](ОН) 2 (флогопит)

-5 837 506
-856 239

MgCl2
MgCl+
Mg2+

-9 352 421

KS04-

FeS 2 (пирит)

-160 063

Si0 2(кварц)
NaFe2Feз[Si401 1 ] 2 (0Н)2 (рибекит)

Ti02

(рутил)

-888 951

-1 513 322

кон

18 188
-624490
-1 045 891
-998 978
-720 275
-589 042
-453 985
-1 031 487
-437 098

Na2Mg1sAl2Si220 60 (0Н)12 (Nа-сапонит)

-33 736 738

КНСОз

-867 404

K 2 Mg 18 Al 2 Si 22 0 60 (0Н) 12 (К-сапонит)

-33 789 078

КС0 -

-817 180

CaMg1sAl 2 Si220 60 (0Н)12 (Са-сапонит)

-33 767 391

KCl

-403 763

MgMg1sAl2Si220 60 (0Н)12 (Мg-сапонит)

-33 670 867

к+

-282 462

FeC0 3 (сидерит)

3

-6 881 218

нs-

11 966

CaTiSi05 (сфен)
CaAl2Si370 25 H 14 ( стильбит)

-10 004 942

HзSi04-

-1 253 011

Ca2Mg 5 [Si 4 0 11 ]z(OН) 2 (тремолит)

-11582379

H2Si04 2-

-1 176 639

Ca19Mg2Al 11 Si, 80 78 H9 (везувианит)

-39 905 473

FeOHCl
FeCl+
Fe2+

-416 650

со/-

-527 983

СО2

-385 974

о

Hydrogenr
СН4,г

г

-586 940

-221 881
-91 504

СГ

-131 290

-137 168

саон+

-716 616

-394 359

СаНС0 3 +

-1 145 666

СаСО 3

-1 099 724

-50 718

СО,г

COz,

нсоз-

-2 454 585

Nitrogenг

о

г

-16451

СаС1 2

-811 716

Н2S,г

-33 560

CaCl+

-680 084

г

-300 194

Са2 +

-552 790

NH 3 ,
SOz,

(во всем тексте и таблицах т обозначает концен­

В табл.

трацию в единицах моляльность) при параметрах

твердых фаз, растворенных частиц и газов при

3 представлены

свободные энергии Гиббса

°С, которые образовывали равновесную мине­

моделирования. Предполагалось, что для описа-

25

1шя газовой фазы достаточно

ральную ассоциацию и равновесный с ней состав

8

компонентов.


Глава

130

11. Реконструкция химических и геологических условий
Таблица

4

Химический состав (мае.%) первичного минерального

результатом

водой,

на ранней Земле

химических

газами,

породой.

взаимодействий

Различием

в

между

кинетике

взаимодействия разных минеральных фаз пренеб­

вещества, принятый при моделировании
1·

регали в предположении достаточной продолжи­

Компоненты

Si02

Ушистый

Прими-

хондрит

тивная

Orguell
(Anders,
Grevesse,
1989)

(Palme,
O'Neill,
2003)

22,69

45,40 ± 0,30

Ультра-

Основные

основные

мантия

породы

породы

(Крайнов

и др.,

2004)

(Крайнов

и др.,

2004)

Ti02

0,07

0,342

0,15

0,79

Аl2Оз

1,70

4,49 ± 0,37

1,40

17,08

Fе2Оз

13,35

FeO

4,63

8,1 ± 0,05

-

MnO

-

тем «порода-вода» известно (Крайнов и др.,

2004)

существенное влияние отношения масс реагирую­

щих породы и воды на состав водной фазы.
Рассматривались несколько возможных соста­

49,22

38,55

тельности процесса. Из опыта моделирования сис­

вов первичного минерального вещества (табл.
углистый

хондрит

с

летучими

4):
N (3,18 %), Cl

первичная мантия Земли, ультраоснов­

2,55

2,62

(0,0698 %),

6,06

6,39

ная и основная породы. Состав углистого хондрита

0,12

0,13

взят из работы

(Palme,

О 'Neil,

(Anders, Grevesse, 1989). В работе
20031) выполнен критический анализ

MgO

15,87

36,77 ± 0,44

45,14

7,42

Са О

1,36

3,65 ± 0,31

0,85

12,00

и представлены два возможных состава первичной

Na20

0,76

0,698

0,11

2,72

мантии Земли (масс%): а) как результат дифферен­

К2О

0,06

0,0626

0,07

0,50

Н2О

(16,9)

(10,0)

4,78

0,94

P20s

0,22

0,0394

0,15

0,36

0,01

0,037

F

0,003

0,005

0,005

(Si02 - 51,2; АIД3 -3,7; FeO- 6,3; Mg0-35,8;
СаО 3,0) и б) как результат усреднения состава
ксенолоитов верхней мантии Земли (Si0 2 45,40;
Аl2Оз 4,49; FeO - 8,1; MgO - 36,77; СаО -

0,02

0,01

0,03

3,65).

0,01

ставе вещества ксенолитов

-

-

0,0698

Cl

s

-

циации «солнечного» вещества на ядро и мантию

Состав верхней мантии, основанный на со­

О 'Neill,

(Palme,

2003),

с

2,8

0,01

0,01

N

0,318

0,0002

-

-

более полон и с учетом погрешности представлен в

FeS

9,08

-

-

табл.

-

водной фазы. Рабочий файл стехиометрии и банк
термодинамических данных включали информа­
цию для полного списка из
растворенных частиц и

8

113

минералов,

227

газов.

Для расчета равновесного состояния модели­

руемой системы использовали алгоритм

HCh,

ко­

4.

Воспользоваться «солнечной» моделью со­

става примитивной мантии для оценки К/Nа врав­

новесной водной фазе бьmо невозможно, поскольку

Na20,

не бьmо учтено распределение

К2 0 и летучих

при дифференциации на оболочки. Обоснование
выбранных составов ультраосновной и основной

пород приведено в работе (Крайнов и др"

2004).

торый позволяет моделировать динамические про­
цессы,

используя

реактора (Шваров,

метод

проточного

1999, 2008).

ступенчатого

Расчет равновесно­

2.

«углистый хондрит

го состояния моделируемой системы при постоян­
ных температуре и давлении выполнялся методом

минимизации свободной энергии Гиббса системы с
данным балансом масс инертных компонентов и
данными потенциалами вполне подвижных компо­

нентов. При достижении равновесия в системе об­
разуется водный раствор, равновесная минераль­
ная

ассоциация

вторичных и первичных твердых

Моделирование системы

Чтобы элиминировать воздействие первичной

воды и минерального вещества и проверить роль

углерода как компонента для формирования соста­
ва первичной водной фазы, поиск условий образо­

вания водной фазы с К/Nа >
рования закрытой системы

щен, газовая фаза. Все полученные в результате

хондритов

-

давлениях

0,001-1

газ»
ния

(Eh,

характеристики

систем

«Вода-порода­

рН, концентрации и формы существова­

компонентов

в

водном

и

газовом

растворе,

равновесные минеральные ассоциации) являются

вода»

атмосферы Земли на продукты взаимодействия

фаз, относительно которых водный раствор насы­

расчета

-

значение

1 бьm

«вещество углистых

вода» при температурах
кбар (табл.

отношения К/Nа ~

температуру

начат с модели­

50-60

°С,

5).

1.8

0-300

°С,

Максимальное
приходится

дальнейшее

на

повышение

температуры оказывает отрицательное действие.


Э. М Галимов и др. Моделирование химического состава первичной водной фазы Земли

131
Таблица

Равновесный состав закрытой системы вода
Т,

0

С

Р,бар

вещество углистых хондритов при

-

о

25

50

75

100

н.п.

н.п.

н.п.

н.п.

н.п.

1,59Е+О2

1,36Е+02

1,12Е+02

200
500

300
1000

0-300

°С,

1-1000

5

бар

400
1500

500
2000

600
2500

Равновесная минерЩtьная ассоциация, моли

Графит
Анкерит
Антигорит

Апатит-ОН
Апатит-С!
Кальцит

о

о

о

1,91E+Ol 1,91E+Ol 1,91E+Ol 1,86E+Ol

1,63Е+О2

о

о

о

о

о

о

о

о

о

о

6,87Е+о0

о

о

о

о

о

о

о

о

1,03Е+ОО

1,03Е+ОО

1,03Е+ОО

1,03Е+ОО

1,03Е+ОО

1,03Е+ОО

1,03Е+ОО

1,03Е+ОО

о

о

о

о

о

о

о

о

о

о

1,03Е+ОО

1,03Е+ОО

о

о

l,69E+Ol

о

2,14Е+ОО

4,69Е+ОО

о

о

о

6,53Е--02

о

о

о

о

о

о

Хлорит

l,91E+Ol
5,86E+Ol

Клин о хлор

8,42Е+ОО

1,89E+Ol
5,81E+Ol 5,79E+Ol 4,02E+Ol 2,64E+Ol
о
1,28E+Ol 9,02Е+ОО 9,06Е+ОО 1,14E+Ol 4,98Е+ОО
о

о

о

о

о

о

о

о

о

о

8,25Е+ОО

3,87Е+ОО

7,66Е+ОО

7,56Е+ОО

о

о

1,84Е+О2

о

о

о

о

о

Ильменит

о

о

о

о

о

8,76Е--01

Магнезит

о

о

о

Магнетит

о

Флогопит

о

Дафнит
Дафнит

1

Гетит

1,36E+Ol 1,50E+Ol
о

о

о

о

8,76Е--01

8,76Е--01

5,53E+Ol 4,75E+Ol
о
6,20E+Ol 5,06E+Ol 3,04E+Ol 5,03E+Ol 9,42E+Ol 9,42E+Ol 9,45E+Ol 9,57E+Ol

1,02Е+02

о

о

о

1,87E+Ol 1,86E+Ol
8,76Е--01

8,76Е-01

о

о

о

8,36Е--01

о

о

о

о

о

о

о

о

4,43Е+ОО

Рибекит

1,39E+Ol
5,16E+Ol 5,16E+Ol 5,16E+Ol 5,16E+Ol 5,16E+Ol 5,16E+Ol 5,15E+Ol 5,07E+Ol 4,69E+Ol 2,81E+Ol
о
о
l,16E+Ol 1,18E+Ol 1,19E+Ol 1,19E+Ol 8,44Е+ОО
о
о
о

Ругил

8,76Е--01

8,76Е--01

8,76Е--01

8,76Е--01

8,76Е--01

о

о

о

о

о

Сидерит

о

о

о

о

о

о

о

Тальк

о

о

о

о

о

о

5,67Е--01

о

о

о

Тремолит

о

о

о

о

о

о

о

о

о

8,68Е+ОО

Сапонит-Nа

о

о

о

2,40Е--02

5,65Е--01

9,34Е--01

6,41Е--01

6,35Е--01

5,64Е--01

3,41Е-01

Сапонит-К

о

о

о

9,51Е--01

9,99Е-02

4,04Е-02

2,47Е--02

5,24Е--03

1,83Е--03

2,57Е-03

Сапонит-Са

о

о

о

9,45Е-03

1,ООЕ--01

1,18Е--02

2,38Е--02

3,13Е--02

1,55Е-01

1,87Е--01

Сапонит-Мg

о

о

о

1,60Е-02

2,35Е--01

4,70Е--01

Сумма, моли

о

о

о

5,28Е--02

5,23Е+ОО

3,lOE--01 3,29Е--01 2,78Е--01
1,17E+Ol 1,67E+Ol 1,62E+Ol 1,39E+Ol

Hydrogenг

8,03Е--06

3,30Е--05

1,06Е--04

3,35Е-04

8,63Е--04

1,95Е--04

4,07Е--04

1,08Е--03

1,53Е--03

2,45Е-03

СН4 ,г

8,28Е--01

8,38Е--01

8,56Е-01

9,1 lE--01

9,05Е-01

8,23Е--01

8,95Е--01

8,90Е--01

8,46Е--01

9,04Е-01

СО,г

5,73Е-16

9,18Е-14

6,77Е-12

1,60Е-10

2,40Е--09

1,44Е-08

2,95Е--06

1,72Е--05

9,19Е--05

1,08Е--04

СОъ г

2,02Е--07

8,98Е-06

2,24Е--04

1,74Е--03

1,02Е--02

6,51Е-04

3,21Е--02

4,40Е--02

1,05Е-01

5,26Е--02

Флогопит-Nа
Пирит

о

о

о

о

1,47E+Ol 7,58E+Ol 7,16E+Ol

1,03Е+ОО 9,71Е--01

Твердый раствор, мольная доля

1,38Е--02

9,24Е+ОО

Газовая фаза, мольная доля

Nitrogenг

1,72Е--01

1,62Е--01

1,43Е--01

8,69Е-02

8,35Е--02

1,76Е--01

7,23Е--02

6,25Е--02

4,05Е--02

2,08Е-02

NН 3 ,г

3,91Е--05

5,82Е--05

7,33Е--05

9,lOE--05

1,23Е--04

3,26Е-04

1,26Е--04

1,39Е-04

6,68Е-05

4,19Е--05

H2S, г
S0 2, г

7,98Е-10

1,68Е-08

2,15Е--07

1,96Е-06

1,28Е--05

1,40Е--05

2,22Е--04

1,79Е--03

6,80Е--03

1,99Е-02

1,llE-35

1,91Е-31

7,48Е-28

5,49Е-25

1,75Е-22

8,09Е-20

7,34Е-15

7,35Е-12

2,54Е--09

1,20Е-07

Сумма, моли

б,59Е+О1

7,0lE+Ol 7,91E+Ol

1,30Е+о2

1,36Е+О2

5,95E+Ol

1,47Е+О2

1,47Е+02

1,55Е+О2

1,41Е+О2

Водная фаза

8,94
-0,446
0,225

7,86
-0,423
0,276

7,533
-0,444
0,235

8,185
-0,721
0,223

7,234
-0,8
0,267

7,439
-1,007
0,305

7,385
-1,17
0,365

7,165
-1,309
0,427

Eh (V)
1

11,295
--0,474
0,324

10,239
-0,473
0,238

к

1,67Е--01

1,34Е--01

1,44Е-01

1,67Е--01

2,86Е-02

2,85Е--02

4,42Е--02

2,69Е-02

1,85Е-02

2,62Е--02

Na

1,61Е--01

1,06Е-01

8,28Е--02

1,12Е--01

2,18Е--01

2,33Е-01

3,09Е-01

3,97Е--01

4,29Е--01

4,44Е-01

рН

Содержание элементов в водной фазе, моль/кг воды

К/Nа

1,04Е+ОО

1,26Е+ОО

1,74Е+ОО

1,49Е+ОО

1,ЗlЕ-01

1,23Е-01

1,43Е-01

6,76Е-02 4,ЗlЕ-02

5,90Е-02

Са

1,04Е--05

l,OlE--05

2,62Е--05

3,75Е--04

2,ЗОЕ--04

2,09Е-06

1,18Е--06

7,74Е-07

1,ООЕ-06

6,63Е--07

Mg

5,21Е--07

1,14Е--06

1,38Е--05

1,93Е--04

1,49Е-04

3,78Е-07

3,13Е--06

4,35Е-06 4,06Е-06

6,46Е--06

~'с

1,73Е-08

4,29Е--08

2,17Е--07

1,66Е--06

1,80Е--06

2,56Е--07

3,25Е-06

4,19Е--06

5,41Е-06

1,87Е--06


Глава

132

1,ООЕ+ОО

11. Реконструкция химических

и геологических условий на ранней Земле

К/Nа

0,40

К/Nа

0,35
0,30
0,25
0,20

1,ООЕ-01

0,15
0,10
0,05
1,ООЕ-02'-+---~-~--~--~--~-~

2

о

3

4

0,00
0,9

6

5

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

%С

Рис.

1.

Зависимость К/Nа в водной фазе закрытой системы
«вода

-

вещество углистого хондрита»

Рис.

2.

от содер-

жания углерода в минеральном веществе,

25

Зависимость К/Nа в водной фазе закрытой системы
«вода

°С

0,1
W/R

-

вещество углистого хондрита» от отношения

масс воды и минерального вещества

(W/R), 25

°С

СН4

1,Е+ОО

1,Е-02

Н2

о;:

а
q
о;:

1,Е-04

(\]

:i::
..Q

а

::;;

1,Е-06

<5
1,Е-08

H2S

1,Е-10

Р, бар

Т С
0

н.п.

н.п.

н.п.

н.п.

н.п.

500

1000 1500 2000 2500

о

25

50

75

100

200

300

400

500

600

а)

Na

1,Е+ОО

•

=oj:::

1,Е-02
о

~

N

I

....

""

-:а

а

1,Е-04

::;;

<5
1,Е-06

1,Е-08

Р, бар

Т С

н.п.

н.п.

н.п.

н.п.

н.п.

500

1000 1500 2000 2500

о

25

50

75

100

200

300

0

400

500

600

б)
Рис.

3.

Состав закрытой системы «углистый хондрит

(N;-

мольная доля

1);

(6)-водной фазы

(m;-

-

вода» при

моляльность

1)

0-300

°С, давлении

1-1000

бар: (а)

-

газовой фазы


133

Э. М Галимов и др. Моделирование химического состава первичной водной фазы Земли

Таблица
Равновесный состав закрытой системы вода
0

Т,

С

-

0

вещество примитивной мантии при О-ЗОО С,

1-1000 бар

о

25

50

75

100

н.п.

н.п.

н.п.

н.п.

н.п.

200
500

300
1000

Апатит-ОН

1,85Е--01

1,85Е--01

1,85Е--01

1,85Е--01

1,85Е--01

1,85Е--01

1,85Е--01

Хлорит

1,44Е+О2

1,44Е+О2

1,44Е+О2

1,44Е+О2

1,01Е+О2

Клинохлор

8,lOE+OO

8,09Е+ОО

8,14Е+ОО

8,20Е+ОО

3,89E+Ol

9,41E+Ol
3,89E+Ol

8,91E+Ol
3,64E+Ol

Дафнит

Р,бар

6

Равновесная минерщ~ьная ассоциация, моли

1,80Е+О1

l,81E+Ol

l,81E+Ol

l,80E+Ol

о

4,55Е+ОО

о

Магнетит

о

о

о

о

2,99E+Ol

3,02E+Ol

3,78E+Ol

Флогопит

l,lOE+OO

1,02Е+ОО

9,76Е--01

9,67Е--01

1,04Е+ОО

1,20Е+ОО

1,21Е+ОО

о

о

о

о

о

о

l,41E+Ol

Рибекит

4,63Е+ОО

4,57Е+ОО

4,60Е+ОО

4,65Е+ОО

4,72Е+ОО

о

о

С фен

4,28Е+ОО

4,28Е+ОО

4,28Е+ОО

4,28Е+ОО

4,28Е+ОО

4,28Е+ОО

4,28Е+ОО

о

о

о

о

2,19E+Ol

2,99E+Ol

2,99E+Ol

3,15Е+ОО

3,15Е+ОО

3,15Е+ОО

3,15Е+ОО

8,47Е--01

о

о

8,20Е--01

Флогопит-Nа

Тремолит
Везувианит

Газовая фаза, мольная доля
Hydrogenг

7,78Е--01

7,74Е--01

7,75Е--01

7,78Е--01

9,75Е--01

9,61Е--01

СН4,Г

2,22Е--01

2,26Е--01

2,24Е-01

2,22Е--01

2,47Е-02

3,94Е--02

1,80Е--01

СО,г

1,66Е-31

1,89Е-27

4,41Е-24

3,04Е-21

4,46Е-20

5,56Е-21

7,12Е-17

СО2,Г

5,97Е-28

7,75Е-24

1,95Е-20

1,40Е-17

1,65Е-16

4,94Е-20

3,75Е-16

Nitrogenг

1,44Е-18

6,16Е-16

9,82Е-14

7,19Е-12

6,30Е-11

2,03Е-16

2,78Е-14

NНз, г

3,42Е--06

1,29Е--05

3,81Е--05

9,28Е--05

1,29Е--04

3,84Е-06

7,03Е--06

г

8,03Е--09

5,90Е--08

2,83Е--07

1,03Е-06

3,llE--06

1,79Е--07

2,27Е--06

SОъ г

1,19Е-49

5,06Е-44

2,41Е-39

2,22Е-35

2,86Е-32

8,07Е~33

8,76Е-27

Сумма, моли

3,71Е+ОО

3,66Е+ОО

3,69Е+ОО

3,74Е+ОО

3,37E+Ol

l,93E+Ol

3,20Е+ОО

14,534
--0,785
0,787

13,561
-0,799
0,789

11,756
-0,87
0,639

10,583
-1,119
0,804

9,589
-1,256
0,292

6,78Е-03

6,07Е-03

H2S,

Водный раствор
рН

Eh(V)
I

12,831
-0,819
0,763

12,259
-0,843
0,728

Содержание элементов в водной фазе, моль/кг воды
к

1,31Е-02

Na

7,72Е--01

7,79Е--01

7,75Е--01

7,69Е--01

7,02Е--01

1,20Е+ОО

4,35Е-01

К/Nа

1,70Е-02

2,32Е-02

2,65Е-02

2,74Е-02

2,22Е-02

5,65Е-03

1,40Е-02

Са

7,54Е--07

1,57Е-06

2,56Е--06

3,88Е--06

4,50Е--06

5,97Е--06

9,56Е-06

Mg
Fe

1,36Е-10

5,21Е-10

1,69Е--09

4,81Е--09

l,OIE--08

1,67Е--07

1,30Е-06

5,72Е-08

1,43Е--07

3,46Е--07

7,78Е--07

1,02Е-06

1,29Е--05

6,95Е--06

При

1,81Е--02

2,06Е--02

2,llE--02

1,56Е--02

°С показана зависимость отношения

Результаты моделирования закрытой системы

К/Nа от содержания углерода в составе мине­

«углистый хондрит-вода» показывают возмож­

рального вещества: повышение концентрации С

ность формирования азотно-метаново-углекислой

до

1%

25

приводит к повышению К/Nа отношения

атмосферы и водной фазы с К/Nа::::;

1

(табл.

5,

от п· 10-2 до 0,4 (рис. 1). Следовательно, концен­

рис. За, б). При реакции воды и вещества первичной

трация в системе <<Порода-вода» такого летучего

мантии в закрытой системе возникает газовая фа­

компонента, как углерод, важна для формирова­

за с высокими мольными долями водорода и ме­

ния состава водной фазы. Для рассматриваемой

тана, но низким содержанием азота и углекисло­

нами

ты, и водная фаза с чрезвычайно высоким рН и

вода»

воды

системы

«вещество

изменение

углистых

отношения

масс

реагирующих

(R) также не приводит к по­
вышению К/Nа более 0,38, когда система закрыта
относительно газов атмосферы (рис. 2).
(W)

и породы

хондритов­

низким

Eh,

а также отношением К/Nа

< 1 (табл. 6,

рис. 4а, б). Причина этого в низком содержании
углерода

(0,01 %)

и азота

составе примитивной

(0,0002 %) в
мантии (табл. 4).

принятом


Глава

134

11. Реконструкция химических и геологических условий на ранней Земле

1,Е+ОО

~
СН4

1,Е-04

о;;

<О

~

~

~

~

н.п.

н.п.

н.п.

н.п.

н.п.

500

1000

о

25

50

75

100

200

300

•

NНз

1,Е-08

а
q
о;;

Н2

H2S
1,Е-12

:с

.IJ
i::;

о

1,Е-16

u

1,Е-20

N2

:::;

1,Е-24

СО2

1,Е-28

Р, бар

Т С

0

а)
1,Е+О2

о
N

Na

1,Е+ОО

•

•

•

•

1,Е-02

о

с

с

0--

·----.
к

~

<>

I
'--

""

Jj

а

1,Е-04

:::;

u

1,Е-06

1,Е-08

?4

Са~
Fe
Mg

1,Е-10

Р, бар

н.п.

н.п.

н.п.

н.п.

н.п.

500

1000

о

25

50

75

100

200

300

Т С
0

б)
Рис.

4.

Состав (а) газовой фазы
примитивная мантия при

(Ni 0-300

мольная доля
°С, давлении

i) и (б) водной
1-1000 бар

фаза

(mi -

моляльность

i)

закрытой системы вода

-

Учитывая важность углерода и одновремен­

ность формирования первичных водной и газовой

100 К/Nа

оболочек, мы рассмотрели систему «вещество уг­

10

листых хондритов-вода» как открытую к СО 2 .
Оказалось, что увеличение парциального давле­
ния углекислоты приводит к повышению отноше­

0,1

ния К1N а в водной фазе до п · 1О при Р С0 2 равном

10- бар и снижению К/Nа при последующем уве­
личении Р СО 2 (рис. 5). Следовательно, возникно­

0,01

вение на поверхности Земли водной фазы с суще­

0,001

5

ственным преобладанием калия (К/N а ::=: п) воз­

·························································································0

1

!

0,00014--~-~-~-~~-~~~~-~~

-10 -9

можно при реакции вещества углистых хондритов

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

в открытой системе с парциальным давлением уг­

лекислоты порядка 10-5-о-10-7 бар.

Рис.

Однако информация только о парциальном
давлении

углекислоты

не

позволяет

уточнить

влияние окислительно-восстановительных уело-

5.

-1
lg

о
Р СО 2

Зависимость К/Nа в водной фазе открытой по угле­
кислоте системы «углистый хондрит

парциального давления СО 2 ,

25

°С.

1-

ное значение К/Nа в Мировом океане

вода» от

современ­


Э. М Галимов и др. Моделирование химическоm состава первичной водной фазьi Земли

вий на формирование К/Nа отношения в системе

щество примитивной мантии

«вода-вещество углистых хондритов». Для вос­

формируются

полнения этого

(25

недостатка мы выполнили моде­

в

вода», которые

-

условиях земной

°С, общее давление

1 бар).

135

поверхности

На рис.

6

показана

лирование зависимости отношения К/Nа в водной

проекция трехмерных диаграмм К/Nа (К,

фазе этой системы от парциальных давлений двух

Са,

газов: СО 2 и СН 4 . Отметим, что для описания сте­

Р(С~)-Р(СО 2 ), из которых видны концентрации

пени

восстановленности

Р(СО 2 )-Р(СН 4 )

и

атмосферы

Р(СО 2 )-Р(Н 2 )

N,

Na, Mg,

Р, рН, Eh)-P(C~)-P(C0 2 ) на плоскость

параметры

основных компонентов водной фазы как функция

равноценны.

парциальных давлений углекислоты и метана для

Соотношение между ними вытекает из соотноше­

системы «вещество углистоm хондрита

ния между парциальными давлениями кислоро­

При Р(СО2) = 10-7± 1 бар, Р(С~) = 10--6±1 бар отно­

да и водорода,

шение К/Nа изменяется в пределах

а также углекислоты, кислорода

концентрация К составляет

нии давления в барах и температуре

25 °С уравнения
0,5(-83,1 - lg Р(О2));
-143,3 + lg Р(СО2)- 2lg Р(О2).

lg Р(СН4) =

3.

lg

вода».

4-14, при этом
0,1-0,3 т, концентрация
Na 0,05-0,1 т, концентрация Mg::; 0,01 т, концен­
трация Са 0,05-0, 1 т, концентрация ~++NНз)
порядка 2,10-3 т, концентрация P(V)::; 5х10-9 т,
рН = 8-9, Eh = -450 ± 50 мВ (табл. 7).

и метана в равновесии с водной фазой. При выраже­
связи имеют вид:

-

Р(Н 2 ) =

Как и следует из общих свойств систем «по­

Взаимодействие воды

рода-вода» (Крайнов и др.,

2004),

величина от­

с минеральным веществом

ношения К/Nа водной фазы зависит от отношения

разных составов

масс

минерального

вещества

и

воды

открытой к газам атмосферы (рис.
Обратимся к рассмотрению результатов мо­

-

в

системе,

Видно, что

преобладание калия над натрием в водной фазе

делирования солевого состава водной фазы сис­
тем «вещество углистого хондрита

7).

возможно при более

1О %

содержании воды в со­

ставе системы «углистый хондрит

вода», «ве-

lgPCH 4

вода».

-

К/Nа

-8
• 12,00-14,00
;; 10,00-12,00
-6

• 8,00-10,00
• 6,00-8,00

-4

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

о

4,00-6,00

!а

2,00-4,00

D

0,00-2,00

lgPC02
lgPCH4

к

-8

• 0,25-0,30
• 0,20-0,25
-6

• 0,15-0,20
;;; 0,10-0,15
0 0,05-0,10

-4

-9

-8

-7

-6

-5

-4

D

0,00-0,05

-3

lgPC02
Рис.

6. Проекция трехмерной диаграммы К/Nа, К - Р(СН4) - Р(СО2) на плоскость Р(СО2)-Р(СН4) для системы «углистый
хондрит - вода», открытой относительно СН4 и СО 2 , 25 °С


Глава

136

11. Реконструкция химическ~-1х и геологических условий на ранней Земле
СН4

lgP

-8

Na

f

• 0,150-0,200
• 0,100-0,150

-6

~

0,050-0,100

о

0,000-0,050

-4
-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

lgPC0 2

lgPCH 4

Mg

-8

• 0,05-0,06
• 0,04-0,05
• 0,03-0,04

-6

111 0,02-0,03

-4
-9

-8

-5

-6

-7

-4

о

0,01-0,02

о

0,00-0,01

-3

lgPC0 2

Са

• 0,15-0,20
D 0,10-0,15

-6

~

0,05-0,10

о

0,00-0,05

1--~~~-+-~~~---t~~~~-t-~~~--+~~~~+-~~~-+-4

-9

-8

-7

-6
lgP

-4

-5

-3

СО 2

N(lll)
• 0,008-0,010

• 0,006-0,008
111 0,004-0,006
Q]

-4

-9

-8

-7

-6

-5

-4

0,002-0,004

D 0,000-0,002

-3

lgPC0 2
Рис.

6

(Продолжение). Проекция трехмерной диаграммы
Р(СН4) для системы «углистый хондрит

-

Na, Mg,

Са,

N(lll) -

Р(СН4)

-

вода», открытой относительно СН4 и СО2,

Р(СО2) на плоскость Р(СО2)­

25

°С


Э. М Галимов и др. Моделирование химического состава первичной водной фазы Земли

137

lgPCH 4
р

-8

В 2,5Е-08-3,ОЕ-08
В 2,ОЕ-08-2,5Е-08
В 1,5Е-08-2,ОЕ-08

-6

!!!! 1,ОЕ-08-1,5Е-08
!ii! 5,ОЕ-09-1,ОЕ-08
о О,ОЕ+ОО-5,ОЕ-09

-4
-8

-9

-7

-4

-5

-6

-3

lgPC02
lgPCH 4
,,-----,г-----,-8

рН

• 11-12
• 10-11

-----1------ -6

111 9-10

rn 8-9
о

7-8

~~~~~--1------+-4

-9

-7

-8

-4

-5

-6

-3

lgPC02
lgPCH 4

Eh

-8

•-0,3-0,2
111-0,4-0,3

-6
1::1-0,5-0,4
0-0,6-0,5

-4
-8

-9

-7

-4

-5

-6

-3

lgPC02
Рис.

6

(Продолжение). Проекция трехмерной диаграммы Р, рН,
системы «углистый хондрит

-

Р(СН 4 ) -

Eh -

вода», открытой относительно СН 4 и СО 2 ,

Р(СО2) на плоскость Р(СО2)-Р(СН4) для

25

°С

60

50
40
Рис.

7.

Зависимость

K/Na

в водной фазе системы «вода

-

вещество углистого хондрита», открытой по углеки­
слоте

и

метану,

метеорита,

25

от

содержания

воды

в

веществе

z"' 30

~

20

°С

10
о+---.~-<"~~~~~~~~~~~~~~

7

8

9

10

11

12

13

Н 2 0, вес.%

14

15

16

17


Глава

138

11. Реконструкция химических и геологических условнй на ранней Земле
Таблица

Окончание таблицы 7

7

Состав водной фазы и равновесная минеральная ассоциация
С1-fтемы «вода-вещество» углистого хондрита при 25°С
(сечение вдоль линии lg P(C02}--lg Р(СН4), рис. 5)

lgP(C~)

-4

-6

-8

Парциальные давления метана и углекислоты

lgP(C02)

-8,ООЕ+оО

-7,ООЕ+оО

-6,ООЕ+ОО

нs-

2,28Е--06

2,15Е--07

3,04Е--08

soi-

1,20Е-10

1,89Е--09

6,07Е--08

H2Si042-

2,81Е--08

2,12Е--09

1,99Е-10

HзSi04-

2,19Е--05

9,90Е--06

4,12Е--06

Si02

5,76Е--06

1,76Е--05

3,36Е--05

lgP(CH4)
lgP(C02)

-4
-8,ООЕ+оО

-6
-7,ООЕ+оО

-8
-6,ООЕ+ОО

Водная фаза (суммарные концентрации элементов), т
К/Nа
к

2,54Е+ОО
1,81Е--01

Na
Mg

1,ЗlE+Ol
2,39Е--01

2,02Е+ОО

4,66Е--02

7,lЗЕ--02

1,8ЗЕ--02

2,ЗlЕ--02

1,85Е--06

4,90Е--05

3,17Е+О2

Са

1,33Е--02

7,ЗОЕ--02

1,63Е--01

N(III)

4,9ЗЕ--03

8,34Е--04

2,13Е--04

р

2,33Е-13

3,56Е-13

1,08Е-12

CI

2,79Е--01

4,04Е--01

3,97Е--01

рН

Eh (V)

10,028
--0,454

9,188
-0,382

8,52
--0,32

Преобладающие формы элементов в водном растворе, т

Н2О

9,90Е--01

со/нсоз-

СО2

Парциальные давления метана и углекислоты

Равновесная минеральная ассоциация, моли
Антигорит

6,78Е+ОО

6,70Е+ОО

6,21Е+о0

Апатит

1,03Е+ОО

1,03Е+ОО

1,ОЗЕ+ОО

Кальцит

l,81E+Ol

Клин о хлор

l,36E+Ol

1,79E+Ol
l,42E+Ol

l,70E+Ol
l,57E+Ol

Дафнит

З,05Е+ОО

2,43Е+ОО

о

Гетит

О,ООЕ+ОО

2,10Е+О2

2,22Е+О2

Магнетит

6,93E+Ol

о

о

Пирит

5,16E+Ol

5,16E+Ol

Рибеккит

5,16E+Ol
l,20E+ol

l,22E+Ol

l,22E+Ol

Сапонит-К

О,ООЕ+ОО

5,43Е--02

5,22Е--01

о

о

4,22Е--01

8,76Е--01

8,76Е--01

8,76Е--01

9,87Е-01

9,89Е--01

3,33Е--06

8,28Е--07

4,04Е--07

2,35Е--06

3,52Е--06

7,64Е--06

3,43Е-10

3,44Е--09

3,43Е--08

Са +

1,30Е--02

7,14Е--02

1,60Е--01

саон+

8,20Е--06

5,87Е--06

2,75Е--06

CaCI+

2,02Е--04

1,38Е--03

2,89Е--03

СаС1 2

3,12Е--05

2,83Е--04

5,70Е--04

СаСО 3

6,76Е--06

6,78Е--06

6,77Е--06

СаНСО 3 +

9,81Е--08

7,03Е--07

3,29Е--06

лирование

минеральными веществами в системах, открытых по

2

Сапонит-Са
Сфен

Поскольку первичное минеральное вещество

Земли представлено, помимо углистого хондрита,
другими веществами (примитивная мантия, гор­

ные породы земной коры), было выполнено моде­
взаимодействия

воды

с

указанными

сг

2,77Е--01

4,0lE--01

З,93Е--01

Fe2+

1,61Е--09

4,02Е--08

3,79Е--07

к+

1,80Е--01

2,39Е--01

4,64Е--02

углекислоте (парциальные давления 10-3-10- бар)
8
и метану (парциальные давления 10-2-1 о- бар).

кон

4,55Е--06

8,24Е--07

З,40Е--08

Для сравнения разных составов минерального

KCI
KS0 4-

4,06Е--04

7,0lE--04

1,30Е--04

2,96Е-11

4,95Е-10

2,89Е--09

ксоз-

2,12Е--06

5,72Е-07

5,12Е--08

КНСОз

9,03Е--08

1,64Е--07

6,75Е--08

Mg2+

1,24Е--06

2,97Е--05

4,lЗЕ--04

MgCl+

5,26Е--07

1,64Е--05

2,16Е--04

MgCl2
MgC0 3
MgHC0 3+

6,93Е--08

2,87Е--06

3,63Е--05

3,52Е-10

1,61Е-09

1,0lE--08

7,56Е-12

2,47Е-10

7,27Е--09

NH4+

9,74Е-04

5,37Е-04

1,91Е--04

тигаются при разных парциальных давлениях СО 2

NH3

3,95Е-03

2,97Е-04

2,22Е--05

и С~. В системе «углистый хондрит

N1
Na+

6,57Е--04

6,60Е--04

6,58Е-04

ношение К/Nа = 13 при Р(СО2) = 10-7 бар, Р(СН4 ) =

6,96Е--02

1,77Е-02

2,24Е--02

=

NaOH

8,58Е-07

3,03Е--08

8,16Е-09

тия

NaCl
NaS04-

1,64Е--ОЗ

5,51Е--04

6,66Е-04

1,57Е-11

5,14Е-11

1,95Е-09

NaC0 3-

1,18Е--06

6,21Е--08

3,62Е-08

NаНСОз

4,38Е--08

1,55Е--08

4,17Е-08

NaH 3 Si04

4,12Е-07

4,41Е-08

2,28Е-08

9

вещества

систем

<<Порода-вода-газ» разрезы

диаграмм вдоль линии Р(СО 2 ) = 10-9 ---+ 10-2 бар,
Р(СН4) = 10-6 бар для исследованных систем при­
ведены в табл.
табл.

9

8

(углистый хондрит

(примитивная мантия), табл.

новная порода) и табл.

11

10

Orguell),

в

(ультраос­

(основная порода).

Оказалось, что максимальные значения К/Nа
в водной фазе разных исследованных систем дос­

--{)

10

-

вода» от­

бар (рис. 8а), в системе «примитивная ман-

- вода» отношение К/Nа = 62 при Р(СО 2 ) =
7
= 10- бар, Р(СН4) = 1О-4бар (рис. 86).
Из сравнения результатов табл. 8 (углистый
хондрит) и табл. 9 (примитивная мантия) видно
сходство рН и Eh водных фаз, равновесных с по­
родами этих составов, и формирование водного


139

Э. М Галимов и др. Моделирование химического состава первичной водной фазы Земли

Таблица

8

Равновесный состав системы «вода-вещество углистого хондрита», открытой по С0 2 и СН4(10-6 бар), при 25°С

lgP(C02)

--8

-9

-4

-5

--6

-7

-3

-2
о

Равновесная минеральная ассоциация, моли
о

о

о

о

о

1,84E+Ol

о

Антигорит

6,20Е+ОО

6,24Е+ОО

6,70Е+ОО

6,54Е+ОО

6,21Е+ОО

6,14Е+ОО

2,69Е+ОО

о

Апатит-ОН

1,03Е+ОО

1,03Е+ОО

1,03Е+ОО

1,03Е+о0

1,03Е+ОО

1,03Е+ОО

1,03Е+ОО

1,02Е+ОО

Кальцит

1,30E+Ol

1,36E+Ol

l,78E+Ol

1,76E+Ol

1,71E+Ol

о

о

о

о

о

о

о

о

о

о

1,24Е+ОО

1,61E+Ol

Анкерит

Селадонит-Fе

1,67E+Ol

1,67E+Ol

1,42E+Ol

1,47E+Ol

1,57E+Ol

1,55E+Ol

4,25Е+ОО

Дафнит

о

о

2,42Е+ОО

1,62Е+ОО

о

о

о

о

Доломит

о

о

о

о

о

о

1,91E+Ol

l,92E+Ol

2,24Е+О2

2,23Е+О2

2,10Е+О2

2,14Е+О2

2,22Е+О2

2,04Е+О2

о

о

о

о

о

о

о

о

о

2,94Е+02

Клинохлор

Гетит
Магнезит
Магнетит

Пирит
Кварц
Рибекит
Ругил

о

о

о

о

о

о

о

о

5,16E+Ol

5,16E+Ol

5,16E+Ol

5,16E+Ol

5,16E+Ol

5,16E+Ol

5,16E+Ol

5,16E+Ol
3,25Е+О2

о

о

о

о

о

о

о

l,19E+Ol

l,21E+Ol

l,22E+Ol

1,22E+OI

1,22E+Ol

1,21E+OI

о

о

о

о

о

о

о

8,76Е-01

8,76Е-01

8,76Е-01

о

о

о

о

о

о

2,83Е+О2

2,82Е+О2

С фен

8,76Е-01

8,76Е-01

8,76Е-01

8,76Е-01

8,76Е-01

о

о

о

Тремолит

2,58Е+ОО

2,18Е+ОО

о

о

о

о

о

о

Сидерит

Твердый раствор, мольная доля
Сапонит-Nа

о

о

6,81Е-05

3,33Е-04

1,58Е-03

5,78Е-03

9,08Е-01

о

Сапонит-К

о

о

9,82Е-01

9,03Е-01

5,32Е-01

4,45Е-01

4,93Е-02

о

Сапонит-Са

о

о

1,71Е-02

9,08Е-02

4,0IE-01

2,07Е-01

7,73Е-04

о

Сапонит-Мg

о

о

2,23Е-05

8,88Е-04

2,98Е-02

2,74Е-01

4,05Е-02

о

Сумма (моли)

о

о

5,82Е-02

3,57Е-01

9,55Е-01

1,14Е+ОО

l,24E+OI

о

1,85Е-07

Газовая фаза, мольная доля

Hydгogenг

1,06Е-05

5,96Е-06

3,35Е-06

1,89Е-06

1,06Е-06

5,97Е-07

3,36Е-07

СН4,Г

1,ООЕ-06

1,ООЕ-06

1,ООЕ-06

1,ООЕ-06

1,ООЕ-06

1,ООЕ-06

1,ООЕ-06

1,ООЕ-06

СО,г

3,30Е-18

1,86Е-17

1,04Е-16

5,86Е-16

3,30Е-15

1,85Е-14

1,04Е-13

5,97Е-13

СО2, г

1,ООЕ-09

1,ООЕ-08

1,ООЕ-07

1,ООЕ-06

1,ООЕ-05

1,ООЕ-04

1,ООЕ-03

1,ООЕ-02

Nitrogenг

1,ООЕ+ОО

1,ООЕ+ОО

1,ООЕ+ОО

1,ООЕ+ОО

1,ООЕ+ОО

1,ООЕ+ОО

9,99Е-01

9,90Е-01

NНз, г

2,63Е-05

1,llE-05

4,68Е-06

1,97Е-06

8,33Е-07

3,51Е-07

1,49Е-07

6,04Е-08

г

1,15Е-08

1,ООЕ-08

8,66Е-09

7,51Е-09

6,51Е-09

5,64Е-09

1,23Е-08

2,82Е-08

г

3,95Е-30

1,92Е-29

9,37Е-29

4,57Е-28

2,23Е-27

1,09Е-26

1,33Е-25

1,68Е-24

1,14Е+О2

1,14Е+О2

1,14Е+О2

1,14Е+О2

1,13Е+О2

l,13E+02

1,14Е+О2

l,15E+02

H2S,
S02,

Сумма (моли)

Водный раствор
рН

10,922

9,781

9,186

8,577

8,033

7,494

8,415

9,227

Eh(V)

-0,499

-0,424

-0,382

-0,338

-0,299

-0,259

-0,306

-0,347

1

0,398

0,442

0,473

0,519

0,544

0,468

0,203

1,537

Содержание элементов в водной фазе, моль/кг воды
к

2,58Е-01

2,59Е-01

2,38Е-01

1,28Е-01

5,20Е-02

4,90Е-02

4,99Е-03

2,47Е-03

Na

1,38Е-01

4,72Е-02

1,83Е-02

2,27Е-02

2,60Е-02

5,15Е-02

2,ООЕ-01

2,09Е+ОО

К/Nа

1,88Е+ОО

5,47Е+ОО

1,ЗОЕ+Оl

5,65Е+ОО

2,ООЕ+ОО

9,SlE-01

2,49Е-02

1,18Е-03

Mg

5,84Е-08

5,16Е-06

4,94Е-05

6,13Е-04

5,66Е-03

5,39Е-02

6,82Е-04

1,27Е-05

Са

2,41Е-03

4,68Е-02

7,36Е-02

1,24Е-01

1,53Е-01

8,33Е-02

2,91Е-05

1,16Е-06

4,89Е-09

5,15Е-08

1,85Е-07

9,70Е-07

6,14Е-06

4,62Е-05

1,31Е-07

5,19Е-08

Fe

раствора с высоким отношением К/Nа
систем «ультраосновная порода

и «основная порода

-

-

> 1.

вода» (табл.

вода» (табл.

11)

Для

1О)

равновес-

ный водный раствор имеет отношение К/Nа

(рис. 9а), несмотря на щелочной (рис.
становительный характер (рис. 9в).

96)

<1

и вос­


Глава

140

11. Реконструкция химических и

геологических условий на ранней Земле

Таблица

9

Равновесный состав системы вода-вещество примитивной мантии открытой по С0 2 и СН 4 (10-s бар) при 25°С

-lgP(C0

2)

-9

-8

-7

о

о

о

о

о

l,35E+Ol

l,35E+Ol

l,52E+Ol

l,52E+Ol

l,48E+Ol

-3

-2

6,19E+Ol

о

о

l,29E+Ol

7,88Е+ОО

о
1,72Е--01

-4

-5

-6

Равновесная минеральная ассоциация, моли

Анкерит
Антигорит
Апатит-ОН

1,85Е--01

1,85Е--01

1,85Е--01

1,85Е--01

1,85Е--01

1,85Е--01

1,85Е--01

Кальцит

4,31E+Ol

4,52E+Ol

5,99E+Ol

5,98E+Ol

5,92E+Ol

о

о

о

о

о

о

о

о

о

о

1,31Е+ОО

4,34E+Ol

4,34E+Ol

3,42E+Ol

3,43E+Ol

3,54E+Ol

3,87E+Ol

2,53E+Ol

4,34E+Ol

о

о

9,21Е+ОО

9,03Е+ОО

7,35Е+ОО

о

о

о

о

6,40E+Ol

6,42E+Ol

Селадонит-Fе

Клинохлор

Дафнит

о

о

о

о

о

5,68E+Ol

5,67E+Ol

l,07E+Ol

l,16E+Ol

2,00E+Ol

о

о

о

Магнезит

о

о

о

о

о

о

о

6,31Е+О2

Флогопит

1,24Е+ОО

о

о

о

о

о

о

о

Пирит

3,12Е-01

3,12Е--01

3,12Е--01

3,12Е--01

3,12Е--01

3,12Е--01

3,12Е--01

2,97Е--01

Кварц

о

о

о

о

о

о

о

6,20Е+О2

Доломит
Гетит

Рибекит

l,lЗE+Ol

l,13E+Ol

l,lЗE+Ol

l,lЗE+Ol

l,13E+Ol

l,02E+Ol

о

о

Рутил

о

о

о

о

о

4,28Е+ОО

4,28Е+ОО

4,28Е+ОО

Сидерит

о

о

о

о

о

о

1,13Е+О2

1,12Е+О2

С фен

4,28Е+ОО

4,28Е+ОО

4,28Е+ОО

4,28Е+ОО

4,28Е+ОО

о

о

о

Тремолит

8,41Е+ОО

7,35Е+ОО

о

о

о

о

о

о

Твердый раствор, мольная доля
Сапонит-Nа

о

8,lOE--06

6,56Е--05

3,22Е--04

1,58Е-03

1,87Е--01

5,98Е--01

о

Сапонит-К

о

1,ООЕ+ОО

9,83Е--01

9,07Е--01

4,96Е--01

1,23Е--01

3,54Е-02

о

Сапонит-Са

о

2,ООЕ--04

1,63Е--02

8,70Е--02

4,64Е--01

4,18Е--01

9,69Е-03

о

Сапонит-Мg

о

4,20Е--08

2,llE--05

8,44Е--04

3,37Е--02

2,70Е--01

3,56Е--01

о

Сумма, моли

о

6,22Е--01

6,42Е--01

7,08Е--01

1,32Е+ОО

5,36Е+ОО

l,87E+Ol

о

Hydrogenг

1,07Е--05

5,99Е--06

3,37Е--06

1,89Е-06

о

о

о

1,85Е-07

С~,г

1,ООЕ-06

1,ООЕ--06

1,ООЕ--06

1,ООЕ-06

о

о

о

1,ООЕ-06

СО,г

3,28Е-18

1,85Е-17

1,04Е-16

5,84Е-16

о

о

о

5,98Е-13

СО2,Г

1,ООЕ-09

1,ООЕ-08

1,ООЕ--07

1,ООЕ-06

о

о

о

1,ООЕ--02

Nitrogenг

1,ООЕ+ОО

1,ООЕ+ОО

1,ООЕ+ОО

1,ООЕ+ОО

о

о

о

9,90Е--01

NН 3 ,г

2,65Е--05

1,12Е--05

4,71Е--06

1,99Е-06

о

о

о

6,03Е-08

г

1,17Е--08

l,OlE--08

8,76Е--09

7,59Е--09

о

о

о

2,81Е-08

SОъ г

4,0lE-30

1,96Е-29

9,52Е-29

4,64Е-28

о

о

о

1,68Е-24

Сумма, моли

5,58Е-03

6,07Е-03

6,09Е--03

3,27Е-03

о

о

о

4,57Е--04

Газовая фаза, мольная доля

H2S,

Водный раствор
рН

11,935

11,041

9,597

8,898

8,298

8,341

8,631

9,263

Eh(V)

-0,559

-0,499

-0,406

-0,357

-0,314

-0,309

-0,319

-0,349

0,098

0,083

0,107

0,118

0,123

0,042

0,027

1,643

1

Содержание элементов в водной фазе, моль/кг воды
к

8,63Е-02

8,07Е-02

7,97Е-02

5,29Е-02

2,14Е-02

2,85Е-03

6,54Е--04

2,36Е-03

Na

1,15Е--02

2,17Е--03

6,lЗЕ-03

9,36Е-03

1,13Е-02

3,32Е-02

2,55Е-02

2,30Е+ОО

К/Nа

7,52Е+ОО

3,72E+Ol

1,ЗОЕ+Оl

5,65Е+ОО

1,89Е+ОО

8,59Е-02

2,56Е-02

1,02Е-03

Mg

7,19Е-10

8,92Е--09

3,99Е--06

7,56Е--05

8,92Е--04

4,63Е-04

1,14Е-04

1,21Е-05

Са

2,25Е-05

9,40Е--05

7,18Е--03

1,85Е--02

2,94Е-02

1,75Е-03

8,48Е-06

1,lЗЕ--06

Fe

7,96Е-10

9,25Е-10

2,17Е--08

1,44Е--07

1,lЗЕ--06

2,72Е--07

6,47Е-08

5,18Е-08


Э. М Гш1Имов и др. Моделирование химического состава первичной водной фазы Земли

lg

РСН 4

141

14,0

-8

К/Nа

12,0

• 12-15
-6

11 6-9

rn 3-6
о

-9

-7

-8

10,0

• 9-12

8,0

ro

z

~

6,0

0-3

4,0

-4
-5

-6

2,0

РСО 2

lg

а)

0,0
lg

ch

РСН 4

um

pm

bas

а)

-8

12
К/Nа

• 60-70
• 50-60

11

[]] 40-50
111 30-40

I

Q.

§ 20-30

-9

-8

-7

о

10-20

о

0-10

10

-6
9

РСО 2

lg

ch

6)

um

pm

bas

6)
Рис.

8.

Проекция

(водная

сечения

фаза)-

трехмерной

диаграммы

Р(СО2)-Р(СН4)

Р(СО 2 )-Р(СН4) для систем: (а)
рит

-

вода»; (б)

-

-

на

К/Nа

плоскость

о

«углистый хонд­

«примитивная мантия

-

-0,1

вода»,

25°С

-0,2

>
~ -0,3
4.

Причиныобразования

ш

-0,4

водной фазы с отношением

К/Nа

-0,5

>1

-0,6
Величины отношения К/Nа в водной фазе

ch

и возможностью образования К-содержащих (мик­

роклин, флогопит, Fе-селадонит, К-сапонит) и
Nа-содержащих (рибекит, Nа--сапонит) минераль­

ных фаз. Из табл.

4

bas

в)

системы «порода-вода>> определяется исходным
соотношением между этими элементами в породе

um

pm

Рис.

9.

Свойства водной фазы систем «вода
хондрит

(ch),

примитивная мантия

новная порода

Р(СО2)

(um),

=10-7 бар

основная порода

и Р(СН4)

отношение К/Nа; (б)

-

(pm),

= 10-0

рН; (в)

-

углистый
ультраос­

(bas)»

при

бар, 25 °С: (а) -

Eh

видно, что мольные отноше­

ния К!N а в исходном составе рассматриваемых

(рибекит), для образования которого благоприятна

минеральных веществ всегда в пользу натрия. Для

щелочная среда (гидроксил-содержащий силикат)

преобладания калия над натрием в водном рас­

и низкие значения

Eh (содержит Fe п ) 1.

творе необходимо образование фаз, которые вы­
ведут натрий из водного раствора.
Согласно

(табл.

8, 9), такой

результатам

моделирования

фазой оказался минерал

NаFеп2Fешз[Si4О11Ь(ОН)2

Отметим, что при моделировании список рассматриваемых
минеральных фаз включал только те, для которых были из­
вестны термодинамические характеристики. Возможно, что
при рассматриваемых параметрах существуют и другие (не
принятые во внимание) минералы, препятствующие или спо­

собствующие накоплению натрия в водном растворе.


Глава

142

11. Реконструкция химических

и геологических условий на ранней Земле

Таблица

10

Равновесный состав системы вода -ультраосновная порода открытой по СО2 и СН4 (10--<> бар) при 25°С

"lgP(C02)

-9

-8

-6

-7

-5

-4

-3

Равновесная минершrьная ассоциация, моли

о

о

о

о

о

1,77E+Ol

1,64E+Ol

Апатит-ОН

7,04Е--01

7,04Е--01

7,04Е--01

7,04Е-01

7,04Е--01

7,04Е--01

7,04Е--01

Хлорит

1,50Е+О2

1,50Е+О2

1,50Е+О2

1,50Е+О2

1,50Е+О2

о

о

Клинохлор

1,37E+Ol

1,37E+Ol

1,37E+Ol

1,37E+Ol

1,37E+Ol

1,37E+Ol

1,15E+Ol

Доломит

1,16E+Ol

l,16E+Ol

1,16E+Ol

1,16E+Ol

1,16E+Ol

l,16E+Ol

1,16E+Ol

Гетит

1,16Е+О2

1,16Е+О2

1,16Е+02

1,16Е+О2

1,16Е+О2

1,16Е+О2

о

Магнезит

1,39Е+О2

1,39Е+О2

1,39Е+О2

1,39Е+О2

1,39Е+О2

1,92Е+О2

2,23Е+О2

Пирит

1,48Е--01

1,52Е-01

1,53Е--01

1,54Е--01

1,54Е--01

1,55Е--01

1,56Е--01

Ругил

1,88Е+ОО

1,88Е+ОО

1,88Е+ОО

1,88Е+ОО

1,88Е+ОО

1,88Е+ОО

1,88Е+ОО

о

о

о

о

о

о

1,16Е+О2

Антигорит

Сидерит

Твердый раствор, мольная доля
Сапонит-Nа

о

о

о

о

о

о

6,45Е--01

Сапонит-К

о

о

о

о

о

о

3,25Е--01

Сапонит-Са

о

о

о

о

о

о

5,63Е--04

Сапонит-Мg

о

о

о

о

о

о

3,04Е--02

Сумма, моли

о

о

о

о

о

о

2,21Е+ОО

Водный раствор
рН

12,632

12,173

11,686

11,188

10,683

10,158

9,105

Eh(V)

-0,6

--0,566

-0,529

-0,493

-0,455

-0,417

-0,347

1

0,294

0,297

0,298

0,298

0,297

0,281

0,039

Содержание элементов в водной фазе, моль/кг воды
8,88Е--02

к

8,88Е--02

8,88Е--02

8,88Е--02

8,88Е--02

8,40Е--02

2,63Е--03

2,12Е--01

2,0lE-01

3,53Е--02

Na

2,12Е--01

2,12Е--01

2,12Е--01

2,12Е--01

К/Nа

4,19Е-01

4,19Е-01

4,19Е-01

4,19Е-01

4,19Е-01

4,19Е-01

7,45Е-02

Mg

4,59Е--05

1,58Е--05

1,16Е--05

1,08Е--05

1,07Е--05

1,09Е--05

2,51Е--05

Са

1,05Е--06

1,0lE--06

1,ООЕ--06

1,ООЕ--06

1,ООЕ--06

1,02Е--06

1,72Е--06

Fe

2,87Е--09

8,65Е-10

4,17Е-10

9,61Е-10

5,82Е--09

4,19Е--08

5,14Е--08

Высокая щелочность, низкое значение
(табл.

1О, 11)

и образование рибекита (табл.

Eh
11) в

(рибекит) необходимо

Fe,

то интересно рассмот­

реть зависимость К/Nа от содержания

Fe

в мине­

минеральной ассоциации еще не гарантируют фор­

ральном веществе, взаимодействующем с водой.

мирования водного раствора с К/Nа

На рис.

> 1.

Как вид­

но для системы с основной породой (табл.
равновесной

минеральной

фаза NaFe 5 [Si 4 0 11 ]z(OН) 2

ассоциации

(рибекит)

11 ),

в

которой

фазе от

стых

10 показана зависимость К/Nа
Fe/Mg в минеральном веществе

хондритов

(ромб),

в водной
для угли­

примитивной

мантии

образуется

(квадрат) и пород ультраосновного (треугольники)

одновременно с фазой КA1Si 3 0 8 (микроклин) или

и основного (крестики) составов. Несколько фи­

КFeAl[SiД 10 ](0Н) 2 (селадонит), накоплению К в

гуративных

водной фазе препятствует образование К-минералов.

Поскольку для образования фазы

NaFes[Siд11]z(OН)2

точек

ных пород на рис.

для

1О

ультраосновных

и

основ­

показывают изменение от­

ношения К/Nа при увеличении содержания
счет

Mg

в

составе этих пород.

Fe

за

Как видно из


143

Э. М Галимов и др. Моделирование химического состава первичной водной фазы Земли

Таблица

11

Равновесный состав системы вода-основная порода открытой по С0 2 и СН 4 (10-6 бар) при 25°С

-9

lg.P(C02)

-8

-7

-{i

-4

-3

-2

l,lOE+Ol

2,81E+Ol

7,65E+Ol
7,03Е-01

-5

Равновесная минеральная ассоциация, моли

Апатит

2,95E+Ol

2,68E+Ol

Апатит-ОН

6,78Е+ОО

6,89Е+ОО

l,lOE+Ol

7,04Е-01

7,04Е-01

7,05Е-01

7,04Е-01

7,04Е-01

7,04Е-01

7,04Е-01

Кальцит

о

о

5,20E+Ol

5,20E+Ol

5,41E+Ol

6,40E+Ol

9,91E+Ol

о

Селадонит-F е

о

о

о

о

l,06E+Ol

l,06E+Ol

l,06E+Ol

l,06E+Ol

Клин о хлор

о

о

о

о

о

о

3,68E+Ol

l,63E+Ol

о

о

о

о

о

о

о

1,03Е+О2

Микроклин

l,06E+Ol

l,06E+Ol

l,06E+Ol

l,06E+Ol

о

о

о

о

Пирит

4,60Е+ОО

4,60Е+ОО

4,59Е+ОО

4,63Е+ОО

4,65Е+ОО

4,66Е+ОО

4,67Е+ОО

4,67Е+ОО

Кварц

6,57Е+О3

6,57Е+О3

6,66Е+О3

6,66Е+О3

6,67Е+О3

6,68Е+О3

6,99Е+О3

7,12Е+О3

Рибекит

Доломит

2,53E+Ol

2,53E+Ol

2,53E+Ol

2,53E+Ol

2,32E+Ol

2,32E+Ol

2,32E+Ol

о

Рутил

о

о

о

о

о

9,89Е+ОО

9,89Е+ОО

9,89Е+ОО

Сидерит

о

о

о

о

о

о

о

1,16Е+О2

9,89Е+ОО

9,89Е+ОО

9,89Е+ОО

9,89Е+ОО

9,89Е+ОО

о

о

о

Сфен

Стильбит

1,45Е+О2

1,46Е+О2

1,49Е+О2

1,49Е+02

1,46Е+О2

1,46Е+О2

1,11Е+О2

1,08Е+О2

Тремолит

2,78E+Ol

2,72E+Ol

о

о

о

о

о

о

Твердый раствор, мольная доля
Сапонит-Nа

1,ООЕ+ОО

1,ООЕ+ОО

1,ООЕ+ОО

1,ООЕ+ОО

1,ООЕ+ОО

1,ООЕ+ОО

о

о

Сапонит-К

6,ООЕ-05

6,ООЕ-05

6,ООЕ-05

6,ООЕ-05

5,26Е-05

2,63Е-05

о

о

Сапонит-Са

1,16Е-06

1,19Е-06

1,28Е-06

1,27Е-06

1,27Е-06

1,28Е-06

о

о

Сапонит-Мg

5,47Е-11

5,65Е-11

1,09Е-10

1,08Е-09

1,08Е-08

1,09Е-07

о

о

Сумма, моли

2,50Е+ОО

2,67Е+ОО

l,02E+Ol

l,02E+Ol

l,02E+Ol

l,02E+Ol

о

о

рН

12,343

12,147

11,761

11,27

10,771

10,265

9,742

9,106

Eh(V)

-0,583

-0,564

-0,534

-0,497

-0,46

-0,423

-0,385

-0,34

1

0,268

0,461

0,845

0,832

0,828

0,832

0,852

0,631

к

2,08Е-04

3,92Е-04

8,llE-04

8,0IE-04

7,48Е-04

5,35Е-04

3,92Е-04

2,95Е-04

Na

2,61Е-01

4,99Е-01

1,04Е+ОО

1,03Е+ОО

1,03Е+ОО

1,03Е+ОО

1,06Е+ОО

7,44Е-01

IONa

7,98Е-04

7,85Е-04

7,79Е-04

7,79Е-04

7,29Е-04

5,17Е-04

3,69Е-04

3,97Е-04

Mg

7,60Е-12

2,ООЕ-11

1,35Е-10

1,25Е-09

1,23Е-08

1,23Е-07

8,81Е-07

5,46Е-06

Са

1,99Е-07

1,40Е-06

7,49Е-06

7,43Е-06

7,43Е-06

7,49Е-06

7,71Е-06

2,95Е-06

Fe

1,38Е-12

9,39Е-13

8,16Е-13

3,02Е-12

2,94Е-11

3,83Е-10

5,33Е-09

5,04Е-08

Водный раствор

Содерж:ание элементов в водной фазе, моль/кг воды

рис.

10,

формированию

К/Nа

>1

благоприятно

вая зависимость отношения К/Nа в водном рас­

повышенное отношение Fe/Мg (углистый хонд­

творе от состава минерального вещества,

рит,

сказать, что формирование водной фазы с отно­

примитивная

мантия

и

ультраосновные

со­

можно

ставы с искусственно увеличенным содержанием

шением К/Nа

железа). В системах «вещество основного соста­

воды с веществом углистых хондритов или веще­

ва

-

вода» в водной фазе отношение К/N а

<1

>1

возможно при взаимодействии

ством примитивной мантии благодаря выведению

даже при петрологически недопустимом увеличе­

натрия из водной фазы в составе

нии отношения Fe/Мg в составе породы. Оцени-

щих алюмосиликатов.

Na, Fe

содержа­


Глава

144

11. Реконструкция химических и геологических условий на ранней Земле

100,0000

Таблица

10,0000
1'

!:-,
1,0000

~

Och
•pm

о

по (Трифонов,

Xbas

0,0010

сг

нсоз-

РО4 3 -

soi-

12

4

10

75

2

х

х

ствие между результатами моделирования и ана­

0,0001
О, 1

2009)

Mg2+

140 0,0001

10

х

Са2 +

к+

Na+

0,1000
0,0100

12

Состав внутриклеточной жидкости (ммоль/л),

Лum

!:-,

со

z

•

ll:::.

1,0

100,0

10,0

литическими определениями для К,

Na, Mg

при

несоответствии концентраций Са и РО 4 , что оста­

Fe/Mg

ется предметом дальнейших исследований.
Рис.

1О.

Зависимость отношения К/Nа в водной фазе от
отношения

Fe/Mg в минеральном веществе для
- углистый хондрит (ch), примитив­
ная мантия (pm), ультраосновная порода (um), ос­
7
новная порода (bas)» при Р СО 2 10- бар и Р СН4
1о-{; бар, 25 °С
систем «Вода

Литература
Борисов МВ., Шваров Ю. В.

(1976)

Термодинамика гео­

химических процессов. М.: Изд-во. МГУ

Виноградов А. П.

(1967)

215 с.
(1967) Об эволюции
Геохимия. № 5. С. 530-536.
Галимов Э. М (2005) Предпосылки
Галимов Э. М

При взаимодействии воды и вещества утли­
стых хондритов или вещества примитивной ман­

тии происходит формирование щелочного и вос­
становительного водного раствора с отношением

> 1.

Такой процесс имел место на поверхности

Земли, когда происходило образование Fе-содер­
жащего ядра и силикатной мантии из первичного

хондритового вещества (ЗFеО =

Fe + Fe20 3),

в сис­

теме, открытой к первичной восстановительной
азотно-метаново-утлекислой атмосфере, т. е. в пер­

вые сотни миллионов лет. Дальнейшая диффе­
ренциация вещества при образовании земной ко­
ры, в целом, не была благоприятна формирова­
нию водных растворов с К/Nа> 1.

Если

принять

> 1,

концепцию

об

образовании

то возникновение (или развитие прив­

несенной) жизни на Земле происходило в период

дифференциации первичного хондритового веще­
ства на ядро и мантию (в первые сотни миллио­

нов
(рН

лет

формирования

планеты)

в

щелочном

= 9-10), восстановительном (Eh = --400 ± 50 мВ)

водном растворе при температуре

50-60

°С при

равновесии с азотной атмосферой, содержащей СИ~

(парциальные давления 10- -10- бар), СО 2 (пар­
циальные давления 10-5-10-8 бар), NНз, Н 2 , H 2 S и
2

8

друтие газы.

иьши о солевом составе внутриклеточного раствора

12)

(Трифонов,

и условия возник­

новения жизни. Задачи исследования
№

5.

с.

//

Геохимия.

467--484.
(2008)

Галимов Э. М, Рыженко Б. Н

Разрешение К/Nа

биогеохимического парадокса// Доклады АН. Т.
№

3.

//

421.

С.375-377.

Галимов Э. М., Рыженко Б. Н, Черкасова Е. В.

(2010) Ре­

конструкция состава первичной водной фазы Земли.

1.

Образование из вещества углистых хондритов

Геохимия. №

6.

С.

//

563-569.

Галимов Э. М., Рыженко Б. Н., Черкасова Е. В.

(2011)

Реконструкция состава первичной водной фазы Земли.

2.

Образование из вещества// Геохимия (в печати).

Гинецинский А. Г

(1964)

Физиологические механизмы

Наточин Ю. В.

(2005)

427

с.

Роль ионов натрия как стимула в

эволюции клеток и многоклеточных животных
Палеонтологический журнал. №

Наточин Ю. В.

(2006)

4.

//

19-24.

С.

Физико-химические детерминан­

ты физиологической эволюции: от протоклетки к

человеку// Росс. Физиол. журн. им. И. М. Сеченова.
Т.

92.

№

1.

С.57-71.

(2005)

Наточин Ю. В., Ахмедов А. М

Физиологические

и палеогеохимические аргументы новой гипотезы
стимула эволюции эукариот и многоклеточных жи­

вотных. ДАН. Т.

400.

№

6.

С.

836-839.

Наточин Ю. В" Рыженко Б. Н., Галимов Э. М

(2008)

Роль солевого состава (К/Nа) водной среды в биоло­
гической эволюции

/ Проблемы

зарождения и эволю­

ции биосферы. М.: Книжный дом «Либроком»!URSS.

Сравнение результатов моделирования с дан­

(табл.

углерода Земли

водно-солевого равновесия. М.-Л.: Наука.

(развитии) первичной клетки в водной среде с
К/Nа

с.

М.: Наука.

Заключение

К/Nа

455

Введение в геохимию океана.

2009)

указывает на соответ-

1,50.404--408.
(1977)

Проссер Л.

Неорганические ионы

ная физиология животных. Т.

1. М.:

//

Сравнитель­

Мир. С.

177-240.


Э. М Галимов и др. Моделирование химического состава первичной водной фазы Земли

Розанов А. Ю.

Ископаемые бактерии, седимен­

(2003)

тогенез и ранние стадии эволюции биосферы// Па­
леонтол. журн. №

6.

С.

41-49.

Рыженко Б. Н., Барсуков В. Л., Князева С. Н.
мические характеристики (состав, рН,
«порода-вода>>.

П

Системы

(1997) Хи­
Eh) систем

«диорит-вода»

«габбро(базальт}--вода» //Геохимия. №

12.

С.

и

1227-

1254.
Рыженко Б. Н., Барсуков В. Л., Князева С. Н.
мические характеристики (состав, рН,
«порода-вода>>.

III

Системы «пироксенит-вода>> и

«дунит-вода>> //Геохимия. №
Рыженко Б. Н.,

(2000) Хи­
Eh) систем

Коваленко Н. И

6. С. 618-642.
(2002) Эксперимен­

тальное определение окислительно-восстановитель­

ного потенциала систем «порода-вода>>.

«базальт-вода» и «дунит-вода» при
Общие выводы// Геохимия. №
СпиринА. С, ГавриловаЛ. П.

254

11. С.
(1971) Рибосома.

М.: Наука.

с.

Трифонов Е. В.

(2009)

Психофизиология человека. Рус­

ско-англо-русская энциклопедия.
Шваров Ю. В.
новесного

(1999)

моделирования

Шваров Ю. В.

(2008) HCh:

динамического

изд.

динамических

6.

С.

геохими­

646-652.

новые возможности термо­

моделирования геохимических сис­

тем, предоставляемое

890-897.

13

Алгоритмизация численного рав­

ческих процессов// Геохимия. №

с.

3. Системы
400 °С, 1 кбар.
1178-1186.

Windows //

Геохимия. №

8.

145

Шварцев С. Л.

(1998) Гидрогеохимия зоны гипергене­
за. М.: Недра. 366 с.
Шноль С. Э. (1979) Физико-химические факторы био­
логической эволюции. М.: Наука.

Anders Е., Grevesse N. (1989) Abundances of the elements:
Meteoritic and solar // Geochim. Cosmochim. Acta. V 53.
№ 2. Р. 197-214.
Douzery Е. J, Snell Е. А., Bapteste Е., Delsuc F, Philippe Н.
(2004) The timing of eukaryotic evolution: Does а relaxed molecular clock reconcile proteins and fossils? //
Proc. Natl. Acad. Sci. USA. V. 101. Р. 15386-15391.
Halliday А. N. (2003) The origin and earliest history of the
Earth // Treatise on Geochemistry. Elsevier. V 1. Р. 544--545.
Maden В. Е. Н., Monro R. Е. (1968) Ribosome-catalyzed peptidyl transfer // European Joumal ofBiochemistry. V 6.
Р. 309-316.
MonroR. Е., Marcker К. А. (1967) Ribosome-catalesed reaction of puromycin ioth а formylmethionine-containehy oligonucleotide // Joumal of Molecular Biology.
V. 25 Р. 347-350.
Mulkidjanian А. У, Bychkov А. Уи., Dibrova D. V, Galperin М У, Koonin Е. V (2012) Origin of first cells at terrestrial, anoxic geothermal fields. PNAS 13. Е821-Е830.
Palme Н., O'Neill Н. St. С. (2003) Cosmochemical estimates
of mantle composition // Treatise on Geochemistry.
Elsevier. V. 2. Р. 13
Rauchfuss Н. (2008) Chemical Evolution and the Origin of
Life. Springer. 354 р.


ВРЕМЯ ЗАРОЖДЕНИЯ КОНТИНЕНТАЛЬНОЙ КОРЫ В РАННЕЙ ИСТОРИИ ЗЕМЛИ:
ИЗОТОПНОЕ и ГЕОХИМИЧЕСКОЕ

(U-тн-Рв, Lu-HF, REE)

ИЗУЧЕНИЕ

ТЕРРИГЕННЫХ ЦИРКОНОВ АРХЕЙСКИХ МЕТАОСАДОЧНЫХ ПОРОД САРМАТИИ

Е. В. Бибикова
М О.

(*)

, А.

А. Федотова

(1
Аносова , Л.

(*)

С Клаэссон

,

(**)

,

-~*1

В. Шумлянскии

(*)Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН.
(**)

blblkova@geokhi.ru
Swedish Миsеит ofNatиral History.
stefan.claesson@nrт.se

(***)

Институт геохимии, минералогии и рудообразования НАН Украины.

blblkova@geokhi.ru

Одним из подходов к установлению времени зарождения ранней коры Земли, получивших в последние
годы развитие во всем мире, явилось изучение терригенных цирконов древнейших метаосадочных пород ме­
тодами локального анализа.

В пределах Украинского щита магматические породы палеоархейского возраста были установлены ранее
на двух ограниченных участках. Изучая цирконы древних осадочных пород, мы рассчитывали определить воз­

раст и оценить масштабы развития ранней коры в пределах щита.
Нами были изучены и датированы методами масс-спектрометрии вторичных ионов

абляции

(SIMS)

и лазерной

цирконы из метаосадков Сорокинской и Федоровской структур Приазовского домена

(LA-ICP-MS)

Украинского щита. Был также изучен изотопный состав гафния древнейших цирконов. Показана перспектив­
ность изотопного датирования древнейших терригенных цирконов и установления их геохимических особен­

ностей методом лазерной абляции. В изученных структурах обнаружены цирконы возрастом, превышающим

3,6-3,7

млрд лет. Геохимические особенности древнейших цирконов говорят в пользу того, что непосредст­

венным источником их были породы тоналитового состава. Исходный протолит тоналитов (базитового соста­
ва), согласно данным Lu-Нfизотопной системы цирконов, имел возраст до

4,2-4,1

млрд лет.

ждения и масштабов ранней коры континенталь­

Введение

ного типа.

изотопно-геохронологи­

Неоценимый вклад в изучение ранней коры

ческие методы оценивают возраст планеты Земля

Земли вносит акцессорный циркон древнейших

Все

в

существующие

млрд лет. Одна из основных геохронологи­

пород. В силу своей устойчивости к механиче­

ческих проблем для самого раннего периода эво­

скому и химическому воздействию он сохраняет­

4,56

люции Земли

-

это установление времени заро-

ся как в магматических, так и осадочных породах.

В то же время циркон содержит неоценимую гео­
Авторы

М useum

выражают

благодарность

of Natural History)

проведения

изотопных

М. Вайтхаузу

(Swedish

за предоставленную возможность

анализов

на масс-спектрометре

вто­

ричных ионов в Стокгольме, Я. В. Бычковой, в. н. с. ГЕОХИ
РАН, за проведенный анализ редких и редкоземельных эле­
ментов в метаосадках методом

ICP MS.

Данное исследование

выполнено при финансовой поддержке Программы Прези­
диума РАН №

25

и Программы ОНЗ РАН №

4,

а также Рос­

сийского фонда фундаментальных исследований, программы
№

09-05-00226 и № 08-05-90416 Укр.

хронологическую

(U-Th-Pb

изотопная система) и

геохимическую информацию: изотопный состав

гафния,

изоморфно

замещающего

цирконий

в

структуре минерала, позволяет судить о первичной
природе расплава, в котором минерал кристалли­

зовался; изотопный состав кислорода и распреде­
ление редкоземельных элементов говорят о гене­
зисе минерала в породе.


Глава

148

11.

Реконструкция химических и геологических условий на ранней земле

В последние годы возрасты в 4,4~,О млрд лет

Детритовые цирконы терригенных осадочных по­

из

род являются наиболее представительным мате­

кdнгломератов блока Илгарн (Австралия), так и для

риалом распределения возрастов в эродированном

цирконов в ортогнейсах Акаста (Канадский щит).

сегменте и, следовательно, являются основой при

Судя

разработке моделей формирования и эволюции

установлены

по

как

для

терригенных

изотопно-геохимическим

цирконов

параметрам,

древнейшие цирконы формировались в относитель­

ранней коры Земли.

но кислых магмах, при участии водной фазы. Это

Содержащаяся в терригенных цирконах изо­

открытие вызвало бурную дискуссию о времени и

топная и геохимическая информация может проли­

масштабах

Земли.

вать свет на первичную природу пород уже дену­

Сформировалось два контрастных решения про­

дированных с поверхности Земли и недоступных

блемы: кора континентального типа уже сушест­

непосредственному изучению. Самыми древними

вовала

формирования ранней коры

или

сохранившимися коровыми образованиями нашей

ранняя континентальная кора Земли могла сфор­

4,4 млрд

лет назад

планеть1 являются терригенные цирконы, обнару­

мироваться только после

женные

(Wilde et al., 2001)

3,8

млрд лет, после пре­

в

конгломератах

и

песчаниках

зеленока­

кращения интенсивной бомбардировки поверхно­

менного пояса Илгарн (Западная Австралия) воз­

сти Земли метеоритами

растом около

house, 2002).

Авторы второй публикации убеждены,

что активная
тами до

(Kamber, Moorbath, White-

бомбардировка планеты метеори­

3,8 млрд

лет назад препятствовала фор­

по

3,0 млрд лет.

результатам

анализа

SHRIМP, превышают
ственном зерне

Возраст
на

ионном

4,0 млрд лет,

4,4 млрд лет.

10 %

цирконов,

микрозонде

достигая в един­

Именно цирконы в

мированию континентальной коры Земли, а обна­

кварцитах и конгломератах блока Илгарн позволи­

руженные

ли подойти к расшифровке возраста и первичной

древние

цирконы

говорят лишь

о

ло­

кальных кислых выплавках, возникавших в местах

природы самой ранней коры Земли

ударов крупных метеоритов.

хотя

U-Th-Pb

изотопная система цирконов магма­

протолита этих

(Wilde et al., 2001).

тического генезиса определяет время кристаллиза­

времени

ции минерала.

день

Однако и эта изотопная система

пород

уже

(2: 4,0 млрд лет),
не

сохранилось

Этот не доживший до нашего

континент

единственным

является

на

континентом,

сегодняшний
возникшим

в

цирконов имеет определенные ограничения при да­

эпоху хадей

тировании древнейших пород. С течением времени

архею в современной геохронологической шкале

под воздействием радиоактивного излучения урана

(А

и тория кристаллическая структура цирконов пере­

гафния и кислорода в древнейших цирконах, рас­

ходит в полу- или полностью метамиктное состоя­

пределение редкоземельных элементов в них по­

ние. Такие цирконы легко вступают в элементный и

зволяют, по мнению авторов, говорить о возник­

изотопный обмен с окружающей средой, могут те­

новении первой коры среднекислого состава и о

рять

сушествовании воды на земной поверхности ра­

накопленный радиогенный

дальнейшей

метаморфической

свинец.

истории

В

ходе

произо­

(4,5-3,8
Тiте

Geologic

нее

4,0

млрд лет), предшествующую

Scale, 2004).

Изотопный состав

млрд лет назад.

шедшие нарушения в составе минерала будут за­

Однако как возраст отдельных зерен и их час­

креплены в перекристаллизованной структуре. По

тей, так и поведение различных изотопных систем

цирконам, прошедщим метамиктную стадию, могут

в этих цирконах крайне неустойчиво. В цирконо­

быть получены как заниженные, так и завышенные

вой фракции преобладают кристаллы возрастом

значения возраста (Вlack et al.,

3,6-3,7 млрд

1986).

Одним из подходов к установлению времени

лет, что соответствует возрасту вме­

щающих пояс гнейсов. В цирконах полностью на­

зарождения ранней коры Земли, получивших раз­

рушена

витие во всем мире, явилось изучение терриген­

сомнение и данные о распределении в них редко­

ных цирконов древнейших метаосадочных пород.

земельных

Процессы седиментации, выветривания, транспор­

зуемый как критерий генезиса цирконов. Как изо­

тировки, гравитации концентрируют в осадочных

топный состав кислорода, так и температурные

породах более представительный для целого до­

условия их формирования, определенные по тита­

мена состав, усредняют состав обнаженной на

новому геотермометру, также не позволяет делать

момент

однозначные заключения об условиях кристалли-

седиментации

поверхности

континента.

Sm-Nd изотопная
элементов,

система, что ставит под

показатель,

часто

исполь­


149

Е. В. Бибикова и др. Время зарождения континентальной коры в ранней истории Земли

38°

01

N

~

пшш 2

~5
~6

•з

IL±J 7

64

IZZJI
c:::J 11
50•

ь::18

о

200км

=-=-

39•

48°

48°

\

@
50

340
Рис.

1.

км

36°

38°

Схема строения Приднепровского и Приазовского доменов Украинского щита. Архейские кристаллические породы

(1-7)

Среднеприднепровского (СД) и Приазовского (ПА) мегаблоков Украинского щита:

породы зеленокаменных поясов,

6-

гранодиориты;

шовная зона; Ф

7-

калиевые граниты;

Федоровская, С

-

номера. На врезке: архейские

зации минералов

(1),

-

8-

нахождение

вулканогенно-осадочные;

14-

палеопротерозойские комплексы. ОПЗ

гранулиты и гнейсы;
габброиды;

-

5-

2-3 -

тоналиты;

Орехово-Павлоградская

Сорокинская зеленокаменные структуры. Показаны точки отбора проб и их

палеопротерозойские

(Nemchin et al., 2006, Valley et al.,

того,

3-

(11)

мегаблоки Украинского щита и шовные зоны

(111)

геологии, в первую очередь, с разработкой масс-

«метамиктных»

спектрометров вторичных ионов и различных ме­

цирконов в водной среде при формировании осад-

тодик датирования цирконов методом лазерной

2006).

Более

метаосадочные,

2-

ков не могло не привести к нарушению всех изо-

абляции на

топных

ное изотопно-геохронологическое исследование в

систем,

включая

U-Pb,

определяющую

возраст кристаллизации минерала. Все это не по-

ICP MS,

позволяющих проводить пол­

точке минерала размером

30-20 мкм и менее.

зволяет однозначно интерпретировать возрастные

данные, полученные по подобным цирконам для
суждения об их возрасте и генезисе. Это относит­

1.

Зеленокаменные структуры

ся и к единичным древним цирконам в гнейсах

Приазовского блока.

Акаста (Канада), которые многие исследователи

Геологическое строение

рассматривают как ксенокристы некого протолита

Таким

На территории Восточно-Европейского кра­

образом, вопрос о существования ранней коры

тона самые древние образования палеоархейского

Земли средне-кислого состава уже

возраста были обнаружены в пределах Сарматии

пород в ортогнейсах

(Kamber et al., 2001).

4,4 млрд

лет

назад нельзя считать окончательно решенным.

(Украинский щит и Воронежский кристалличе­

истории

ский массив). Согласно современным представле­

Земли возросла с развитием методов изотопной

ниям, Украинский щит состоит из отдельных бло-

Роль

циркона

в

изучении

ранней


150

Глава П. Реконструкция химических и геологических условий на ранней земле

ков, разделенных глубинными разломами, сутур­

ской свиты составляет

ными зонами (рис.

свите преобладают метаморфизованные вулканиты,

1,

врезка). Наиболее древние

500

метров. В ольгинской

mроды известны в двух высоко метаморфизован­

в крутобалкинской

ных регионах: Подольском на западе и Приазов­

породы. Крутобалкинская свита залегает с угло­

ском на востоке щита. Цирконы возрастом в

3,6-

вым несогласием на вулканогенно-осадочных от­

млрд. лет, были нами ранее датированы в цен­

ложениях ольгинской свиты. В составе метакон­

3,7

метатерригенно-осадочные

-

в тоналитах и ультраба­

гломерат-песчаниково-глиноземистой крутобалкин­

зитах Новопавловского комплекса, вскрытого сква­

ской свиты преобладают глиноземистые сланцы с

тральной части щита

-

жинами в пределах Орехово-Павлоградской тек­

биотитом,

тонической зоны, расположенной между Средне­

силлиманитом, турмалином. В этих породах при­

приднепровским и Приазовским доменами, а так­

сутствуют редкие тела амфиболитов. Стратотипи­

же на западе щита

ческий разрез свиты на дневной поверхности рас­

-

в тоналитах и эндербитах

мусковитом,

гранатом,

ставролитом,

днестрово-бугской серии, вблизи Голованенской

положен в правом борту долины р. Берда, между

сутурной зоны, расположенной вдоль восточной

устьями балок Должик (на севере) и Собачья (на

границы Подольского блока (Бибикова,

Biblkova, Baadsgaard, 1986;
1990; Claesson et al., 2006).

1989, 2004;

Вiblkova,

Williттs,

юге) (Артеменко,
ров и др.,

и др.,

2000;
1995).

1997; Артеменко

и др.,

Лавриненко и др.,

2001, Боб­
1973; Щербак

Зеленокаменные пояса на Приазовском бло­

Возраст пород осипенковской серии долгое

ке представлены многочисленными наложенными

время был предметом дискуссий и разногласий.

(рифтогенными) структурами:

Первоначально (до начала 80-х годов) их считали

Новогоровской,

Косивцевской, Сорокинской, Федоровской и др.

протерозойскими

(рис.

лись доказательства того, что метабазитовые тол­

1).

Они представляют собой моноклиналь­

ные или синклинальные структуры шириной до

1,5

км, которые расположены в пределах крупных

щи

образованиями.

интрудированы

ского комплекса,

гранодиоритами

возраст которых

шевченков­

2,8

млрд лет.

Метапесчаники

неархейской консолидации (Зеленокаменные поя­

ской свиты прорваны гранодиоритами Осипен­

са ... ,

ковского массива возрастом

В данном исследовании мы подошли к изуче­

метагравелиты

появи­

региональных разломов, разделяющих блоки ран­

1988; Щербаков, 2005).

и

Затем

2,83

крутобалкин­

млрд лет,

что

свидетельствует об архейском возрасте свиты.

нию ранней коры Украинского щита путем изо­
топного датирования цирконов и изучения

Sm-Nd

Федоровская

грабен-синклиналь,

сложен­

изотопной системы метаосадочных пород Соро­

ная слабометаморфизованной сланцевой толщей,

кинской (расположенной на юге) и Федоровской

расположена в зоне сочленения Донецкого авла­

(расположенной в северной части) зеленокамен­

когена с Приазовским кристаллическим масси­

ных структур Приазовского домена (рис.

вом. Она приурочена к субширотной тектониче­

1).

ской зоне, ограничивающей с севера Ремовскую
Сорокинская

зеленокаменная

структура

антиклиналь

субмеридионального

простирания,

расположена в юго-восточной части Приазовского

сложенную породами западноприазовской серии.

домена (рис.

На фоне структур северо-западного простирания,

ширина
породы

-

Длина структуры около

1).

до

смяты

1,2 км.
в

35

км,

Осадочно-вулканогенные

синклинальную

складку с

сим­

Федоровская грабен-синклиналь аномально выде­

ляется субширотным простиранием и прослежена

метричным строением крыльев. Прослеживается

на расстоянии

метаморфическая

разломов,

сланцевой до

зональность

пород

эпидот-амфиболитовой.

от

зелено­

Осадочно­

вулканогенные породы, слагающие Сорокинскую

19-20 км.

По зонам тектонических

ограничивающих

структуру,

она

кон­

тактирует с метаморфическими породами запад­
ноприазовской серии.

осипен­

Федоровская грабен-синклиналь представля­

ковской серии, в которой выделяются две свиты:

ет собой ассиметричную синклинальную складку

ольгинская (нижняя) и крутобалкинская. Пример­

с крутыми южными

ная мощность как ольгинской, так и крутобалкин-

(60-70°)

зеленокаменную

структуру,

относятся

к

(70-80°)

и более пологими

северными крыльями. Размах крыльев


Е. В. Бибикова и др. Время зарождения континентальной коры в ранней истории Земли

складки достигает

4

км. Она сложена толщей за­

151

Методика исследований

2.

кономерно чередующихся сланцев (биотитовых,

гранатовых,

сишшманит-кордиерит-биотит­

биотит-амфиболовых,

амфиболо­

вых, иногда с пироксеном), графитсодержащих и
карбонатовых пород (мраморов и кальцифиров),
общей мощностью

2250

м. По набору литологи­

ческих разностей и петрографическому составу
слагающих

наличию

пород,

характеру их

маркирующих

Федоровской

переслаивания,

горизонтов

грабен-синклинали

в

разрезе

выделяются

И-РЬ метод

2, 1.

двуслюдяных, биотит-гранатовых, сюmиманит-био­
тит-гранатовых,

Нами были выделены цирконы из

4

проб ме­

таосадочных пород крутобалкинской свиты Соро­

кинской структуры. Три пробы были взяты из об­
нажения в стратотипическом разрезе балки Соба­

чей, это мусковит-биотитовые гнейсы (пробы

5/88)

7/11,
CU-1 ). Одна проба муско­
гнейсов (92-218) бьmа отобрана в

и кварцит (проба

вит-биотитовых

районе хутора Сороки.

Также

было

проведено

изотопное датирование цирконов, выделенных из

три последовательно сменяющихся пачки пород,

двуслюдяного гнейса осадочного генезиса Федо­

содержащих многочисленные согласные

ровской структуры (проба

щие

жилы

пегматитов

микроклинового,

клин-плагиоклазового,
состава. Нижняя пачка

няя

и секу­
микро­

сподумен-альбитового
глиноземистая, сред­

-

карбонатная, верхняя

89-551).

Акцессорные цирконы выделялись из проб
весом

10-15

кг по стандартной методике, осно­

ванной на сочетании магнитной сепарации и раз­

амфиболитовая.

деления в тяжелых жидкостях в ИГМР НАН Ук­

Наличие в нижней части разреза метаосадочной

раины. Подготовка навесок монофракций цирко­

-

пачки

-

силлиманит-гранат-биотитовых

сланцев,

нов

для

изотопного

анализа

осуществлялась

которые являются метаморфизованными продук­

вручную под бинокулярным микроскопом. Изу­

тами выветривания более древних пород запад­

чение морфологии и внутреннего строения кри­

ноприазовской

сталлов

серии,

указывает

на

наличие

цирконов

проводилось

в

проходящем

и

стратиграфического перерыва с породами запад­

отраженном свете. Внутреннее строение цирко­

ноприазовской серией. Подавляющее большин­

нов

ство сланцевых и карбонатных пород образова­

изображениям. Для датирования отбирались пре­

лись в результате регионального метаморфизма

имущественно цирконы первой разновидности с

первично-осадочных

видимыми внутренними ядрами.

чано-глинистых,

глинистых,

песчаных,

железисто-кремнистых,

пес­

было

изучено

по

катодолюминесцентным

Изотопное датирование цирконов было про­

мерге­

листых и известковистых пород. Сланцы и ам­

ведено

фиболиты

спектрометре вторичных ионов САМЕСА

отличие

Федоровской

от

пород

грабен-синклинали,

фундамента,

не

в

затронуты

U-Th-Pb

NORDSIM,

локальным методом на масс­

1270,

в Шведском музее Естественной ис­

выделяются

тории в Стокгольме, а также для некоторых проб

многочисленные секущие жилы пегматитов мик­

методом лазерной абляции на масс-спектрометре

роклинового, микроклин-плагиоклазового и спо­

высокого разрешения

думен-альбитового состава (Пояснювальна запи­

в

ска ... ,

ГЕОХИРАН.

процессами

мигматизации.

В

них

2006).

Element-XR

индуктивно-связанной

плазме

с ионизацией

LA-ICP-MS

в

Надежные геохронологические данные о воз­

расте сланцево-карбонатной толщи Федоровской

При исследовании на масс-спек­

NORDSIM.

грабен-синклинали отсутствуют. В последние го­

трометре

ды появилась датировка в

цирконом-стандартом были запечатаны в таблетку

2735

млн лет для гра­

вторичных

ионов

цирконы,

вместе

с

по­

эпоксидной смолы и приполированы до вскрытия

Одна­

центральных частей кристаллов. Перед анализом

ко существуют и альтернативные представления о

на таблетку напылялось золото. Первичный ион­

палеопротерозойском возрасте толщи, поскольку

ный пучок состоял из

строгая

воздействовал на эллипсовидную

нитов

январского

комплекса,

прорывающего

роды сланцевой толщи (Исаков и др"

датировка,

равная

2085

2010).

млн

лет,

есть

только для прорывающих толщу анадольских гра-

сталла размером

11 итов (Васильченко и др"

ричных

1992).

ионов

25

0 2-,

который первоначально

мкм х

40

осуществлялся

область кри­

мкм. Анализ вто­
при

разрешении


Глава

152

11. Реконструкция химических

и геологических условий на ранней земле

нqе изложение методики анализа можно найти в

3NdJ144Nd. Измеренное отношение 143NdJ144Nd нор­
148
14
мализовано к Nd/ 4Nd =0,241572, что соответ­
14
ствует 146Nd/ 4Nd = 0,7219. Модельные возрасты

публикациях

пород Том

прибора в

5600,

что позволяло надежно разделять

все необходимые атомные массы. Более подроб­

ность

(Whitehouse et а/., 1997, 1999).

измерения

О, 1-0,3

изотопного

состава

точность измерения

%,

отношений-

Точ­

свинца

-

изотопных

U-Pb

14

(DePaolo, 1981)

рассчитаны исходя из

следующих значений для деплетированной ман­

тии:

143

Nd/ 144Nd = 0,513151,

147

14

4Nd = 0,212.

Sm/

1-3 %.

LA-ICP-MS. 42

зерна циркона для

U-Pb

гео­

3.

Результаты исследования

хронологического датирования и определения со­

держания редких элементов были проанализиро­
ваны методом лазерной абляции на масс-спектро­
метре высокого разрешения
цией в

Element-XR с иониза­
индуктивно-связанной плазме LA-ICP-MS.

При анализе использовались следующие парамет­
ры измерений:

диаметр кратера

30--40 мкм,
- 4 Hz.

-

частота импульсов лазерного излучения

Анализ производился блоками, которые задава­
лись при помощи пакета программ

3, 1.

Сорокинская структура

Нами бьш определен состав

4

проб метаоса­

дочных пород Сорокинской структуры и одна про­
ба метаосадков Федоровской структуры (табл.

1).

Таблица

1

Химический состав метаосадочных пород зеленокаменных
структур Приазовского домена Украинского щита

Element XR.
Окисел, 0/о

(1)
89/551

(2)
CUl

(3)
7111

(4)
7/12

(5)
5/88

(6)
92-218

геохро­

Si02

66,72

75,78

71,72

71,54

74,98

72,40

нологического датирования были использованы в

Ti02

0,321

0,46

0,43

0,46

0,57

0,74

А1 2 0 3

13,72

10,81

13,42

13,31

11,16

12,10

Fе2Оз

4,17

3,93

0,83

0,19

1,41

1,40

Каждый блок начинается и заканчивается анали­
зом стандартов,

между которыми проводится из­

мерение неизвестных образцов. Для
качестве стандартов цирконы

тицын и др.

GJ-1

U-Pb
и

91500

(Кос­

2009).

3,72

4,07

2,51

2,60

MnO

0,052

0,05

0,03

0,01

0,10

0,06

изотопное исследование проводилось

MgO

2,15

1,75

1,52

1,42

1,14

2,30

по методике, принятой в лаборатории изотопной

Са О

2,36

1,68

2,01

2,12

1,77

1,50

геохимии и геохронологии ГЕОХИ РАН. Навеска

Na20

3,71

2,84

3,82

4,26

2,60

2,40

К2 0

4,23

1,73

1,22

1,25

1,42

1,80

P20s

0,154

0,06

0,09

0,10

0,19

0,05

0,11

0,09

0,18

0,70

0,72

0,72

2,21

1,68
99,87

FeO

2,2. Sm-Nd изотопный
Sm-Nd

метод

валовой пробы в

20-30 мг после добавления сме­
15
149
шанного трассера °Nd +
Sm растворялась в
смеси плавиковой и азотной кислот (5 : 1) в тер­
мостате при температуре 200 °С. Полученный

0,59

99,83

99,86

99,66

99,56

100,24

Ва

265

795

601

645

580

577

катионите

Sr

695

256

259

174

151

124

Выделение самария и неодима

проводилось в две стадии методом ионообменной
хроматографии.
сумма

На

первой

редкоземельных

стадии

элементов

выделялась

на

П.п.п.

-

-

1,78

раствор выпаривался и осадок переводился в хло­

ридную форму.

Н 2 0-

-

-

Сумма
ч. на млн

на второй стадии проводилось

Со

19

39

10,9

9,1

9,7

16,5

разделение неодима и самария с использованием

Cr

74

71

103

90,2

78,1

144

реагента

Cs

4,8

1,7

2,5

2,0

0,9

2,6

Нf

4,0

1,8

2,3

2,7

3,4

2,5

NЬ

13

4,3

4,2

4,8

3,7

4,4

DOWEX 50W-X8,
HDEHP.

Величина холостого загрязне­

ния в лаборатории составила

нг для

Nd.

0,03

нг для

Sm,

и О, 1

Изотопный состав неодима и самария

измерен на многоколлекторном масс-спектрометре

Triton.

Определение концентраций

Sm

и

Nd

про­

ведено методом изотопного разбавления с исполь­

зованием смешанного трассера 15 °Nd +
Sm с
147
14
точностью 0,1 % для
Sm/ 4Nd и 0,005 % для
149

Ni

35

44

38,3

31,4

21,2

62,8

Rb

117

43

39,1

7,4

21,4

61,0

Sc

7,5

8,2

6,8

5,8

5,7

9,4

Th

11

6,4

5,8

5,6

6,6

5,0


Е. В. Бибикова и др. Время зарождения континентальной коры в ранней истории Земли

Окончание таблицы
Оки-

1

153

Из анализа данных видно, что гнейсы и квар­
циты Сорокинской и Федоровской структур При­

(1)
89/551

(2)
CUl

(3)

(4)

сел, 0/о

1111

7/12

(5)
5/88

92-218

азовского блока приближаются по содержаниям

Ti

1986

1980

1932

2011

1575

2223

элементов-примесей, в том числе РЗЭ (LaNNЪN от

v

60

46

49,5

48,2

42,6

64,0

у

11

6,7

5,0

4,6

5,4

3,9

Zn

159

57

26,5

27,8

23,3

42,9

Zr

155

69

85,6

103

104

87,7

La

39

25

26,94

33,51

29,63

21,50

ми первично осадочных пород Приазовского бло­

Се

73

45

83,89

62,40

79,63

58,41

ка выше, чем для среднеархейских аргиллитов

Pr

7,99

4,82

9,23

6,81

8,55

6,44

Nd

29

17

33,67

24,08

29,69

23,03

что в области сноса присутствовали в некотором

Sm

4,91

2,69

5,38

3,87

4,96

3,87

количестве магнезиальные мафит-ультрамафитовые

Eu

1,43

0,76

2,01

1,33

1,53

1,57

породы. Цирконы, выделенные из метаосадочных

Gd

3,99

2,29

4,83

3,47

4,65

3,32

ть

0,48

0,29

0,62

0,43

0,58

0,44

Dy

2,21

1,38

2,78

1,84

2,65

1,79

Но

0,38

0,25

0,51

0,31

0,51

0,30

Er

1,12

0,69

1,39

0,91

1,46

0,86

Tm

0,16

0,09

0,16

0,12

0,21

0,11

ко обрастаний. Как правило, зерна, имеющие мета­

УЬ

0,98

0,57

1,08

0,70

1,32

0,68

морфическое обрастание также обкатаны с поверх­

Lu

0,14

0,09

0,15

0,11

0,19

0,10

ности, что свидетельствует о протекания метамор­

фических событий до процесса седиментации.

LaN/YЬN

CrN
Ni/Co

(6)

-

-

16,9

32,3

15,2

21,4

1,2

1,5

2,1

1,9

1,8

2,3

1,8

1,1

3,5

3,5

2,2

3,8

17

до

32)

к породам тоналит-трондъемит-грано­

диоритовых серий и не проявляют сходства с по­
стархейскими глинистыми сланцами и с архей­

скими аргиллитами (рис.

1988).

Отношения

2) (Тейлор, Мак-Леннан,
Cr/Ni, CoN для изученных на­

(Тейлор, Мак-Леннан,

1988).

Это указывает на то,

пород были изучены минералогически, были по­
лучены катодолюминесцентные изображения, при­
веденные для некоторых зерен на рис. ЗА, 3Б. Като­
долюминесцентные изображения продемонстриро­
вали двухфазное строение большинства зерен

-

ядро, часто очень неоднородное и одно или несколь­

Изотопное датирование цирконов проведено

изотопным методом на ионном микро­

U-Th-Pb

зонде NORDSIМ, в Стокгольме. Результаты иссле­
Примечание. Измерения проводились на масс-спек­

дования приведены в табл.

2 и на графиках (рис. 4).

трометре высокого разрешения с ионизацией в индуктив­

но-связанной плазме

Finnigan Element XR.

Калибровка

Федоровская структура

3.2.

чувствительности прибора по всей шкале масс осушеств­

Образцы для изотопного исследования бьши

лялась с помощью стандартных 68-элементных растворов
НРS, растворы А и В), включающих все

(ICP-MS--68A,

анализируемые в пробах элементы. В качестве стандарт­

ных использовались аттестованные образцы

GSP-2 (гра­
USGS. Пределы обнаружения
элементов составляли от 0,01 нг/г для тяжелых и средних
по массе элементов с возрастанием до 0,1 нг/г для легких
элементов. Погрешность анализа составляла 1-3 отн. %.
нодиорит) и ВIR-1 (базальт)

Для расчета концентраций элементов использовалась се­

отобраны

70 годы

концентраций

1-

ICP-MS--68A, HPS
0,05-5 ррЬ.

гнейс метаосадочного происхождения, Федоров­

ская структура

2-

(А и В) с диапазоном

(89-551);
(CUl);

3-тоже(7-11);

4 - то же (7-12);
5 - то же (5-88);
6 - Mu-Bi гнейс,

0152,

разбуренной

в

1,9 км

южнее с.

Федоровка. В структурном отношении скважина
находится в центральной части Федоровской гра­

бен-синклинали. Скважиной вскрыты биотитовые
сланцы верхней амфиболитовой пачки.

Изученная проба

89-551

представляет собой

двуслюдяной гнейс осадочного генезиса (скважи­
на

0152,

интервал

став породы (в

гнейс метаосадочного происхождения, Сорокин-

ская структура, балка Собачья

скважины

левом берегу р. Мокрые Ялы, в

рия калибровочных растворов, приготовленных из стан­
дартного раствора

из

прошлого столетия и расположенной на

кварцбонат

-

3-5,
2-3,

%):

53,8-63,0

м). Минеральный со­

плагиоклаз

микроклин-

2,

рудный минерал

-

83,

биотит

-

5,

мусковит-2, кар­

-

1,

апатит и цир­

кон в единичных зернах.

В пробе выделяется три разновидности цир­
д. Сороки

(92-218).

кона. Первая разновидность представлена удли-


Глава

154

11. Реконструкция химических

и геологических условий на ранней земле

1.Е+ОЗ--------

порода/хондрит
1.Е+оз~--------------------~

порода/прим.мантия

-11-PMS [Taylor,

r

-+-- параrнейеы Сорокинской структуры
• • •

ТlТ>З.О

1985]

-tr- парагнейс Федоровской структуры
- - - ТlТ>З.ОGа [магtiп et al., 2005]

1.Е+О2

--Q- парагнейс Федороеской структуры

1.Е+О2

Мclennan,

-----+- парагнейсы Сорсжинской структуры

Ga [IViartin et al., 2005)

1.Е+О1

приазовский домен:

приазовский домен:

Сорокинская и Федоровская

Сорокинская и Федороеская

структуры

структуры

Ва

Тh

NЬ

La

Се

&

Nd

Нf

Zr Sm Eu

Тi

Dy

Er

'Ф

Lu

LaCePrf\1::1

Sm

Рис.

2.

Eu

Gd

ТЬ

Dy

Н:>

Er

Tm

УЬ

Lu

б)

а)

Распределение РЗЭ и мультиэлементые диаграммы для метаосадочных пород Федоровской и Сорокинской струк­
тур Приазовья. Значения концентраций микроэлементов для хондрита С1 и примитивной мантии по (Тейлор С. Р.,
Мак-Леннан,

1988). Для сравнения приведены графики для постархейских глинистых сланцев PMS (Тейлор С. Р.,
1988), усредненного состава пород комплексов ТТГ с возрастом более 3 млрд лет (Martin et а/., 2005),
и типичного дацита Верховцевской зеленокаменной структуры (Samsonov et а/., 1996)
Мак-Леннан,

Рис. ЗА. Катодолюминесцентные изображения некоторых цирконов из метаосадков Сорокинской структуры Приазовья

пенными тетрагональными или дитетрагонально­

призматиче скими кристаллами размером О, 15-

0,3

мм. Коэффициент удлинения

-

2,0-3,5.

Цир­

новидность

0,3

-

изометричный циркон. Размер

0,1-

мм. Циркон бледно-розовый, прозрачный,

с

сильным стеклянным блеском. Поверхность кри­

кон желтоватый и коричнево-желтоватый, разной

сталлов

степени прозрачности.

гладкая,

иногда

с

множеством

иррацио­

Поверхность кристаллов

нальных граней. Это так называемый «гранулито­

неровная. В некоторых зернах выделяются релик­

вый циркою>. Внутри этих кристаллов находятся

товые ядра темно-коричневого цвета. Вторая раз-

зародыши зонального циркона правильной приз-


155

Е. В. Бибикова и др. Время зарождения континентальной коры в ранней истории Земли

Рис. ЗБ. Катодолюминесцентные изображения некоторых цирконов из метаосадка Федоровской структуры

матической формы. Третья разновидность
линенно-призматические,

-

уд­

дитетрагональные

кри­

сталлы цирконового габитуса. Размер
Коэффициент удлинения

-

2,0.

0,2-0,25 мм.

Циркон темно-ко­

было проанализировано около

Результаты

U-Pb

100

5.

зерен циркона.

изотопного датирования боль­

шинства зерен приведены в табл.
рис.

89/551

3

и на графиках

Цирконы были также проанализированы

ричневый, прозрачный, с матовым блеском. Внут­

методом лазерной абляции на масс-спектрометре

реннее строение однородное. По результатам дати­

Element 2. Результаты представлены в табл. 4.

рования

U-Pb

изотопным методом размерных фрак­

ций валовой пробы циркона из этой пробы бьша по­
строена дискордия, верхнее пересечение которой с

конкордией отвечает возрасту
(Артеменко,

1997).

-

Заключение

3121 ± 195 млн лет

Цирконы, выделенные из ме­

Из рассмотрения данных химического анали­

таосадков Федоров~кой грабен-синклинали, изу­

за исследованных проб, приведенных в табл.

чены

на диаграммах (рис.

минералогически,

получены

катодолюми­

2),

1

и

следует, что метаосадоч­

несцентные изображения, приведенные для неко­

ные породы как крутобалкинской свиты Сорокин­

торых зерен на рис. ЗБ. На ионном микрозонде

ской структуры, так и Федоровской грабен-сии-


Глава

156

11. Реконструкция химических и геологических условий на ранней земле

CU-1+7-11+5--88+92-218

0,38

380

цирконы из метосадков,

0,8

,

Сорокинский зеленокаменный
пояс

7

NORDSIM
89/551, метаосадок

0,34

3400 ':/
'А "

'1
::J
~ 0,6

#
, ,, , ,, "/',

3000

:а

Q_

,

,,

2600

~

.Q

f

"

1

/

0,4

2200

0,30

'8Q_

,, ,//

0,26
0,22
0,18
О, 14+--'--t--~--t-....._-+-~-+---'--+-~-+--'

0,2+--~--+--~--+--~--+--~--+--~

5

15

1,0

45

35

1,2

1,4

1,6

2,0

1,8

2,2

14
12

NORDSIM

7

Сорокинский зеленокаменный Пояс
цирконы Из метосадков

федоровка
метаосадок 89/551

6
10

5

2

8

11

z

6

z

Е
:>

ф

4

:>

4

3

2

2
0+-..............j.A&......................~'-+".........~-+-'_....:;............................=,.........
3500
2700
3100
3700
2500
2900
3300
207

Рис.

4.

РЫ

206

3400

3600

3800

4000

Возраст 207 РЬ/ 206 РЬ, Ма

РЬ, возраст

Диаграммы для цирконов из метаосадков Сорокин­
ской структуры: (а)

5

диаграмма с конкордией для

-

наиболее

конкордантными

дантность

::; 5 %);

ненности

возрастов

207

РЫ

ской

(б)

-

возрастами

89/551

(дискор­

4

гистограмма распростра­

по

изотопному

LAICPMS
Федоровка, метаосадок

цирконов из метаосадков Сорокинской структуры с

отношению

206

РЬ для цирконов из метаосадков Сорокин­
структуры (дискордантность::; 8 %)

ф

.Q

3

Е
:>

z

2
клинали Приазовского блока приближаются по
содержаниям элементов-примесей, в том числе РЗЭ

(LaN/YЬN от

17

до

32),

к породам тоналит- трон-

дъемит-гранодиоритовых (ТТГ) серий (Martin et а!.,

2005)

о+-'""-~'-'--"-+'-"~~~~~ч-"~~ч-с~~...,....~
2900
3100
3700
2700
3300
3500

и не проявляют сходства ни с постархей­

скими глинистыми сланцами

(PAAS),

скими аргиллитами (Тейлор и Мак-Леннан,
Отношения

Cr/Ni, CoN

Возраст "'РЬ/

ни с архей­

1988).

в них выше, чем для

среднеархейских аргиллитов. Это указывает на то,

что в области сноса присутствовали также мафит­
ультрамафитовые породы. На основании данных
по геохимии изученных нами метаосадочных по­

род был сделан вывод о том, что область сноса

обломочного материала была сформирована пре-

206

РЬ, Ма

в)
Рис.

5.

Диаграммы для цирконов из метаосадка Федоров­
ской структуры

89/551: (а) - диаграмма Тера-Вас­
- гистограмма распространенности
206
возрастов по изотопному отношению 207 РЫ РЬ для

сербурга;

(б)

цирконов из метаосадков Федоровской структуры
(результаты изотопного датирования на ионном
микрозонде
зультаты

NORDSIM);

изотопного

ной абляции

(в)

-

то же, что (б)

датирования

(LA ICP MS)

методом

-

ре­

лазер­


Е. В. Бибикова и др. Время зарождения континентальной коры в ранней истории Земли

157
Таблица

Изотопные данные для метаосадков Сорокинской структуры, Приазовский мегаблок
Содержание,

Номер образца, точка

n3123-3
n3123-5
n3123--6
n3123-7
n3123-8
n3123-9
n3123-10
n3123-ll
n3123-12
n3123-14
n3123-15
n3123-17
n3123-19
n3123-20

u

ppm

Th

РЬ

3123-35
n3123-37
n3123-38
n3123-39
n3123-40
n3123-41

202,3
61,6
213,3
69,0
71,0
61,8
287,8
467,6
50,9
225,8
92,9
76,7
948,3
19,9
117,9
302,8
92,1
248,8
109,8
970,0
98,6
334,5
30,9
1818,1
52,3
320,0
218,0
23,0

95,6
33,9
270,4
58,6
46,5
43,1
156,0
125,1
27,1
203,0
64,9
52,9
655,5
5,8
117,2
122,5
51,7
161,6
87,3
384,4
92,2
125,1
9,5
144,8
26,7
216,9
130,5
17,3

192,5
64,1
246,2
62,6
80,5
65,0
264,4
305,5
35,1
182,4
64,6
79,3
287,2
16,4
123,1
287,2
83,4
266,2
119,0
487,8
99,7
319,2
24,5
379,2
44,0
385,4
132,9
21,1

n3124-3x
n3124-6
n3124-ll
n3124-13
n3124-15
n3124-16
n3124-17
n3124-20
n3124-22
n3124-25
n3124-27

129,7
225,5
110,4
239,0
271,3
519,8
498,8
171,6
95,3
382,0
282,3

67,7
93,2
30,7
7,6
23,3
184,4
985,2
205,7
46,3
93,0
308,1

119,4
219,3
104,0
216,8
226,0
304,3
245,6
129,2
94,7
194,4
162,6

n3125-4
n3125-6
n3125-7
n3125-8
n3125-8a
n3125-8b
n3125-14
n3125-!5
n3125-16

592,6
94,8
436,8
149,8
96,4
329,8
131,6
490,7
442,9

287,6
42,8
182,3
94,5
30,4
88,7
90,7
134,6
171,5

369,6
94,3
434,2
155,4
70,5
272,3
155,2
271,8
368,4

n3126-3
n3126-4
n3126--6
n3126-9
n3126-11
n3126-17
n3126-18
n3126-19
n3126-23

57,5
82,0
110,9
153,1
85,1
821,3
293,2
222,7
51,4

42,4
55,9
102,5
78,7
39,4
155,5
64,5
67,8
39,3

53,5
66,6
86,4
128,0
67,4
227,4
261,0
206,5
43,2

п3123-21

n3123-22
n3123-26
n3123-27
п3123-28

n3123-31
п3123-32
п3123-34

Th/U

206

РЬ обыкн.

Изотопные отношения

Возраст, млн лет

Степень

zо'рыz06рь

ДИСК. 0/о

zoбpьP3su

zо'рышu

0,66095
0,47
0,55
0,70998
0,69610
1,27
0,60753
0,85
0,74583
0,66
0,70
0,70038
0,64705
0,54
0,27
0,49194
0,51421
0,53
0,53631
0,90
0,70
0,46535
0,69
0,68635
0,21965
0,69
0,29
0,62157
0,99
0,64688
0,67342
0,40
O,Q4
0,04
0,63631
0,56
0,65
0,01
0,71514
0,80
0,02
0,70781
0,40
0,19
0,36881
0,94
0,74
0,64043
0,37
0,03
0,68126
0,59680
0,31
1,88
0,45
0,17434
0,08
0,59261
0,51
0,07
0,78006
0,68
0,01
1,81
0,42579
0,60
0,09
0,62610
0,75
7111, мусковит-биотитовый гнейс
0,47
0,63538
0,39
0,36
0,22
0,67932
0,68138
0,25
0,04
0,03
0,02
0,69336
0,02
0,46
0,63194
0,74
0,41949
0,21
0,30162
0,78
3,28
0,47
0,47130
0,74
0,68930
0,47
0,02
0,38048
0,16
0,52
0,29
1, 18
0,40196
5,88, мусковит-биотитовый гнейс
0,26
1,11
0,44044
0,69182
0,42
0,40
0,69546
0,40
0,02
0,68169
0,56
0,25
0,25
1,30
0,52009
0,59911
0,22
0,28
0,02
0,76213
0,66
0,67
0,41748
0,16
0,59559
0,51
0,27
92-218, мусковит-биотитовый гнейс
0,09
0,62739
0,68
1,10
0,57447
0,63
0,51976
0,84
0,54
0,49
0,09
0,60021
0,44
0,03
0,58507
0,20776
0,06
4,48
0,01
0,65775
0,20
0,29
0,02
0,67133
0,58653
0,72
0,04

28,74047
31,26401
30,79953
28,21714
35,47326
30,78494
27,64618
19,18418
17,26917
24,23829
19,45695
30,42935
6,35922
22,88149
31,62066
29,99218
23,94155
31,89388
31,16740
14,14883
28,53960
29,85584
20,56478
3,92619
22,02347
39,60969
15,79730
23,03755

3547,4 ± 4,4
3566,8 ± 5,2
3574,2 ± 3,9
3648,6 ±6,1
3684,9 ± 6,0
3564,0± 6,0
3520,3 ± 5,0
3378,7 ± 5,6
3143,5 ± 11,2
3606,7 ± 3,8
3486,9 ± 6,7
3577,3 ± 6,2
2905,4 ± 8,0
3288,4 ± 10,5
3726,5 ± 47,2
3584,2 ± 3,2
3322,7 ± 5,2
3586,3 ± 5,8
3566,8 ±4,9
3353,1±9,6
3585,1±5,1
3559,4 ± 2,2
3184,2 ± 12,2
2490,5 ± 19,7
3303,3 ± 7,3
3784,3 ± 2,0
3300,7 ± 43,9
3287,7 ± 9,3

28,71588
30,71634
29,24258
28,67907
27,13865
17,51480
9, 16635
19,71099
29,61773
13, 74877
16,61002

3606,7 ± 7,3
3607,5 ± 4,5
3527,2 ± 6,2
3470,2 ±4,5
3528,2 ± 6,7
3484,7 ± 6,0
2983, 7 ± 43,6
3487,3 ± 4,2
3529,О ± 4,1
3259,2 ± 12,6
3468,7 ± 8,6

-13,2
-7,7
-4,5
-1,0
-11,2
-39,8
-34,6
-32,3
-3,7
-38,9
-39,5

18,52088
30,52036
30,62009
33,30974
22,60478
25,45423
38,70933
15,03420
25,54914

3495,7 ± 9,1
3569,7 ± 4,6
3566,6 ± 1,9
3726,О ± 4,2
3546,7 ± 6,9
3511,6 ± 3,8
3784,7 ± 4,3
3253,9 ± 4,1
3526,5 ± 4,4

-35,6
-4,8
-4,5
-11,3
-27,2
-15,7
-2,8
-34,8
-16,7

24,70248
18,57540
16,66292
20,82979
18,57981
7,98813
26,94029
27,73359
18,96198

3393,6 ± 7,9
3083;1±28,1
3069,4 ± 8,1
3195,5 ± 7,8
3054,3 ± 8,1
3356,5 ± 15,4
3454,9 ± 8,7
3468,3 ± 7,5
3082,8 ± 8,2

-9,5
-6,3
-14,8
-6,5
-3,5
-69,6
-7,2
-5,8
-4,3

CU-1, кварцит
0,54
0,06
0,05
1,17
0,07
0,04
0,16
0,89
4,48
0,13
0,90
0,03
2,09
0,33
1,08

-8,2
-2,1
-4,4
-18,4
-1,3
-3,2
-9,2
-27,0
-15,3
-26,9
-33,4
-5,5
-59,3
-3,8
-6,3
-7,9
-3,8
-1,9
-2,4
-43,4
-12,2
-6,0
-3,4
-57,7
-9,3
-0,9
-25,5
-3,3

2


Глава

158

11. Реконструкция химических и геологических условий

на ранней земле

1.Е+О4

'"

:s:

,

t

1.Е+ОЗ

i

е

i'
:r

1.Е+О2

1.Е+О1

1.Е~1

цирконы
- - цирконы

из nараrнейсов (CU1)
из nараrнейсов (5-88)
-О- тиnичнt>•й циркон из архейского тоналита

1.E-Q2 +---.---.---~---.----.----.---,.---~-..----.--~--.---~--1

LaGePr/\t:!

Рис.

График нормированнных к ходриту

6.

(Anders, Grevesse, 1989) содержаний

РЗЭ в цирконах из метаосадков Сорокинской

структуры. Для сравнения приведены данные для типичного циркона архейского тоналита (Федотова и др.,

имущественно породами ТТГ серии, с некоторым

В метаосадках Сорокинской структуры около

участием пород основного-ультраосновного соста­

40 %

ва (Бибикова и др.,

выше

2010, Biblkova et а!., 2010).

2008)

ядер цирконов имеют изотопные возрасты

ровались в основном ядра. Среди них преобладают

3500 млн лет, в 5 ядрах возраст превосходит
3700 млн лет. Содержание урана в двух самых древ­
них ядрах, возрастом 3784 млн лет, составляет
150-320 ppm, величина торий-уранового отноше­
ния 0,4-0,7. Цирконы возрастом 3,5-3,6 млрд
лет имеют умеренные содержания урана 100-200
ppm и величину Th/U отношения около 0,5. Об­

зональные ядра, явно принадлежавшие цирконам

растания

из магматических пород (рис. 3Аа,

ными

Катодолюминесцентные изображения изучен­
ных цирконов, представленные на рисунках ЗА
и ЗБ, продемонстрировали многофазное строение
большинства зерен: ядро, часто очень неоднород­

ное, и одно или несколько обрастаний. Анализи­

6,

д). Среди об­

на

ядрах

генерациями,

представлены

высоко

и

двумя

различ­

низкоурановыми.

растаний преобладают незональные, малоурано­

Возраст метаморфических обрастаний оценен в

вые (почти бесцветные на катодолюминесцентных

3,2-3,3

млрд лет. Для цирконов с наиболее кон­

изображениях) (рис. 3Аж, з, м). В случае несколь­

кордантными значениями возраста он составляет

ких обрастаний темные и светлые зоны, как пра­

3,3

вило, чередуются.

долюминесцентном изображении низко-урановых

Геохронологические данные для метаосадков

млрд лет. Содержание урана в светлых в като­

обрастаниях

менее

-

100 ppm,

величина

Th/U

Сорокинской структуры Приазовья приведены в

отношения

табл.

коурановых обрастаниях и самостоятельных тем­

2

и показаны на диаграммах (рис.

4).

Гео­

-

0,5-0,7.

Содержание урана в высо­

хронологические данные для метаосадка Федоров­

ных зернах значительно выше, величина

ской структуры привдены в таблицах

ношения ниже,

заны на диаграммах (рис.

3-4

и пока­

5).

6 приведен график нормированнных к
(Anders, Grevesse, 1989) содержаний РЗЭ в

около

кинской структуры Приазовья

ионов

[УЬ]

< 345 ppm)

от­

В пробе циркона из метаосадка Федоровской

структуры (проба

представительных цирконах из парагнейсов Соро­

75 <

Th/U

сильно дис­

кордантны.

На рис.

хондриту

изотопные возрасты

(25 < YЬJSmn < 11 О;

и в типичном цирконе из ар­

хейского тоналита (YЬn/Smn=68; [УЬ)=335

ppm).

89/551)

было проанализировано

90 зерен на масс-спектрометре вторичных
NORDSIM, в основном в ядерных частях
зерен. Из них 12 ядер имели возраст по изотопному
20
отношению 207РЫ 6I>ь более 3500 млн лет; возрасты


159

Е. В. Бибикова и др. Время зарождения континентальной коры в ранней истории Земли

24

ядер лежали в интервале

3300-3500 млн лет.

Поскольку в этой возрастной группе часть изо­
топных возрастов
можно

была дискордантна

предполагать,

что

часть

имела исходный возраст древнее

(табл.

этих ядер

3500 млн

2),

также

лет, но

возрасты были омоложены в ходе архейских и

Q)

"'

IJ;

ro

I

..Q

~

()

изотопному отношению 201 Р Ь/206 Р Ь в интервале

3000-3300 млн лет.

В

25

:s:
о

I
f--

0

точках цирконов возраст

по изотопному отношению

2700-2900 млн

N=41

о
а.

Это относится и к ядрам, имеющим возраст по

метаморфических

CU1

дискордантность <;10%

I
f-IJ;

воздействий.

протерозойских

Сороки, метаосадок

..Q

t>о

207

РЫ

206

РЬ составил

лет, что говорит о присутствии на­

2600

2800

3000

3200

3400

3600

3800

4000

возрасr07 РЫ 206РЬ

ряду с палеоархейскими мезоархейских пород в

а)

составе питающей провинции.
Близкие к этому данные были получены и ме­

1

89/Q51,

метаосадок

тодом лазерной абляции. Было проанализировано

Федоровская ~труктур а

цирконов, обычно в тех же точках, что и на

Дискордантность< 1О %

40

N=84

ионном микрозонде. Возрасты древнее
лет были получены в

7 точках,

3500 млн
3300-3500 - в 22.

Однако поскольку очень много данных было дис­
кордантно,

древнее

можно

3500 млн

предполагать,

что

возрасты

\

лет имело значительно большее

число цирконов. Меньшее количество цирконов,

датированных методом лазерной абляции в ин­
тервале

2,7-3,2 млрд лет,

датирования выбирались наиболее древние ядра

1
2600

2800

3000

цирконов по данным датирования на ионном мик­

Как видно из рассмотрения геохронологиче­

таты

U-Pb

3, 4).

3400

возраст2° РЫ
б)
Рис.

7.

Сравнительные

206

3600

~

/\
3800

4000

РЬ

гистограммы

распространенности

возрастов по изотопному отношению Рьt206 РЬ для
метаосадков (а) Федоровской структуры; (б) -

207

изотопного анализа двумя методами в

целом совпадают (табл.

3200
7

розонде.

ских данных, полученных для цирконов, резуль­

·~

11

объясняется тем, что для

Сорокинской структуры Приазовья

Данные, получен­

ные методом лазерной абляции, во многих случаях
более дискордантны, что легко о~ъяснимо значи­

молодых цирконов

тельно большей глубиной кратера (около

этой структуры значителен. Это отражается и в

30 мкм),

(2,7-3,1

млрд лет) в осадках

часто проникающего в другую зону циркона (воз­

результатах изучения

можно, из ядра в оболочку). Если сравнивать воз­

(табл.

растной спектр терригенных цирконов по изотоп201
206
ному отношению
РЫ РЬ в метаосадках Федо-

пления осадков в Федоровской зеленокаменной

ровской и Сорокинской структур (рис.

то не­

оархейские породы, вклад разрушавшихся палео­

смотря на то, что в метаосадках обеих структур

архейских пород в осадок был значительно мень­

7),

присутствуют цирконы, возраст ядер которых пре­

вышает

3,5 млрд

лет, соотношение самых древних

и более молодых ядер в них различно. В мета­
осадках Сорокинской структуры имеется два воз­
растных пика:
Изотопные

3,5-3,7 млрд лет и 3,2-3,0 млрд

возрасты

терригенных

цирконов

лет.
из

Федоровской структуры распределены более рав­
номерно между

2,7

и

3,6 млрд

лет, вклад более

4).

Sm-Nd

изотопной системы.

Можно утверждать, что на момент нако­

структуре в области сноса преобладали мезо и не­

ше, чем в Сорокинской структуре.

Сравнивая два метода локального
топного

изучения

цирконов можно

U-Pb

изо­

отметить хо­

рошую сходимость результатов. Наибольшие труд­
ности при расчете и анализе изотопных данных,

полученных методом лазерной абляции, связаны с
невозможностью

свинца

204,

измерения

содержания

изотопа

по которому вводится поправка на


Глава

160

11. Реконструкция химических

и геологических условий на ранней земле

Таблица
Изотопные данные для двуслюдяного парагнейса

r

Номер
образца,

Содержание,

u
224
323
208
110
398
209
25
263
35
100
87
36
135
118
150
141
26
121
84
143
75
71
40
214
13
156
83
95
234
275
83
138
134
618
379
462
286
81
241
59
849
175
202
104
341
349
264
170
172
102
168
54
363
94
120
146
76
152

точка

551-1
551-2
551-3
55J-4a
551-5а

551-5Ь

551-бЬ
551-7а

551-7Ь

551-8
551-9
551-10
551-J la
551-Jlb
551-12
551-14
551-15
551-17
551-18
551-19
551-20
551-21
551-22
551-23
551-24
551-25
551-26
551-27
551-30
551-35
551-36
551-41а

551-41Ь

551-44
551-47
551-49
551-51
551-53
551-54
551-56Ь

551-49r
551-59
551-60
551-62
551-63
551-65
551-66
551-68
551-70
551-77
551-81
551-83
551-86
551-87
551-88
551-89
551-90
551-92

89-551

Федоровской структуры Приазовья
Изотопные

ppm

Th/U

Th

РЬ

82
125
76
52
240
85
103
91
28
86
84
57
103
110
69
155
8
133
67
51
164
36
15
153
16
60
100
122
109
140
47
107
88
209
184
270
119
29
163
7
378
128
127
103
100
132
127
129
63
294
77
18
141
42
34
78
45
141

214
339
154
97
417
209
32
167
28
91
68
31
140
91
111
113
20
102
65
134
72
66
33
227
11
133
63
76
171
204
79
133
133
521
423
467
241
60
248
47
845
128
153
95
321
311
214
205
174
105
156
38
259
106
85
151
59
137

0,39
0,38
0,39
0,40
0,63
0,42
4,37
0,27
0,80
0,88
0,93
1,55
0,69
0,93
0,45
1,07
0,30
1,08
0,78
0,33
2,12
0,49
0,37
0,6
1,24
0,35
1,07
1,28
0,42
0,31
0,53
0,78
0,68
0,26
0,50
0,50
0,39
0,31
0,60
0,10
0,43
0,75
0,63
1,04
0,29
0,34
0,42
0,7
0,34
2,75
0,43
0,29
0,35
0,39
0,25
0,48
0,52
0,70

206

РЬ обыкн.

0,01
0,01
0,02
0,03
0,01
0,02
0,19
0,09
0,04
0,02
0,04
0,16
0,01
0,02
0,07
0,03
0,04
0,04
0,07
0,02
0,03
0,05
0,01
0,02
0,08
0,03
0,01
0,03
0,02
0,06
0,03
0,05
0,02
0,05
0,01
0,04
0,02
0,16
0,03
0,08
0,03
0,01
0,03
0,04
0,02
0,02
0,04
0,02
0,04
0,05
0,02
0,08
0,02
0,03
0,05
0,01
0,11
0,25

шениях

РЬ/

238

U,

207

РЬ/

235

U составила 1~2 % (lcr).

Возраст, млн

отношения*

лет±2п

2о•рыzз•u

201pьf2зsu

201ры2"Рь

0,6876
0,7412
0,5655
0,6184
0,7151
0,7056
0,5426
0,4767
0,5607
0,6178
0,5358
0,5365
0,6941
0,5322
0,5566
0,5385
0,5799
0,5618
0,5500
0,6830
0,5386
0,6691
0,6192
0,7148
0,5403
0,6293
0,5048
0,5238
0,5463
0,5595
0,6683
0,6468
0,6873
0,6247
0,7616
0,6800
0,6178
0,5691
0,7044
0,6276
0,6844
0,5250
0,5510
0,6097
0,6900
0,6401
0,5788
0,7785
0,7180
0,5308
0,6661
0,5511
0,5487
0,7698
0,5529
0,7221
0,5690
0,6241

27,276
32,350
16,128
25,889
29,359
29,369
14,932
15,408
16,182
19,890
14,700
14,424
29,349
14,033
15,597
14,391
17,151
15,772
14,965
26,224
14,454
25,036
19,942
30,089
14,297
22,013
13,310
13,290
16,053
17,775
26,141
23,973
25,683
23,549
35,309
31,918
21,616
16,529
29,160
21,184
31,002
13,666
15,300
18,946
27,307
25,756
21,563
37,687
31,098
14,060
24,773
15,598
15,276
36,826
15,671
30,181
17,280
21,814

3405 ± 12
3553 ± 16
2881±10
3489± 16
3459 ± 5
3480 ± 6
2823 ± 14
3082 ± 5
2900 ± 18
3076± 6
2818 ± 8
2785 ± 17
3504± 17
2753 ±9
2852 ± 6
2775 ± 7
2940± 14
2855 ± 7
2804± 11
3354 ± 21
2782 ± 10
3314 ± 11
3077 ± 13
3497 ± 21
2758 ± 21
3208 ± 10
2753 ± 9
2689 ± 9
2929 ± 5
3055 ± 13
3383 ± 9
3299±6
3312 ± 6
3326 ± 7
3646 ±4
3665 ± 5
3208 ±24
2911±14
3471±5
3151±13
3610 ± 23
2732 ± 8
2837 ± 5
3019 ± 6
3402 ± 10
3427 ± 9
3307 ± 8
3712 ± 15
3541±43
2760 ± 10
3304 ± 5
2869 ± 16
2842 ± 6
3694 ± 24
2871±10
3486 ± 32
2982 ± 10
3207 ± 16

* Отношение радиогенных изотопов. Поправка введена по содержанию изотопа
206

3

204

Степень
диск. 0/о

-1,2
0,8
0,3
-3
0,7
-1,4
-1,2
-0,5
-1,3
1,0
-2,3
--0,7
-3,9
--0,1
0,0
0,1
0,3
0,8
0,9
0,1
-0,2
-0,4
1,2
--0,7
1,2
-2,4
-5,2
1,2
-5,О

-7,7
-3,2
-3,2
2,3
-7,5
0,1
-7,8
-4,2
-0,3
-1,3
-0,5
-8,8
-0,5
-0,3
2,1
-0,7
-8,8
-8,О
о
-2,О

-0,7
--0,5
-1,7
-0,9
-0,5
-1,5
0,7
-3,3
-3,2

РЬ. Ошибка в изотопных отно­


Е. В. Бибикова и др. Время зарождения континентальной коры в ранней истории Земли

161
Таблица4

Изотопные данные для метаосадка Федоровской структуры Приазовья

Номер,

(LA-ICP-MS)
Возраст,

Содержание,

Изотопные отношения*

ppm

млн

лет±2а

точки

u

Th

Th/U

вsu ро6рь

85,5

26,1

0,3

1,411 ±0,036

03

98,8

47,0

0,5

02

166,8

54,8

0,3

201ры206рь

206ры2зsu

Двуслюдяной прагнейс, проба

04

201ры2зsu

201ры206рь

Степень

диск.%

89-551
-1,2

0,304 ± 0,006

0,709 ± 0,018 29;725 ± 0,763

3492 ± 32

1,835 ± 0,046

0,208 ± 0,004

0,545 ± 0,014

15,647 ± 0,401

2892 ± 33

-1,1

1,605 ± 0,042

0,268 ± 0,006

0,623 ± 0,016 23,020 ± 0,636

3294 ± 35

-3,0

01

320,7

85,3

0,3

1,548 ± 0,039

0,274 ± 0,006

0,646 ± 0,016 24,452 ± 0,628

3332 ±32

-5,2

101

262,9

95,8

0,4

1,548 ± 0,039

0,271±0,006

0,646 ± 0,016 24,131±0,622

3311 ±32

-3,6

05

346,8

85,4

0,2

1,554 ± 0,039

0,290 ± 0,006

0,644 ± 0,016 25,770 ± 0,665

3420 ± 32

-3,0

102

259,1

101,2

0,4

1,828 ± 0,046

0,201±0,004

0,547 ± 0,014

15,185 ± 0,394

2837 ± 34

-6,3

11

189,0

184,5

1,0

1,637 ± 0,042

0,289 ± 0,006

0,611 ±0,016 24,362 ± 0,634

3413 ± 32

-0,9

13

283,4

170,2

0,6

1,818 ± 0,046

0,228 ± 0,005

0,550 ± 0,014

17,297 ±0,451

3039 ± 33

-9,9

16

345,7

87,9

0,3

1,715 ± 0,047

0,235 ± 0,006

0,583 ± 0,016

18,927 ± 0,554

3090 ± 37

-7,0

19

142,3

33,1

0,2

1,504 ± 0,038

0,286 ± 0,006

0,665 ± 0,017 26,253 ± 0,690

3399 ± 33

-4,2

23

199,О

71,l

0,4

1,410 ± 0,035

0,304 ± 0,007

0,709 ± 0,018 29,692 ± 0,782

3489 ± 34

-3,3

21

177,2

89,3

0,5

1,596 ± 0,045

0,266 ± 0,006

0,627 ± 0,016 23,007 ± 0,631

3285 ± 34

-1,0

26

169,9

62,7

0,4

1,857 ± 0,042

0,194 ± 0,006

0,539 ± 0,015

14,427 ± 0,428

2779 ± 39

-4,5

36

189,2

84,l

0,4

1,617 ± 0,051

0,286 ± 0,006

0,619 ± 0,016 24,351 ± 0,665

3393 ± 33

-8,5

40

661,4

90,l

0,1

l,742 ± 0,043

0,270 ± 0,006

0,574 ± 0,015 21,339 ± 0,555

3304 ± 32

-11,5

41Ь

213,4

129,9

0,6

1,538 ± 0,045

0,271±0,006

0,650 ± 0,017 24,339 ± 0,634

3315 ± 32

-2,6

41а

197,6

175,7

0,9

1,767 ± 0,039

0,268 ± 0,006

0,566 ± 0,015 20,881 ± 0,546

3293 ± 32

-12,2

42

816,7

296,2

0,4

2,267 ± 0/045

0,274 ± 0,006

0,441±0,012

16,637 ± 0,471

3327 ± 36

-29,2

103

390,6

266,0

0,7

4,498 ± 0,060

0,317 ± 0,008

0,222 ± 0,006

9,706 ± 0,287

3554 ± 36

-63,6

44

984,5

294,7

0,3

l,535 ± 0,124

0,273 ± 0,007

0,651±0,018 24,547 ± 0,738

3325 ± 38

-2,8

47а

540,4

247,1

0,5

1,350 ± 0,042

0,331 ± 0,008

0,741±0,020 33,763 ± 0,990

3620 ± 36

-1,3

47Ь

973,7

282,7

0,3

3,358 ± 0,037

0,302 ± 0,007

0,298 ± 0,008

12,418 ± 0,361

3483 ± 36

-51,7

49а

552,9

126,5

0,2

1,745 ± 0,091

0,314 ± 0,007

0,573 ± 0,015 24,822 ± 0,682

3541 ± 33

-17,5

49Ь

996,7

316,1

0,3

1,472 ± 0,046

0,314 ± 0,007

0,679 ± 0,018 29,425 ± 0,812

3542 ± 34

-5,6

50

681,1

354,l

0,5

4,097 ± 0,039

0,229 ± 0,005

0,244 ± 0,006

7,707 ± 0,204

3045 ± 35

-53,8

51

348,4

132,6

0,4

l,738 ± 0,104

0,228 ± 0,005

0,575 ± 0,015

18,105 ± 0,484

3040 ± 34

-3,6

54

240,3

132,5

0,6

1,451±0,045

0,306 ± 0,005

0,689 ± 0,018 29,108 ± 0,780

3502 ± 33

-3,5

55

264,5

133,2

0,5

1,505 ± 0,038

0,281 ± 0,006

0,664 ± 0,019 25,715 ± 0,752

3367 ± 35

-2,5

56а

174,0

121,3

0,7

1,593 ± 0,042

0,285 ± 0,007

0,628 ± 0,017 24,628 ± 0,721

3388 ± 36

-7,3

56Ь

53,4

4,9

0,1

1,407 ± 0,044

0,296 ± 0,006

0,711 ± 0,018 28,994 ± 0,765

3449 ± 32

0,3

104

72,8

28,9

0,4

l,436 ± 0,037

0,292 ± 0,006

0,697 ± 0,018 28,067 ± 0,745

3430 ± 32

-0,6

80

713,8

328,9

0,5

l,923 ± 0,037

0,284 ± 0,006

0,520 ± 0,013 20,378 ± 0,543

3386 ± 34

-20,3

81

491,9

137,1

0,3

3,120 ± 0,049

0,236 ± 0,005

0,321±0,009

10,441 ± 0,282

3095 ± 33

-42,1

84

696,0

1162,3

1,7

4,398 ± 0,083

0,234 ± 0,006

0,227 ± 0,006

7,331±0,214

3079 ± 39

-57,1

85

132,8

147,0

1, 1

2,139±0,117

О, 194

0,467 ± 0,013

12,523 ± 0,359

2779 ± 37

-11,0

105

1107,9

404,4

0,4

2,137 ± 0,059

0,226 ± 0,006

0,468 ± 0,013

14,562 ± 0,445

3022 ± 40

-18,1

87

98,4

32,3

0,3

l,329 ± 0,059

0,357 ± 0,008

0,753 ± 0,019 37,090 ± 0,982

3739 ± 32

-3,3

89

347,3

244,1

0,7

1,503 ± 0,034

0,295 ± 0,008

0,666 ± 0,019 27 ,042 ± 0,850

3442 ± 40

-4,5

91

1005,0

303,0

0,3

7,079 ± 0,042

0,249 ± 0,006

0,141±0,004

3182±35

-52,6

106

382,8

63,5

0,2

1,740 ± 0,186

0,247 ± 0,005

0,575 ± 0,016 19,571±0,554

3166±35

-7,5

92

865,0

603,6

0,7

7,500 ± 0,047

0,213 ± 0,005

0,133 ± 0,003

2932 ± 37

-50,1

± 0,004

4,859 ± 0,135
3,923 ± 0,108


Глава

162

11. Реконструкция

химических и геологических условий на ранней земле

Таблица

5

Изотопное исследование неодима в метаосадках Федоровской и Сорокинской структур Приазовья
Содержание,
Образец

Изотопные отношения

ppm

Тип породы

[Sm]

ю 8 m/t44Nd

[Nd]

T(DM),

t43Nd/t44Nd

±

Ga, млрд лет

2о

Сорокинская структура Приазовья

7/12

гнейс метаосадочн.

2,9

18,5

0,0953

0,510626

0,000012

3,3

7111

гнейс метаосадочн.

2,1

13,1

0,0972

0,510589

0,000008

3,4

5-88

метапесчаник

2,2

13,7

0,0985

0,510584

0,000005

3,4

0,051153

0,000004

3,00

Федоровская структура Приазовья

89-551

4,5

гнейс метаосадочн

25,2

0,1076

* Измеренные величины. Поправка на примесь обыкновенного свинца не вводилась.
присутствие

в

цирконе обыкновенного свинца.

литофилен, чем

Однако доля

204

РЬ обычно так мала, особенно в

с течением времени происхо­

дит обогащение континентальной коры

Lu,

Hf

отно­

древних архейских цирконах, в которых накопле­

сительно

но большое количество радиогенного свинца, что

му изотопному составу гафния в коре относи­

не учет обыкновенного свинца практически не

тельно

деплетированой

влияет на вычисленные возрасты. Другим недос­

1981).

В этом отношении

татком метода лазерной абляции является большее
количество расходуемого

вещества на

анализ

-

Lu,

что приводит к более нерадиогенно­

ма аналогична
распада

Lu

Sm-Nd,

короче, чем

мантии

(Patchett et al.,
Lu-Hf изотопная систе­

а поскольку период полу­

Sm,

разрешение этой сис­

более глубокий кратер. Необходимо использо­

темы выше. Преимущества этой системы также в

вать достаточно крупные зерна, размером более

том, что гафний, изоморфно замещающий цирко­

100 мкм.

Поскольку в нашем случае датировались

ний в структуре циркона, содержится в цирконах

древние

терригенные

цирконы,

состоящие,

как

в значительно более высоких концентрациях, чем

правило, из ядра и оболочки, возникала опасность

редкоземельные элементы. Величина

захвата вещества из различных генераций цирко­

ношения в цирконах обычно ниже

на. К сожалению, датировать достаточно тонкие

словами циркон

оболочки и обрастания на цирконах методом ла­

личину изотопного отношения

зерной абляции не представляется возможным.

мент своей кристаллизации. Скорость диффузии

Установление времени экстракции первичных

Lu-Hf от­
0,001, иными

сохраняет почти первичную

176

Hf/

177

ве­

Hf в мо­

гафния в цирконе также мала

Авторы

( Cernyaiak et а!.,
(Vervoot et al., 1999) показали, что в

расплавов из мантии успешно решается в послед­

1999).

ние годы с использованием

процессе седиментации не происходит значительно­

системы породы в целом и

го фракционирования

Sm-Nd изотопной
Lu-Hf изотопной сис­

Проведенное

Lu-Hf отношения в цирконе.
U-Pb возрас­

Связав Нf-модельный возраст с

темы цирконов.

Sm-Nd

изотопное исследование

том

кристаллизации

циркона

можно

установить

пород в целом, результаты которого приведены в

связь между возрастом магматической активности

табл.

установило для метаосадков Сорокинской

и временем формирования новой коры. Отсюда

3,4-

следует, что изотопный состав гафния является

5,

структуры модельные возрасты в интервале

3,2 млрд лет.

Модельный

Sm-Nd

возраст мета­

осадка Федоровской структуры оказался значи­

тельно меньше, около

мерилом

возраста

прошедшего

с

коры,

т. е.

среднего

времени,

момента, когда источник магмы,

млрд лет, что говорит о

из которой кристаллизовался циркон, был экст­

большем вкладе в осадок терригенного материала

рагирован из мантии (деплетированной мантии).

за счет разрушения более молодых мезо- и неоар­

Полученная таким образом информация ценна для

хейских пород.

установления

3,0

Интересные данные о предыстории цирконов

характера

в осадках могут бьпь получены при изучении

следовательно,

изотопной системы цирконов. Поскольку

ции коры.

Lu-Hf
Hf более

эволюции

состава

маг­

мы, выявления особенностей источника породы,
для

составления

модели

эволю­


Е. В. Бибикова и др. Время зарождения континентальной коры в ранней истории Земли

163

Полученные изотопные данные продемонст­

4

рировали, что Нf-модельные возрасты цирконов

парагнейс
Сорокинская структура

CU-1,

относительно деплетированной мантии (TНFDM)

лежат в двух возрастных группах

3
V1

3,2

ф

млрд лет (рис.

8).

3,8-3,9

и

3,0-

Сравнение изотопных воз­

.Q

растов

Е

~

2

207

v
о

3150

l'v

3350

t.J

3450

3550

возраст2° РЫ
а)
7

206

изотопному

отношению

РЫ206РЬ и Нf(DМ)-модельных возрастов тех же

нов с возрастами по 201 РЫ206 Р ь в интервале

l\J
3650

1\

[\__

3750

зано, по-видимому, с потерей радиогенного свин­

ца при древнем метаморфизме.

РЬ

Для установления возраста первичной коры,

отделившейся от мантии, используя

5

CU-1,

3 ,3-

3,7 млрд лет к единой возрастной группе. Зани­
жение 207 РЫ206 РЬ возраста у части цирконов, свя­

l/J\

v

/
3250

по

цирконов демонстрирует принадлежность цирко-

п~

r

цирконов

Lu/Hf

изо­

топную систему цирконов, необходимо устано­

парагнейс

вить (принять) величину изотопного отношения

Сорокинская структура

Hf/ 177Hf в отделившемся магматическом резер­

176

4

2

вуаре. Эта величина коренным образом различа­
ется в мафическом

(0,02-0,03) и гранитном (0,01)
резервуарах (Pietranik et al" 2008). На диаграмме
177
«изотопный состав гафния (1 76 Hf/ Hf)in - воз­
раст», (рис. 9), точки цирконов из метаосадков

3

Е

::J

z

2

Сорокинской структуры аппроксимируются пря­

мой с наклоном, отвечающим 176Lu/ 177Hf= 0,0220,024, и пересекающей линию деплетированной

01.j..._.~L....-iLJ...h.J...L_-1,..L~L..LJ_µ...L.L_Lh-Ч--1...h...~-4-1-,__,_:"--'~

3500

3600

3700

3800

3900

4000

4100

Hf (DM) Model age

мантии в точке, соответствующей возрасту около

4,2

б)

млрд лет. Полученные данные согласуются с

результатами изучения изотопного состава гафния
Рис.

8.

Сравнение изотопных возрастов цирконов из ме­

в цирконах из метаосадков провинции Слейв, Ка­

таосадков

нада

Сорокинской

изотопному отношению

структуры
207

РЬ/

206

Приазовья

по

РЬ и Нf-модельных

(Pietranik et al., 2008).

Результаты исследования подтверждают пер­

возрастов в тех же зонах цирконов

вичность в истории Земли коры основного состава,
из которой значительно позже (на

Нами был изучен изотопный состав гафния в

400-500

млн лет)

выплавились породы тоналитового состава

( Gali-

терригенных цирконах из кварцитов Сорокинской

mov,

структуры Приазовья, практически в тех же зо­

тоналитового состава возрастом

нах, в которых проводилось

и присутствуют в осадках в качестве терригенной

U-Pb

изотопное да­

тирование цирконов на ионном микрозонде. Из­

BiЫkova,

2007).

Именно цирконы из пород

3,6-3,7

млрд лет

компоненты.

мерения изотопного состава гафния были выпол­

Изотопно-геохронологическое

и

изотопно­

нены в Отделении Наук о Земле Бристольского

геохимическое

Университета методом лазерной абляции на мно­

из метаосадочных пород Приазовья (Украинский

гоколлекторном

щит) выявило новый фрагмент палеоархейской ко­

ICP-MS Neptune

с использовани­

ем 193 нм ArF лазера по методу, описанному в
(Dhuime et al., 2007). При расчетах использовалась
176
следующая константа распада лютеция:
Lu =
= 1,867Е-11 ± 8Е-14 (Soderlund et al., 2004). Под­
робно эти данные рассмотрены в статье (Shumlyanskii et al., в печати).

ры

изучение

преимущественно

растом не менее
рованный

к

3,8

терригенных

тоналитового

цирконов

состава

воз­

млрд лет, полностью денуди­

настоящему

времени.

Полученные

данные расширяют наше знание о масштабах фор­
мирования и геохимических особенностях ранней
коры Земли.


Глава

164

11.

Реконструкция химических и геологических условий на ранней земле

Periazov metasediments
10

DM
ОМ

8

Reservoir

6
3.8

4
2

..::-

:::i::

о

tlJ
пelu/111Hf

-2
-4
-6
-8

-10
2500

2700

2900

3100

3300

3500

3700

3900

4100

4300

4500

201РЫ2оврь age (Ма)
а)

Periazov metasediments
10

DM
DM Reservoir

8

6
4.2

4
2
..:::::i::

о

tlJ
пвlu/111Hf

-2
-4

0.022

-6
-8

-10
2500

2700

2900

3100

3300

3500

3700

3900

4100

4300

4500

201РЫ2оврь age (Ма)
б)

Рис. 9. Диаграмма «ИЗОТОПНЫЙ состав гафния {1 Hf/ Hf);n-BOЗpacт» для цирконов из метаосадков Сорокинской структуры.
176
Фигуративные точки цирконов аппроксимируются прямой с наклоном, отвечающим
Lu/ 177 Hf 0,022-0,024, и пере­
секающей линию деплетированной мантии в точке, соответствующей возрасту в 4,2 млрд лет

76

177

=

следовательность формирования Сорокинской зеле­

нокаменной структуры// Геол. журн. №

Литература

Бибикова Е. В.

(1989)

3.

С.

78-84.

Уран-свинцовая геохронология

ранних этапов развития древних щитов// М: Наука.
Артеменко Г В.

(1997)

Нижняя возрастная граница оса­

дочных пород в Сорокинской и Федоровской грабен­

140 с.
Бибикова Е. В.

(2004)

Древнейшие породы Земли: изо­

19.

топная геохронология и геохимия изотопов //Ми­

Артеменко Г В., Татаринова Е. А., Попов Н. И, Раздо­

Бибикова Е. В., Клаэссен С., Федотова А. А., Артемен­

синклиналях (Приазовье)
№

6.

с.

//

Минерал. Журн. Т.

нералогический журнал. Т.

77-81.

рожный В. Ф., Довбуш Т И

(2001)

Возрастная по-

ко Г В., Ильинский Л.

26. № 3.

(2010)

С.

13-21.

Терригенный циркон


Е. В. Бибикова и др. Время зарождения континентальной коры в ранней истории Земли

архейских зеленокаменных

поясов

источник

-

информации о ранней коре земли: Приазовье и При­

днепровье,
С.

Украинский

щит

//

Геохимия.

№

9.

899-916.

Бобров О. Б., Сiворонов А. О., Гурський Д С.

(2000)

Гео­

логiчна будова та золотоноснiсть Сорокинськоi зе­
ленокам' яноi структури (Захiдне Приазов'я): Мо­

нографiя. Днiпропетровськ: Арт-Пресс, Техпечать.

148

с. (На украинском.)

ВасШ1ьченко В. В., Киселев В. А., Загнитко В. Р.

(1992)

Чарнокитоиды Восточного Приазовья// Геол. Журн.

№

1.

С.

27-34.

Зеленокаменные пояса фундамента Восточно-Европей­
ской платформы (геология и петрология вулкани­

тов).

Л.: Наука.

( 1988)

с. (Ссьmка к карте.)

215

Исаков Л. В., Бобров А. Б., Паранько И С., Сукач В. В.,
Шпыльчак В. А., Кичурчак В. М, Кандшщ Ю. С.

(2010)

О необходимости выделения январского гранитного

комплекса в пределах Западноприазовского геобло­
ка //Тезисы докладов Международной научно-прак­

тической конференции «Стратиграфия, геохроноло­
гия и корреляция нижнедокембрийских породных

комплексов фундамента Восточно-Европейской плат­
формы». УкрГГРИ.

252

с.

Костицын Ю. А., Белоусова Е. А., Бычков Я А.
иск

следов

древней

коры

свинцовое исследование

тодом лазерной абляции

на

(2009)

Камчатке:

По­

уран­

детритовых цирконов ме­

//

Изотопные системы и

время геологических процессов. СПб.: ИГГД РАН.

т.

1 с. 255.

ЛавриненкоЛ. Ф., Лунева О. П, Полуновский Р. М

(1973)

Метаморфизованные обломочные породы в разрезе
осипенковской

ского массива

свиты Приазовского

//

кристалличе­

Литология и осадочная геология

докембрия. Тез. Докладов Х Всероссийского лито­
логического совещания. М. С.

56-57.

Пояснювальна записка до Державноi· геологiчноi· карти
Украiни. Масштаб

1: 200 ООО. (1990) Центрально­
L-36-VI (ЗАПОРIЖЖЯ) i

украlнська серiя. Аркушi

L-37-1

(ПОЛОГИ) Склали: А. А. Петренко (вiдповi­

дальний виконавець), В. О. Шпильчак, А.

1.

Некряч.

(На украинском.)
Тейлор С. Р., Мак-Леннан С. М

Континентальная

(1988)

кора, ее состав и эволюция. М.: Мир.

384

Федотова А. А., Бибикова Е. В., Симакин С. Г

с.

(2008)

Гео­

химия циркона (данные ионного микрозонда) как
индикатор генезиса минерала при геохронологиче­

ских исследованиях

// Геохимия.

№

9.

С.

980-997.

Щербак Н. П, Артеменко Г В., Лесная И М, Понома­
ренко А. Н.

(2005)

Геохронология раннего докем­

брия Украинского щита. Архей.
Думка.

243

//

Киев: Наукова

с.

Щербак Н. П., Загнитко В. Н., Артеменко Г В" Барт­
ницкий Е. Н

(1995)

Геохронология крупных геоло-

гических событий в Приазовском блоке УЩ
химия и рудообразование. №

Щербаков И Б.

21.

С.

165
//

Гео­

112-129.

(2005) Петрология Украинского щита.
Львов: ЗУКЦ. 364 с.
А Geologic Time Scale (2004) / Eds. Felix М. Gradstein,
James G. Ogg, Alan G. Smith. Cambridge University
Press
Anders Е., Grevesse N. (1989) Abundances of elements:
Meteoritic and solar // Geochimica et Cosmochimica
Acta. У. 53. Р. 197-214.
Biblkova Е. V, Baadsgaard Н (1986) Sm-Nd isotopic dating of the ancient formations of the Ukrainian shield
and Omolon massif. // Geochemistry lntemational. № 5.
601-618.
Biblkova Е. V, Williaтs L S. (1990) lon microprobe U-Тh­
Pb isotopic studies of zircons from three Early Precambrian areas in the USSR // PrecambrianResearch. У. 48.
Р. 203-221.
Cherniak J D., Hanchar J М, Watson Е. В. (1999) Diffusion of tetravalent cations in zircon // Contr. Mineral.
Petrol. V. 127. Р. 383-390.
Claesson S., Biblkova Е., Bogdanova S., Skobelev V (2006)
Archaean Terranes, Palaeoproterozoic Reworking and
Accretion in the Ukrainian Shield, East-European
Craton // European Lithosphere Dynamics. The Geological
Society ofLondon. Р. 645-654.
DePaolo D. J.(1981) Nd isotopes in the the Colorado
Front Range and crust-mantle evolution in the Proterozoic // Nature. V. 291. Р. 193-196.
Dhиiтe В., Bosch D., Bruguier О., СаЬу R., Pourtales S.
(2007) Age, provenance and post-deposition metamorphic
overprint of detrital zircons from the Nathorst Land
group (NE Greenland) А LA-ICP-MS and SIМS study //
Precaтbrian Research 155. 24-46.
Galiтov Е., Biblkova Е. (2006) Time and geodynamic constraints on the formation and evolution of the Early
Earth's crust // 16 Annual Goldschmidt Conference. Melbum, Australia.
Hawkesworth С. J, Кетр А. L S. (2006) Using hafnium and
oxygen isotopes in zircon to unravel the record of crustal evolution // Chemical Geology. У. 226. Р. 144-162.
Maas R., McCulloch М Т. (1991) The provenance of Archaean clastic metasediments in the Narryer Gneiss Complex, Westem Australia: trace element geochemistry, Nd isotopes, and U-Pb ages for detrital zircons // Geochimica
et CosmochimicaActa. У. 55. № 3. Р. 1915-1932.
Martin Н., Sтithies R. Н., Rapp R, Моуеп J-F, Chaтpion D.
(2005) An overview of adakite, tonalite-trondhjemitegranodiorite (TTG), and sanukitoid: relationships and
some implications for crustal evolution // Lithos. У. 79.
Р. 107-128.
Nutтan А. Р (2001) On the scarcity of > 3900 Ма detrital
zircons in 2:3500 Ма metasediments // Precambrian Res.
V. 105. Р. 93-114.


166

Глава

11.

Реконструкция химических и геологических условий на ранней земле

Patchett J. Р, Kouvo О., Hedge СЕ., Tatsumoto М (1981)
Evolution of continental crust and mantle heterogeneiJy: evidence from hf isotopes // Contr/Мineral. Petrol.
V. 78. Р. 279-297.
Pietranik А. В., Hawkesworth С J, Storey G. D., Кетр А.! S.,
Sircomhe KN, Whitehouse М J., Вleeker W (2008) Episodic, mafic crust formation from 4.5 to 2.8 Ga: New
evidence from detrital zorcons, Slave craton, Canada //
Geology. V. 36. Р. 875-878
Soderlund И., Patchett Р J., Vervoort J. D., Isachsen С Е.
(2004) Тhе 176Lu decay constant determined Ьу Lu-Hf
and U-Pb isotope systematics of Precambrian mafic
intrusions // Earth Planet. Sci. Lett. 219. 311.

Whitehouse М, Claesson S., Sunde Т., Vestin J. (1997) Ion
microprobe U-Pb zircon geochronology and coпela­
tion of Archaean gneisses from the Lewisian Complex
of Gruinard Вау, northwest Scotland // Geochimica
CosmochimicaActa. V. 61. Р. 4429-4438.
Whitehouse М J., Kamber В. S., Moorbath S. (1999) Age
significance of U-Тh-РЬ zircon data from early Archaean rocks of west Greenland - а reassessment based
оп combined ion-microprobe and imaging studies // Chemical Geology. V. 160. Р. 201-224.
WildeS., ValleyJ W, Peck W Н, Grahams СМ (2001) Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago // Nature. V. 409. 175-178.


БАЛАНС ВЕЩЕСТВА В СИСТЕМЕ

((АТМОСФЕРА-ГИДРОСФЕРА-КОРА" РАННЕЙ ЗЕМЛИ

А. А. Новоселов, С. А. Силантьев
Институт геохимии и аналитической химии им. В. И Вернадского РАН.

alexey@ige. ипiсатр. br

В настоящем исследовании рассмотрен возможный сценарий эволюции системы «атмосфера

сфера

-

-

гидро­

кора» ранней Земли в ходе трансформации условий на поверхности молодой планеты от сосуще­

ствующих магматического океана (океанов) и высокоплотной водно-углекислотной или водно-метановой
атмосферы до состояния среды, благоприятного для зарождения жизни. С помощью термодинамического
моделирования реконструированы геохимические особенности гидротермальных процессов, происходив­
ших при взаимодействии водного флюида с твердой оболочкой остывающего магматического океана, а так­
же

процессы

низкотемпературного

выветривания,

протекавшие

как

в

условиях

океанического

дна,

так

и

субаэральные. Показано, что при условии существования на ранней Земле углекислотной атмосферы, в ре­

зультате гидротермального преобразования протокоры, состоящей из базальтового коматиита, и низкотем­
пературных процессов выветривания за относительно короткий промежуток времени мог сформироваться
состав морской воды, близкий к современному, а углекислый газ мог эффективно аккумулироваться в форме
карбонатных минералов в толще протокоры.

формировании земного ядра

Введение

( Galimov, 2005).

Об­

разование магматического океана на земной по­

Ряд моделей развития ранней Земли подразу­

верхности

вероятно

происходило

многократно.

мевают формирование в ходе ее аккреции и ран­

Каждое подобное событие должно было приво­

ней

дить к аккумуляции большей части летучих ве­

эволюции

поверхностного

магматического

океана и аккумуляции большей части летучих ве­

ществ Земли в атмосфере

ществ планеты в атмосфере. Магматический оке­

Как следствие, магматический океан должен был

ан мог сформироваться в результате столкновения

охлаждаться в условиях сосуществования с плот­

с крупным астероидом (что, по мнению ряда ав­

ной атмосферой, содержащей большую часть ре­

торов,

Луны)

зервуара летучих веществ Земли, которые в на­

(Zahnle, 1998; Ozima and Podosek, 2002; Selsis,
2004; Denlinger, 2005; Maиrette, 2006), благодаря

гидросферой и осадочными породами. По мне­

могло

привести

к

образованию

выделению тепловой энергии при аккреции Земли

(Elkins-Tanton and Seager, 2008; Lammer et а/"
2008; Pechernikova and Vityazev, 2008) и/или в ре­
зультате выделения потенциальной энергии при

(Elkins-Tanton, 2008).

стоящее время распределены между атмосферой,
нию ряда авторов (Denlinger, 2005; MacKenzie and
Lerman, 2006; Maurette, 2006), подобная атмосфе­
ра должна была в основном состоять из воды и
диоксида углерода (~80-90

Н20 и

%

а ее давление могло достигать
Авторы благодарны М. В. Мироненко (ГЕОХИ РАН) за пре­

Podosek, 2002; Maurette, 2006).

доставление программ, консультации и полезные обсужде­

ния, а также

L.
Technology, USA)

Т.

Elkins-Tanton (Massachusetts Institute of

за обсуждение модели остывающего магма­

тического океана. Настоящее исследование проводилось при

поддержке программы Президиума РАН №
Тема:

«Реконструкция

условий

25

(Подпрограмма

формирования

1.

nротокоры

ранней Земли и ее роли в эволюции состава первичных атмо­

сферы и гидросферы»).

8-18 % СО 2 ),
330 бар (Ozima and

Сразу после образования жидкого океана на­
чалось изменение поверхностных пород.

В ре­

зультате должны были сформироваться первые
осадочные породы. Одновременно гидротермаль­
ные

системы,

охватывавшие

на начальном этапе

всю земную поверхность, способствовали охлаж-


Глава

168

Реконструкция химических и геологических условий на ранней земле

11.

дению протокоры и приводили к метаморфиче­

лекислого

ским реакциям, изменяющим состав коры и про­

(Pavlov et а/., 2000; Nisbet and Fowler, 2011).

газа

с

высоким

содержанием

метана

тоокеана. В результате этих процессов осуществ­
В ходе нашего исследования мы рассмотрели

лялся вынос из атмосферы СО 2 , что приводило к
ослаблению парникового эффекта и к накоплению

следующие

в протокоре карбонатных минералов.

ходивших на ранней Земли:

1)

остывающей

атмосферы

модели

процессов,

высокоплотной

верхностью протокоры,

1.

2)

возможно

проис­

взаимодействие

с

по­

гидротермальное изме­

Метан или диоксид

нение коматиитовой протокоры и его воздействие

углерода?

на состав и свойства атмосферы и океана,

3)

аэральное

прото-

выветривание

поверхности

суб­

Особенности изотопного состава древнейших

континентов. Причем в предпринятом модели·­

осадочных цирконов ·свидетельствуют о том, что

ровании были использованы два альтернативных

жидкая вода на земной поверхности существовала

состава атмосферы, водно-метановый и водно­

уже

углекислотный.

4,4 млрд лет назад (Mojzsis et а/., 2001;
Cavosie et а/., 2005; Watson and Harrison, 2005).

Таким образом, для того чтобы скомпенсировать

Методика численного

2.

эффект слабой светимости молодого Солнца, атмо­
сфера ранней Земли должна бьша обладать мощ­

моделирования

ным парниковым эффектом. Парниковыми газами
Численное геохимическое моделирование

могли быть метан или углекислый газ.
Согласно мнению ряда исследователей (на­

пример,

(Shaw, 2008)),

существование на ранней

гидротермального изменения пород осуществля­
лось

с

помощью

равновесных

термодинамиче­

Земле атмосферы, преимущественно состоявшей

ских расчетов. При моделировании субаэрально­

из диоксида углерода, должно было привести к

го

образованию значительных отложений карбона­

ское моделирование с учетом кинетики растворе­

тов, чего в изученных раннеархейских отложени­

ния минералов. Данный подход описан в

ях не наблюдается. Это противоречие может слу­

and Mironenko, 2007).

жить доводом в пользу того, что углерод в атмо­

мощью программного комплекса для термодина­

выветривания

применялось

сфере ранней Земли находился в восстановленной

мических расчетов

форме.

2008),

Кроме того,

восстановительный режим

(Zolotov

Расчеты выполнялись с по­

Geocheq

(Мироненко

и др.,

использующего базу данных термодинами­

ранней атмосферы был бы благоприятен для воз­

ческих констант, основанную на

никновения предбиологических молекул и зарож­

et al., 1992).

дения жизни (Наточин и др.,

термодинамиче­

Supcrt92 (Johnson

Мы моделировали взаимодействия в системе

2008).

С другой стороны, в древнейшем зеленока­

0-H-K-Mg--Ca-Al--C-S-Si-N-Na-Cl-Fe.

При рав­

менном комплексе Исуа присутствуют карбонат­

новесных термодинамических расчетах использо­

ные породы, состоящие преимущественно из до­

вались

ломита

минералов,

тельный характер атмосферы ранней Земли мог

константы для 102
20 твердых растворов, 79 компонентов
водного раствора и 1О газов.

быть обеспечен только лишь в случае очень низ­

При моделировании субаэрального выветри­

(Myers, 2001;

Грачев,

2005).

Восстанови­

кой фугитивности кислорода (10-4° - 10-

60

атм.) в

вания

термодинамические

базальтового

коматиита

рассматривалась

верхней мантии вследствие присутствия в ней ме­

система

таллического железа, что маловероятно, учитывая

зовались кинетические константы для следующих

очень быстрое формирование земного ядра

минеральных фаз: альбит, аморфный кремнезем,

(Hol-

land, 1984).
Таким образом, вопрос о составе атмосферы

0-H-K-Mg--Ca-Al-C-Si-Na-Fe.

Исполь­

брусит, дафнит, диопсид, доломит, гетит, гриналит
(Ре-серпентин), иллит, кальцит, клинохлор, магне­

ранней Земли по-прежнему остается дискуссион­

зит, магнетит, Са, К,

ным. В качестве компромисса, в ряде исследова­

сидерит, тальк, фаялит,

ний рассматривается атмосфера, состоящая из уг-

хризотил, энстатит.

Na,

Fе-монтмориллониты,

ферросилит, форстерит,


А. А. Новоселов, С. А. СW1антьев. Баланс вещества в системе «атмосфера-гидросфера-кора»

169

Таблица

1

Модельные составы горячей высокоплотной атмосферы
Летучие вещества

Состав водно-углекислотной

Состав водно-метановой

земной поверхности

атмосферы

атмосферы

Общий вес, г 1

Вещество

1,430. 1024
7,784. 1022

Н2О
с

Содержание,

Вещество

об. %

2

Вещество

Содержание,
3

об. %

Н2О

90,58

Н2 0

90,39

СО2

7,40

СН4

7,38

N1

0,20

NНз

0,40

Cl

4,890. 1021
4,311. 1022

HCl

1,39

HCl

1,38

s

1,245. 1022

H2S

0,44

H2S

0,44

Давление, бар

341,754

Давление, бар

306,85(4)

N

Исходные составы

3.

Результаты моделирования

4.

Среди магматических пород наиболее древ­

4. 1.

Взаимодействие остывающей

них зеленокаменных поясов преобладают поро­

высокоплотной атмосферы

ды ультраосновного состава

с поверхностью протокоры

-

базальтовые ко­

матииты. Кроме того, большинство осадочных
На первом этапе моделирования бьmа рас­

пород, относящихся к раннему Архею, формиро­
вались за счет размыва коматиитовых лав, как в

смотрена

условиях морского дна, так и при субаэральных

сферу (составы приведены в табл.

условиях (Грачев,

коматиит,

2005).

В качестве аналога со­

закрытая

система,

занимающий

включающая

1) и

объем,
5

атмо­

базальтовый

эквивалентный
u

выветриванию и гидротермальному преобразо­

, которыи покрывает
14
2
всю поверхность Земли (5,102 · 10 м ). Бьmо

ванию,

принято, что в данной системе в силу длительно­

става протокоры ранней Земли, подвергавшейся

при моделировании

следующий

состав

нами использовался

базальтового

слою мощностью в

2

метра

коматиита из

сти остывания магматического океана достигается

Архейского зеленокаменного пояса Манро Та­

равновесие. Возможные изменения объема резер­

уншип (Канада)

вуара

(Arndt, Nesbltt, 1982), вес. %:
Si02 = 48,76, Аl2Оз = 9,36, Fe20 3 = 3,07, FeO =
= 8,04, MgO = 21,65, СаО = 8,05, Na20 = 0,90,
К2О = 0,16.
При моделировании не учитывалось измене­

земных

летучих

под

влиянием

поступле­

ния/потери газов из/в космическое пространство

или

фотохимических реакций в

атмосфере не

учитывались. Для данной системы была рассчи­
тана серия равновесий, имитирующих постепен-

ние содержания летучих элементов в ходе эволю­

ции Земли. Бьmо принято допущение, что при об­
разовании

последнего

магматического

океана

в

истории Земли планетарный объем летучих ве­
ществ соответствовал современному. В качестве

исходного состава атмосферы использовался со­
став,

аналогичный

Лерманом

(табл.

рассчитанному МакКензи

и

1) (MacKenzie, Lerman, 2006).

Общая масса воды, углерода, азота, хлора и серы в атмосфе­
ре, гидросфере, коре и верхней мантии современной Земли

(MacKenzie and Lerrnan, 2006).
Модельный состав высокоплотной водно-углекислотной ат­

мосферы ранней Земли, рассчитанный из современного со­
держания летучих во внешних геосферах Земли

Модельный состав высокоплотной водно-метановой

боты по алгоритму, изложенному в

моделировании

2006).

600

остывающей

атмосферы,

было

°С. Полагалось, что при данной тем­

атмо­

сферы ранней Земли, рассчитанный авторами настоящей ра­

Начальное значение температуры, заданное при

принято

(MacKenzie

and Lerrnan, 2006).

(MacKenzie and Lerrnan,

Давление модельной атмосферы у земной поверхности, рас­
считанное авторами настоящей работы.

пературе весь объем летучих веществ Земли на­

Данное значение выбрано исходя из того, что оно является

ходился в атмосфере.

характерным для современных почв, которые формируются

при контакте с атмосферным воздухом.


Глава

170

Реконструкция химических и геологических условий на ранней земле

11.

ное остывание земной поверхности в интервале

атмосферного давления с

187

бар. Далее с

температур

понижением температуры давление

постепенно

дещ:ации

°С с шагом

600-15

модельной

давление

25

°С. После кон­

гидросферы

принималось

равным

атмосферное

давлению

атмо­

307

до

продолжает снижаться и достигает

15

°С. В температурном интервале

22 бар при
600-500 °С в

сферы на уровне моря. Оно рассчитывалось путем

составе высокоплотной атмосферы преобладает

последовательного приближения.

водяной пар, окись углерода и водород. При более

низких температурах в атмосфере постепенно на­
А.

Водно-углекислотная атмосфера

чинает доминировать метан, сероводород и угле­

Последовательное остывание водно-углекис­

кислый газ. Начиная с

400

°С, давление метана

лотной атмосферы в равновесии с коматиитовым

достигает своего максимума порядка

субстратом

земной

храняется на этом уровне без изменения до окон­

температуре

>375

поверхности

при

°С к конденсации воды и паде­

нию атмосферного давления с
Затем

приводит

атмосферное

342

давление

снижается и достигает

44 бар

бар до

217

бар.

последовательно

при

20

бар и со­

чания остывания атмосферы.
В результате взаимодействия с базальтовым
коматиитом формируется кора выветривания, ана­

°С. При этом

логичная по минералогии полученной при взаи­

состав модельной атмосферы постепенно транс­

модействии с водно-углекислотной атмосферой и

формируется от водно-углекислотного до углеки­

состоящая из кварца и пирита. Однако в этом слу­

слотно-сероводородно-азотного. На заключитель­

чае количество образующегося пирита сущест­

ном этапе остывания давление СО 2 составляет

венно ниже.

43 бара. Давление
8 · 10-15 бар.

моделирования раствора аналогичен рассмотрен­

15

метана в то же время составило

Катионный состав полученного в результате

При взаимодействии базальтового коматиита

ному выше для сценария охлаждения водно-угле­

с остывающей водно-углекислотной атмосферой,

кислотной атмосферы за исключением сущест­

а после конденсации воды

венно более высокого содержания железа. Среди

-

с углекислотной ат­

мосферой и морской водой, формируется кора

анионов резко преобладают хлорид-ион, раство­

выветривания, состоящая из кварца и пирита.

ренный метан, сульфид-ионы и ионы аммония. рН

Формирование солевого состава модельной

раствора изменяется в тех же пределах.

морской воды в силу очень высокого отношения

Сопоставляя полученные результаты взаимо­

вода/порода может быть описано как конгруэнт­

действия обоих модельных составов атмосферы с

ное

Как

поверхностью протокоры, состоящей из базальто­

модельной

вого коматиита, необходимо отметить следующие

растворение

следствие,

базальтового

коматиита.

соотношение катионов

в

гидросфере соответствует соотношению данных

важные особенности:

элементов в

ждения системы «атмосфера-гидросфера-про­

породе,

за исключением кремния и

1)

только в результате охла­

железа, содержание которых достигает состояния

токора» атмосферное давление падает от

насыщения в растворе. Таким образом, среди ка­

307 бар

тионов в растворе преобладают магний, алюминий

ветривания состоит из кварца и пирита. Карбо­

и кальций, отношение К/Nа равно

В анион­

натные минералы не образуются и аккумуляции

ной части раствора преобладают карбонат-ионы,

СО2 не происходит. Объяснением этого результата

за ними

следует хлор-ион,

ионы

0,1.

аммония,

суль­

до

44-22

бар;

2)

342-

образующаяся кора вы­

моделирования является то, что флюидом не было

фид и сульфат-ионы представлены почти в рав­

достигнуто

ных пропорциях. рН полученного в результате

магний и кальций. По нашим оценкам, в рамках

моделирования

принятого сценария взаимодействия, для образо­

раствора

соответствует

кислотным условиям и изменяется от

сильно

1 до 0,5.

насыщение

по

таким

катионам,

как

вания карбонатов необходимо, чтобы в равнове­
сии с остывающей атмосферой, содержащей в

Б.

существенных количествах углекислый газ, нахо­

Водно-метановая атмосфера

По аналогичному сценарию была рассчитана

дился слой базальтового коматиита мощностью

серия равновесий в системе «водно-метановая ат­

порядка

мосфера-поверхность

субстра­

взаимодействия может быть реализован, если при­

та>>. При конденсации воды происходит падение

нять во внимание, что в ходе остывания магмати-

коматиитового

100

метров или более. Данный сценарий


А. А. Новоселов, С. А. Силантьев. Баланс вещества в системе «атмосфера-гидросфера-кора»

171

ческого океана сразу после появления на земной

термальное преобразование коматиитовой прото­

поверхности жидкой воды должны бьши функ-

коры может быть описано с помощью равновес­

ционировать гидротермальные системы. Гидротер-

наго термодинамического моделирования.

мальные системы, подобные существующим в на­
стоящее время в срединно-океанических хребтах,

А. Водно-углекислотная атмосфера
При

могли охватывать в то время всю поверхность ос­

тывающего магматического океана ранней Земли.

функционировании

гидротермальной

циркуляционной системы в толще коматиитовой
протокоры устойчивы минеральные ассоциации,

4.2.

Модель гидротермального

приведенные на рис.

преобразования протокоры

при температуре

При построении модели гидротермальной цир­

куляции в толще остывающей протокоры необхо­
димо

одновременно

учитывать

изменения,

кото­

рые происходили на поверхности ранней Земли,

т. е. необходимо объединить данную модель с мо­
делью совместной эволюции атмосферы и гидро­
сферы.

Ряд

параметров,

описывающих данную

синтетическую

модель, таких как распределение

температуры

приповерхностном

в

слое

кристал­

лизовавшегося магматического океана, проницае­

мость этого слоя для гидротермального флюида и
минимальная температура, до которой продолжа­

лось охлаждение атмосферы, в настоящее время
невозможно

надежно

определить.

Однако

по­

скольку остывание магматического океана проис­

ходило в течение

5-1 О

диоксид углерода начинает активно накапливаться
в виде кальцита, затем с понижением температу­

ры земной поверхности до

(Elkins-

Tanton, 2008).

250

°С карбонаты в

приповерхностных условиях накапливаются пре­
имущественно

в

виде

доломита

и

магнезита,

а

кальцит устойчив ниже по разрезу. Как видно из
рис.
ры

2,
в

поглотительная емкость коматиитовой ко­

отношении

углекислого

газа

исчерпана

не

полностью. Доломит, магнезит и кальцит скон­
центрированы в верхней части разреза мощно­
стью порядка

3 км.

При развитии данной картины

во времени наблюдается перераспределение кар­
бонатов вниз по разрезу. Данный механизм мог
быть ответственен за уничтожение следов суще­
ствования ранней высокоплотной углекислотной

атмосферы.

млн лет, эти параметры

могли варьироваться в широких пределах

2. Следует отметить, что уже
300 °С на земной поверхности

Гидротермальная циркуляция в толще осты­
вающей протокоры, как ни странно, практически

не оказывает влияния на минеральный состав ко­

При моделировании использовалась упрощен­

ры

выветривания

на

поверхности

океанического

ная модель гидротермальной конвективной сис­

дна при данном сценарии моделирования. Кроме

темы современных срединно-океанических хреб­

кварца и пирита при температуре ниже

тов, описанная в работе (Силантьев и др.,

тойчивы также дафнит и иллит (рис.

2009).

100 °С

ус­

3).

Было принято, что гидротермальный флюид цир­

Состав морской воды претерпевает сущест­

кулировал в толще протокоры по всей поверхно­

венные изменения (рис. 4а, б). При температуре

сти остывающего магматического океана до глу­

бины, соответствующей

375

°С. После взаимодей­

на поверхности ниже
ном

становится

200 °С

доминирующим анио­

хлорид-ион,

также

в

растворе

ствия флюид поднимался на земную поверхность.

значительны концентрации карбонат-ионов, ионов

Рассчитывалось его равновесие в присутствии ран­

аммония и сульфат-ионов. Среди катионов преоб­

нее сформированных коры выветривания и атмо­

ладает натрий, за ним следуют кальций и калий.

сферы. С понижением температуры на поверхно­

Содержание

сти планеты глубина проникновения флюида воз­

элемент

растала и при

мальной гидратации протокоры. рН морской воды

15

°С нижняя граница разреза про­

магния резко

интенсивно

понижено,

расходуется

при

т. к.

этот

гидротер­

токоры, подвергавшегося гидротермальному пре­

существенно

образованию, по аналогии с современными быст­

температурах на земной поверхности достигает

роспрединговыми срединно-океаническими хребта­

значения, буферируемого углекислотной атмосфе­

ми соответствовала давлению

рой, порядка

et а!., 1994).

2 кбар

(рис.

1) (Pelayo

увеличивается

5,5.

и

при

умеренных

В целом, полученный при дан­

С учетом длительности и темпера­

ном сценарии моделирования состав морской воды,

турного режима на земной поверхности, гидра-

напоминает состав воды современных океанов, за


11.

Глава

172

Реконструкция химических и геологических условий на ранней земле

250

300

200

100

150

15

50

КОРА

25

125+Р5

75

375+Ps

125

625+Р5

175

875+Р5

225

1125+Р5

275

1375+Р

325

1625+Р5

375

1875+Р5

5

Pd, бар

Td>°C
Рис.

1.

Модельный

Tct, Pct -

образ

рассматриваемой системы

температура

(Ts, Ps -

и давление на земной

•.

т

0

С 350

300

250

200

150

100

50

15

"""""tt~lfi;,:~':-'?;:~5:

25

467

75
""""""125

717
967

""""""~"3~~.

"""""175

1217

225

1467

1. Tr+Tlc+Chl+Ab+Ep+Mag " " " "
75
11.Tr+Tlc+Chl+Ab+Ep+Cal+Mag
"""2

1717

111. Tlc+Chl+Ab+Dol+Qtz+Py

""325

1967

"375

2211

IV. Chl+Srp+Dol+Qtz+lll+(Anl)+Py

Рис.

2.

поверхности,

температура и давление в толще протокоры)

тd, ·с Pd, бар

Минералогия нисходящей ветви гидротермальной циркуляционной системы. Приняты следующие обозначения:
АЬ

111 -

альбит; Апl

-

иллит;

Qtz -

анальцим;

-

кварц;

Mag -

кальцит;

Cal -

магнетит; Ру

-

хлорит (клинохлор и дафнит);

Chl пирит;

Srp -

серпентин;

Tlc -

Dol -

тальк; Тг -

доломит; Ер

-

эпидот;

тремолит

-

Дафнит

Иллит

Кварц•-------•
Клинопироксен••
Пирит
Тальк

Шпинель•------

600

500

400

300

200

100

Температура, ·с
Рис.

3.

Минералогия продуктов выветривания базальтового коматиита при его взаимодействии с остывающей водно-угле­

кислотной атмосферой (ниже

375

°С

-

с морской водой и углекислотной атмосферой)

исключением относительно высокого содержания

удаляется из атмосферы, и при температуре на зем­

ионов аммония и резко пониженной концентра-

ной поверхности

ции магния.

составляет всего

15 °С парциальное давление СО2
0,04 бар, что всего на 2 порядка

Состав модельной атмосферы в результате уче-

выше современного значения. Доминирующим га­

га воздействия гидротермальной циркуляции внут-

зом в атмосфере становится азот, давление которого

ри остывающей протокоры претерпевает сущест-

на финальной стадии моделирования составляет

венные изменения (рис.

0,94 бар. Общее давление атмосферы -

5). Углекислота интенсивно

0,99 бар.


А. А. Новоселов, С. А. Силантьев. Баланс вещества в системе «атмосфера-гидросфера-кора»

173

1е+О
С\3

:J:

5.5

1е-1

1- о

N

~:r:
о

L..

1е-2

о

i:::;

1е-3

с: :о
"
:!:

5.0

"о

ф:!i

-

1е-4

*о
а.
m

1е-5

s:i:
С\3

С\3
а.

ФЬ
~С\3

(.)

4.5 =а.
4.0

1е-6

а.

3.5
1е-7
1е-8

а)
-'--"'---..,.-.......с---..._--г-----'""----.--~---+

300

200

100
0

Темnература,

3.0

о

С

1е+О .----------------------------,.---...-В.О

1е-1

С\3

1- о
:J:

N

~:r:
о

№

5.5

1е-2

5.0

L..

с: :о
"
:!:

1е-3

ф

1е-4

~а
s

---------------------=...,...~~------~~~---~-~~-Са
•••••••••• •••••
·••••••·•••···•·••·••·••••·•••·•··•
к

:!:

-

-------------

4.5

=а.

:i: «!

11!

а.

1е-5

;!ЕО
а.

m

ФЬ
~11!

(.)

1е-6

а.

1

i 4.0
i
.......
i
'· i б)
~--~-----~----~--'-·---+ 3.0
З.5

1е-7

1е-8

200

300

100

о

Темnература, с
0

Рис.

Б.

4.

Изменение состава морской воды: (а)- анионы;

Водно-метановая атмосфера

(6)-

катионы

неральная ассоциация кальцит

При альтернативном сценарии моделирова­

+ альбит + кварц +
150 °С - каль­

+пирит и при температуре ниже

ния в толще коматиитовой протокоры формирует­

цит

ся схожая минеральная ассоциация (рис.

в наиболее низкотемпературной области содержа­

6).

Одна­

+ магнезит + кварц + пирит+ анальцим.

Причем

ко карбонатные минералы накапливаются на нис­

ние карбонатов существенно превалирует над ос­

ходящей ветви гидротермальной циркуляционной

тальными минеральными фазами.
Рассчитанный состав морской воды не изме­

ячейки в гораздо меньшем количестве и только

при низких температурах на поверхности (начи­

няется

ная от

сценарии моделирования (рис. 8а,

100 °С).

В отличие от сценария с водно-углекислотной

так

существенно,

как

при

предыдущем

Преобла­

6).

дающим анионом остается хлорид-ион. Несколь­

атмосферой, минеральный состав коры выветри­

ко

вания, сформированной в системе «метановая ат­

творе, а концентрации сульфид-ионов, напротив,

мосфера

понижаются. Доминирующие катионы

-

гидросфера

-

поверхность коматии­

возрастает содержание ионов

аммония в рас­

-

натрий

существенные

и калий, причем К/Nа отношение приближается к

°С на поверх­

единице. Содержание магния, кальция и железа

ности формируется минеральная ассоциация аль­

существенно понижается в ходе охлаждения мор­

товой

протокорьш,

изменения (рис.

7).

претерпевает

Начиная с

350

бит

+ тальк + хлорит + пирротин,

при температуре

300

°С она сменяется ассоциацией альбит

нит

+ тремолит + пирит,

ской воды. Кальций и магний расходуются при

+ пре­

отложении на морском дне карбонатов, особенно

°С на по­

при пониженных температурах. Кроме того, маг­

верхности морского дна начинает отлагаться ми-

ний, как и в предыдущем сценарии, интенсивно

начиная с

250


11.

Глава

174

Реконструкция химических и геологических условий на ранней земле

1е+З

Робщ

1е+2

-------------~~-~

1е+1

~,~,~~"'"

._"....

1е+О
а.

ro

1О
ф

:s:

:I:

ф

Е:;

ID

ro

t::!:

1е-1

1е-2

·-·

·-.

....... .....
н

/

1е-З

-

N2

s ...... .......

2

/

1е-4

/

1е-5

/

1е-6

.,..

1е-8

•

•

···~··.
NH
·':. з

.
•

.

,."""''·~
1:

1е-7

1е-9

.......

·.........

~

.-1
!li

со··.

•• J

1е-10

600

500

400

Температура,
Рис.

5.

200

300
0

о

100

С

Изменение состава водно-углекислотной атмосферы в ходе ее остывания с учетом гидротермального преобразо­

вания базальтовой протокоры. Для температурного интервала

предыдущем этапе моделирования

•.

т

0

600-375 °С показаны результаты, полученные на

6

350 30 250 20 150 10 50 15 432
"""""81Ыl~1Ш 682
""""""ш75 932
""""""125
"""""175
143822
""""225
1
"""275
11698322
""325
"375 2182

С

25

1. Tr+Tlc+Chl+Ab+Po+(Py)
11.Tr+Ab+Chl+Czo
111. Tr+Tlc+Chl+Cal+Py

IV. Tr+Chl+Srp+Anl+Dol+Qtz+Py

тd, ·с

V. Dwl+Cal+{Czo)+lll

Рис.

6.

Pd,

бар

Минералогия нисходящей ветви гидротермальной циркуляционной системы. Приняты следующие обозначения: АЬ

альбит; Апl

- анальцим; Cal - кальцит; Chl 7
Dwl - девейлит ; 111 - иллит; Qtz- кварц; Ро -

доломит;

пирротин; Ру -

тремолит

пирит; Sгр -

Czo - клиноцоизит; Dol серпентин; Tlc - тальк; Тг -

-

хлорит (клинохлор и дафнит);

расходуется при гидротермальной гидратации ко­

сферы является увеличение содержания азота и по­

матиитовой протокоры. При охлаждении морской

нижение

воды монотонно возрастает значение рН, достигая

финальной стадии моделирования. Общее давление

при

при температуре

15

°С значения

10,6.

Состав метановой атмосферы после начала

парциального

15 °С

давления

сероводорода

на

на земной поверхности со­

гласно полученным результатам составило

21,3

ба­

функционирования гидротермальной циркуляции

ра, что практически соответствует значению, полу­

не претерпевает существенных изменений (рис.

ченному при простом охлаждении атмосферы дан­

9).

Единственным существенным отличием от сцена­

ного состава

рия простого охлаждения водно-метановой атмо-

метана составило соответственно

-

21,8

бара, парциальное давление

18 и 20 бар.

В качестве показателя давления газов показаны пересчитанные

концентрации компонентов высокотемпературного флюида:

Девейлит

для воды

С0 2 ,

го серпентина и талька или серпентина и стевенсита. Счита­

N 2, aq;

ется, что ассоциации девейлита формируются при низких

-

общее содержание воды во флюиде; СО 2 -

aq +со/-+ НСОз-; СО H2S - H2S, aq + нs-; Н2 CRi, aq.

СО, aq; S02 Н2, aq; NНз -

S02, aq; Nz -

NНз, aq + NH/; CRi-

(deweylite)

определяется как смесь кристаллическо­

температурах при выветривании ультраосновных пород

lich et а!., 2010).

(Bein-


А. А. Новоселов, С А. Силантьев. Баланс вещества в системе «атмосфера-гидросфера-кора»

175

Альбит
Анальцим
Кальцит

Кварц
Клиноnироксен

Клинохлор

--

•

Иллит
Пирит
Пирротин

Пренит
Тальк
Тремолит

4
4

Шпинель

600

500

400

300

200

Температура,

Рис.

7.

0

100

С

Минералогия продуктов выветривания базальтового коматиита при его взаимодействии с остывающей водно­

метановой атмосферой (ниже

375

°С

-

с морской водой и атмосферой, состоящей преимущественно из метана)

·~------------------------~11
1е+О

ro

:J:

N

~:i::
о

10

1е-1

1- о

...

9

1е-2

i:::"'

::Е -:о
о

1е-З

i::;

8

"'о
ф ::Е

s: :i:: ro

ro

а.
;зЕ о
а. ID

1е-5

~ ro

1е-6

ф

(..)

t;

а.

:i::

а.

1е-4

7

••••••• CO,aq

······· .... .. ..

1е-7

... ..
••••••

6

а)

s

18·8 ~------,---------.--·~·-----.--------1

300

200

100

о

Температура, С
0

1е+О

ro

~QN
~ :i::
о

...

10

1е-1

1е-2

9

~о ~i::; 1е-З
"'о

~ ~:i:: ro
ro а.
В.~

ф 1-

с:[ u
о

(..)

ro

8 :i::

1е-4

а.

7

1е-5
1е-6

6

а.
1е-7

б)

5

1е-8

300

Температура,

Рис.

8.

100

200
0

о

С

Изменение состава морской воды: (а)- анионы; (б)- катионы


Глава

176

11.

Реконструкция химических и геологических условий на ранней земле

1е+3

Робщ

1е+2
1е+1

1е+О
а.

111

1е-1

\D

1е-2

Q)-

1е-3

s

I:

Q)
с;

ID
111

r::t:

...

1е-4

········....

1е-5
1е-6

······.. ..

··. ··.

..
..
.

с О\

1е-7
1е-8

1е-9
1е-10

600

500

400

300

о

100

200

Температура, •с
Рис.

9. из менение

состава водно-метановой атмосферы в ходе ее остывания с учетом гидротермального преобразования

коматиитовой протокоры

Резюмируя

результаты

моделирования

для

4.3.

углекислотного и метанового составов атмосфе­
ры, необходимо отметить, что при одинаковых
стартовых

условиях

существования

этих

систем

реализуются совершенно противоположные трен­

ды развития атмосферы. Углекислотная атмосфе­
ра в результате этого процесса теряет практически

весь СО 2 и трансформируется в азотно-углекис­
лотную, очень сильно напоминающую современ­

ную земную атмосферу. В то же время метановая
атмосфера практически не редуцируется и не из­
меняет своего состава. При этом было показано,
что при обоих исходных составах происходит на­
копление карбонатных минералов в толще прото­

коры, а в случае метановой атмосферы

-

и на ее

поверхности. Таким образом, результаты модели­
рования позволяют прийти

к заключению,

что

присутствие или отсутствие карбонатных мине­
ралов в древнейших земных осадочных отложе­
ниях не может служить диагностическим призна­

ком состава ранней атмосферы.
Для сценария углекислотной атмосферы была
показана возможность образования на земной по­
верхнос ги гидросферы, очень напоминающей по
составу современную морскую воду. Единствен­
ным существенным отличием модельной гидро­

сферы от современной является пониженное со­
держание в ней магния. Баланс этого катиона в
морской воде мог поддерживаться за счет его по­
ступления в Мировой океан с континентальным
стоком.

Субаэрапьное выветривание
протокоры

Время появления древнейших континентов и
площадь их поверхности на ранних этапах развития

Земли остаются дискуссионными (Грачев,

2005).

Однако континентальное выветривание и речной
сток не могли не оказывать существенного влия­

ния на геохимию морской воды и на баланс веще­
ства в системе «атмосфера-гидросфера-кора».
Данный раздел посвящен моделированию субаэрального выветривания базальтового коматиита

8

в условиях углекислотной (сценарий А) или мета­
новой (сценарий Б) атмосферы.
Для

имитации

выпадения

на

поверхность

ранней Земли атмосферных осадков и последую­
щего химического выветривания субстрата моде­
лировался процесс прохождения большого коли­
чества волн водного раствора через один и тот же

объем породы. Моделируемая система была от­
крыта по отношению к СО 2 (сценарий А) или СН4
(сценарий Б). Парциальное давление этих газов
составляло

1 бар.

Продолжительность единичного

взаимодействия составляла

0,05

года. Отношение

вода/порода оценивалось по соотношению масс

выпадающих атмосферных осадков (среднее зна­
чение для современной Земли

-

1ООО мм/год)

и

подвергающегося выветриванию слоя базальтового

В работе (Грачев,

2005)

предложен механизм форми­

рования протоконтинентов за счет наращивания мощ­

ной толщи лав коматиитового состава.


А. А. Новоселов, С А. Силантьев. Баланс вещества в системе «атмосфера-гидросфера-кора»

0.0001

177

'.

+-----,.------,------..-----.----.....-~~--.--,.__..

0.01

0.1

100

10

10000

1000

Время, годы
Рис.

10.

Изменение минерального состава базальтового коматиита при его субаэральном выветривании в условиях угле­
кислотной атмосферы. Вторичные минералы:
магнезит; Са-,

Mgs коматиита

мощностью

Fe-, Na-Mnt -

1м

и

Са-,

Fe-,

составило

Si02* -

аморфный кремнезем;

Nа-монтмориллонит;

0,016.

после

800

доломит;

Dol -

Gt -

гетит;

111 -

иллит;

сидерит

Sd -

модельных лет их объем сушественно

Взаимодействие в системе «порода-раствор» осу­

сокращается: натриевый монтмориллонит полно­

ществлялось при температуре

стью растворяется через

1 бар.

15

°С и давлении

Удельная площадь поверхности базальтового

коматиита была принята 1,4 м /г. Для вторичных
2

минералов

в

расчетах

использовалась
2

~

б

азальта

9

риллонит

Углекислотная атмосфера

через

-

15

На финальной
об.

тронита)
А.

модельных лет по­

ООО лет.

стадии

формирования кора

выветривания состоит из аморфного кремнезема

(61,8

.

3200

начала выветривания, кальциевый монтмо­

удельная

площадь поверхности глины (53 м /г), образовавшеися в результате выветривания

сле

%), железистого монтмориллонита (нон­
(35,3 об. %), гетита (2,8 об. %) и иллита

Согласно полученным результатам моделиро­

(0,06 об.%). В ходе вьmетривания на начальном этапе
(до 58 модельных лет) общий объем породы мо­

вания, при растворении первичных минералов про­

нотонно возрастает за счет накопления карбонат­

слеживается

ных минералов, достигая

следующая

последовательность

выноса из породы: ортопироксен
года)
тит

--* оливин, клинопироксен
(60)--* плагиоклаз (1900).

их

(32 модельных
(54) --* магне­

и через

относитель­

24

ООО модельных лет составляет

86

об.

%

коматиита.

Изменение валового состава коры выветри­

всего процесса выветривания доминирует аморф­
Также велико содержа­

вания характеризуется на начальном этапе инерт­

ние железистого монтмориллонита (нонтронита)

ным поведением магния, кальция и железа. Затем,

и гетита. На начальном этапе выветривания, до

после начала эффективного растворения карбона­

2000

1О).

%

по сравнению с начальным объемом базальтового

Среди вторичных минералов на протяжении

ный кремнезем (рис.

об.

166

ного исходного. Затем он монотонно сокращается

модельных лет, в коре выветривания обиль­

тов,

содержание

этих

окислов

в

породе

сушест­

но представлены карбонаты: магнезит, сидерит,

венно понижается. На протяжении всего процесса

доломит.

промывания

(43,4

об.

Их

%)

содержание

через

формирования

58

достигает

максимума

модельных лет после начала

коры

выветривания.

Глинистые

минералы (кальциевый и натриевый монтморил­

базальтового

коматиита

дождевой

водой содержание кремнезема и глинозема в по­
роде сохраняется почти неизменным. При дли­

тельности взаимодействия до

100

модельных лет

лониты, иллит) появляются среди продуктов вы­

соотношение натрия и калия в коре выветривания

ветривания начиная с

не

30

модельных лет. Однако

изменяется,

минералах:

они

накапливаются

в

глинистых

иллите и натриевом монтмориллони­

те. Однако затем натриевый монтмориллонит на­
Измерение удельной площади поверхности архейских базаль­
тов и их продуктов выветривания было проведено с помощью
ВЕТ анализа с использованием азота на приборе
(ИЭМРАН).

Sorbi-M

чинает растворяться

со

скоростью,

сушественно

более высокой, чем иллит, и натрий полностью
выносится из породы.


178

Глава

11.

Реконструкция химических и геологических условий на ранней земле

0.01

0.1

10

100

1000

10000

Время, годы
Рис.

11.

Изменение минерального состава базальтового коматиита при его субаэральном выветривании в условиях атмо­
сферы, состоящей из метана. Вторичные минералы: Вгс
мит;

дафнит; Gгп

Dph -

монтмориллонит; Sгр

-

-

гриналит (Fе-серпентин);

серпентин;

Tlc -

взаимодействия,

постоянным (около

сохраняется

6,2)

клинохлор;
Са-, Fe-Mпt

практически

38 тыс.

лет после начала взаимодействия этот ми­

нерал также полностью растворяется.

в продолжение всего про­

На финальной стадии формирования кора вы­

цесса выветривания и только на финальной ста­

ветривания состоит из девейлита

дии взаимодействия понижается до

(28

4,4.

об.%), серпентин

(клинохлор
Б.

Метановая атмосфера

На

При данном сценарии моделирования просле­
живается

следующая

последовательность

рения первичных минералов:

раство­

ортопироксен

(0,3

модельных года)---+ клинопироксен

(100)---+ магне­
тит (615)---+ оливин (5200)---+ плагиоклаз (60 ООО).
В отличие от рассмотренного выше сценария

при субаэральном выветривании базальтового ко­
матиита в условиях метановой атмосферы обра­
зование аморфного кремнезема не наблюдается
(рис.

11 ).

Среди вторичных минералов домини­

руют тальк, хризотил и гриналит (железистый

девейлит. В продолжение всего процесса вывет­

ривания образуются железистый и магнезиальный
хлориты. На начальной стадии формирования ко­

вторичных

минералов

300

модельных лет) среди

присутствуют карбонаты

(кальцит и доломит), хотя их содержание в породе
существенно уступает объему карбонатных мине­

(26

об.%) (тальк

(58

(30 об.%)) и хлорита (42 об.%)
(16 об.%)).

об.%), дафнит

начальном

этапе

за

счет

интенсивного

растворения первичных минералов, в первую оче­

редь ортопироксена, объем породы сокращается и
через

17 лет после начала взаимодействия дости­
гает 95 об. % от исходного. Затем за счет накопле­
ния водосодержащих и, в меньшей степени, карбо­
натных минералов происходит увеличение общего

объема коры выветривания, достигая
финальной стадии выветривания

105

об.

%.

На

общий объем

вторичных минералов незначительно понижается

за счет их растворения до

103

об.

%.

Изменение валового состава коры выветри­

серпентин), которые можно интерпретировать как

ры выветривания (до

Dol - доло­
- Са, Fе­

тальк

Значение рН раствора, полученного в резуль­
тате

- брусит; Cal - кальцит; Chl 111 - иллит; Mag - магнетит;

вания

трия,

характеризуется

кальция

и

монотонным

калия

в

выносом

результате

на­

растворения

первичных силикатов, а затем вновь образован­
ных глинистых минералов. На временном интер­
вале

11-1200

модельных лет (до полного раство­

рения иллита) в валовом составе коры выветрива­
ния калий преобладал над натрием, который не

ралов, сформированных в условиях углекислот­

образует вторичных минералов. На протяжении

ной

всего процесса формирования коры выветривания

атмосферы.

Глинистые

минералы

(иллит,

кальциевый монтмориллонит, железистый монт­

доля

мориллонит (нонтронит)) образуются в небольших

породе существенно

кремнезема,

железа,

количествах и к окончанию формирования коры

трендом в изменении валового состава коры вы­

выветривания полностью растворяются. Железо

ветривания на финальной стадии ее формирова­

аккумулируется в форме магнетита, однако через

ния является накопление воды.

не

глинозема

изменяется.

и

магния

в

Основным


А. А. Новоселов, С. А. Силантьев. Баланс вещества в системе «атмосфера-гидросфера-кора»

Значения рН раствора, прореагировавшего с

корой выветривания, изменялись от

12,2

чальной стадии выветривания до

на финаль­

9,1

на на­

породы, переслаивающиеся со слюдистыми квар­

цитами,

метаморфизованными

конгломератами

Грачев,

ной стадии.

179

2005).

комплекса

турбидитами

Исуа

и

(Myers, 2001,

Согласно результатам моделирова­

ния наличие или отсутствие карбонатов в древ­
нейших осадочных формациях не может служить

Заключение

диагностическим признаком состава атмосферы
ранней Земли. Карбонаты могли образовываться

Верификация полученных результатов пред­

на земной поверхности как в условиях углеки­

ставляется непростой задачей, учитывая отсутст­

слотной, так и метановой атмосферы. При после­

вие достаточных материальных свидетельств про­

довательном прохождении волн гидротермального

цессов, происходивших на поверхности ранней

флюида сквозь толщу карбонатизированных пород

Земли в исследуемый период ее ранней истории.

происходило перераспределение карбонатов вниз

Однако можно попытаться соотнести результаты

по разрезу и снижение их концентрации в валовом

моделирования

с

сушествующими

данными

для

более поздних осадочных образований.
Процессы

в

гидросфере

составе протокоры. Этот механизм мог быть от­
ветственным

архейской

Земли

могли очень сушественно отличаться от тех, кото­

таосадочных

возрастом

пород

3,5-3,2

обогащенных
в

кварцем

зеленокаменных

ме­

поясах

с

млрд лет показывает, что крем­

уничтожение

следов

ранних этапах эволюции Земли

наличия

на

высокоплотной

атмосферы, состоявшей из диоксида углерода.

рые происходят в настоящее время. Глобальная
распространенность

за

Важным условием, которому должны удовле­

творять реконструкции процессов преобразования

протокоры ранней Земли в системе «атмосфера­
гидросфера-литосфера»,

является

пригодность

незем интенсивно осаждался из морской воды,

поверхности молодой планеты для возникновения

возможно, в результате

жизни. В работе (Наточин и др.,

отсутствия связывающих

2008)

бьmо пока­

кремнезем организмов, что сохраняло архейскую

зано, что первые организмы вероятно возникли в

морскую воду вблизи от насыщения по кремнезему.

водной среде, богатой магнием и характеризую­

Проникающая силисификация подводных вулка- ·

щейся калий-натриевым отношением больше

нических пород является характерным признаком

Высокое отношение К/Nа и одновременное высо­

вулканогенно-осадочных комплексов, образован­

кое

ных в раннем докембрии (до

3 млрд лет) (Hofmann and Wilson, 2007; Abraham et а!., 2011). От­

зультатам расчетов, не могло быть реализовано

личительной чертой осадочных формаций раннего

нейшей гидросферы. Однако оно могло быть ха­

докембрия является их незначительная мощность,

рактерно для небольших континентальных резер­

постоянное

вуаров, донором катионов для которых выступали

кварцитов

присутствие

(формация

полосчатых железистых

черных

BIF),

сланцев

и

содержание магния в растворе,

1.

согласно ре­

при формировании состава морской воды древ­

коры выветривания

(Novoselov, Silantyev, 2010).

кремнистых пород. Полосчатые железистые квар­

Причем иллит, основной калийсодержащий мине­

циты состоят из чередования тонких слоев кварца

рал, использовавшийся при численном моделиро­

и магнетита, образованных, как полагает боль­

вании, более устойчив именно в условиях атмо­

шинство исследователей (например,

сферы, состоящей из углекислого газа. Механизм

(Mojzsis et а!.,

преобразовании

формирования высокого К/Nа отношения, харак­

древнего океанического ложа. При моделирова­

терного для докембрийских континентальных кор

нии формирования океанических кор выветрива­

выветривания, был подробно рассмотрен на при­

ния нами бьmа получена подобная минеральная

мере архейских кор выветривания Карелии в ра­

ассоциация,

боте (Алфимова,

1996)),

при

гидротермальном

представленная

кварцем

и

пиритом,

причем она оказалась устойчивой во всем спектре

рассматривавшихся

условий.

Наблюдаемое

Еще

одним

2007).
важным

следствием

развития

при

континентального выветривания на ранней Зем­

мате­

ле было поддержание баланса магния морской во­

риала, возможно, имитирует ситуацию, при кото­

ды. Функционирование гидротермальных систем

рой были сформированы древние доломитовые

неизбежно привело бы к потере морской водой

моделировании

накопление

карбонатного


Глава

180

Реконструкция химических и геологических условий на ранней земле

11.

магния. Как показали наши расчеты, наиболее ин­
тенсивно магний переходил в раствор именно в

усnовиях углекислотной атмосферы.
Проведенное моделирование эволюции сис­

темы

«атмосфера-гидросфера-корю>

ранней

Земли не может дать однозначного ответа на во­
прос о предпочтительности того или иного соста­

ва ранней

атмосферы.

Однако охлаждение по­

верхности магматического океана в условиях его

сосушествования с высокоплотной водно-углекис­

лотной атмосферой могло привести за относи­

тельно короткий в геологических масштабах вре­
мени период к формированию на молодой планете

атмосферы и гидросферы, очень близких по сво­
ему составу к современным. В случае сушество­

вания на ранней Земле метановой атмосферы для
объяснения подобной трансформации необходимо
привлечение других, не рассмотренных в нашем
исследовании, механизмов.

Литература
Алфимова Н. А.

(2007)

ветривания

Раннедокембрийские коры вы­

Карелии.

диссертации. СПб.

Автореферат

Грачев А. Ф.
Земли

(2005) Первый
(3,8-2,8 млрд лет):

матических

формаций

Земли. №

С.

11.

кандидатской

18 с.

и

миллиард лет развития
анализ осадочных и маг­

геодинамика

//

Физика

8-34.

Мироненко М В" Мелихова Т Ю., Золотов М Ю., Акин­
фиев Н. Н.

(2008) GEOCHEQ_М -

термодинамического

и

комплекс для

кинетического

ния геохимических процессов. Версия

моделирова­

2008 года //
1(26).

Вестник Отделения наук о Земле РАН. №

[Электронный ресурс]

http://www.scgis.ru/russian/ер 1251 /h_ dgggms/12008/informbul- l _2008/mineral-22. pdf
Наточин Ю. В., Рыженко Б. Н., Галимов Э. М (2008)
Роль солевого состава (К/Nа) водной среды в био­
логической эволюции

//

эволюции биосферы. М.:

Проблемы зарождения и

URSS.

С.

403-409.

Силантьев С. А., Мироненко М В., Новоселов А. А.
Гидротермальные системы в

(2009)

перидотитовом суб­

страте медленно-спрединговых хребтов: моделиро­
вание фазовых превращений и баланса вещества

//
17. № 2. С. 154-174.
Abraham К., Hofmann А., Foley S. F, Cardinal D., Harris С., Barth М G., Andre L. (2011) Coupled siliconoxygen isotope fractionation traces Archaean silicification // Earth and Planetary Science Letters. V. 301.
Р. 222-230.
Петрология. Т.

Arndt N Т, NesЬitt R. W (1982) Geochemistry of Munro
Township basalts / Eds. N. Т. Amdt, Е. G. Nisbet.
Komatiites, London: Allen and Unwin. Р. 309-329.
Beinlich А., Aиstrheim Н., Glodny J., Erambert М, Andersen Т В. (201 О) С0 2 sequestration and ёxtreme Mg depletion in serpentinized peridotite clasts from the Devonian Solund basin, SW-Norway // Geochimica et
CosmochimicaActa. V. 74. Р. 6935-6964.
Cavosie А. J., Valley J. W, Wilde S. А. (2005) Magmatic
d0 18 in 4400-3900 Ма detrital zircons: а record of the
alteration and recycling of cmst in the Early Archean //
Earth Planet. Sci. Lett. V. 235. Р. 663-681.
Denlinger М С. (2005) Тhе origin and evolution of the
atmospheres of Venus, Earth and Mars // Earth, Moon,
and Planets. V. 96. Р. 59-80.
Elkins-Tanton L. Т (2008) Linked magma ocean solidification
and atmospheric growth for Earth and Mars // Earth
and Planetary Science Letters. V. 271. Р. 181-191.
Elkins-Tanton L. Т, Seager S. (2008) Ranges of atmospheric
mass and composition for terrestrial exoplanets // Astrophysical Joumal. V. 685. Р. 1237-1246.
Galimov Е. М (2005) Redox evolution of the Earth caused
Ьу а multi-stage formation of its core // Earth. Planet.
Sci. Lett. V. 233. Р. 263-276.
Hofmann А., Wilson А. Н. (2007) Silicified basalts, bedded
cherts and other sea floor alteration phenomena of the
3.4 Ga Nondweni greenstone belt, South Africa //
Earth's oldest rocks: Developments in Precambrian Geology / Eds. М. J. Van Кranendonk, R. Н. Smithies,
V. Bennett. V. 15. Р. 571-605.
Holland Н. D. (1984) The chemical evolution of the atmosphere and oceans. Princeton, New Jersey: Princeton University Press. 582 р.
Johnson J. W., Oelkers Е. Н., Helgeson Н. С. (1992)
SUPCRT92: А software pack-age for calculating the
standard molal thermodynamic properties of minerals,
gases, aqueous species, and reactions from 1 to 5000
bars and 0° to 1000°С11 Сотр. Geosci. V. 18. Р. 899-947.
Lammer Н., Kasting J. F, Chassefiere Е., Johnson R. Е"
Kиlikov У. N, Тiап F (2008) Atmospheric escape and
evolution of terretrial planets and satellites // Space
Science Reviews. V. 139. № 1-4. Р. 399-436.
MacKenzie F Т, Lerman А. (2006) Carbon in the geobiosphere: Earth's outer shell // Topics in GeoЬiology.
v. 25. 402 р.
Maиrette М (2006) Micrometeorites and the Mysteries of
Our Origins. Springer, Berlin, Heidelberg. рр. 330.
Mojzsis S. J., Arrheniиs G., McKeegan К. D" Harrison Т М,
Nutman А. Р, Friend С. R. L. (1996) Evidence for life
on Earth before 3,800 million years ago // Nature.
V. 384. Р. 55-59.
Mojzsis S. J., Harrison Т М, and Pidgeon R. Т (2001)
Oxygen-isotope evidence from ancient zircons for liquid
water at the Earth's surface 4,300 Myr ago // Nature.
V. 409. Р. 178-181.


А. А. Новоселов, С. А. Силантьев. Баланс вещества в системе «атмосфера-гидросфера-кора»

Myers J. S. (2001) Protoliths of the 3.8-3.7 Ga Isua greenstone belt, West Greenland // Precamb. Res. V. 105.
Р. 129-141.
Nisbet Е., Fowler СМ R. (2011) Тhе evolution of the atmosphere in the Archaean and early Proterozoic // Chinese Science Bulletin. V. 56. №. 1. Р. 4-13.
Novoselov А. А., Silantyev S. А. (201 О) Ancient weathering
crust-hydrosphere system as environment of prebiotic
molecules appearance // AbGradCon. Tallberg. Р. 57-58.
Oziтa М, and Podosek F А. (2002) NоЫе gas geochemistry. Cambridge. 2 ed. 286 р.
Pavlov А. А., Kasting J. F, Brown L. L., Rages К. А., and
Freedman R. (2000) Greenhouse warming Ьу СН4 in
the atmosphere of early Earth // J. Geophys. Res. V. 105.
Р. 11981-11990.
Pechernikova G., Vityazev А. (2008) Impacts and evolution
of early Earth // Catastrophic Events Caused Ьу Cosmic
Objects. Springer. Р. 333-350.

181

Pelayo А. М., Stein S., Stein С. А. (1994) Estimation
of oceanic hydrothermal heat flux from heat flow and
depths of midocean ridge seismicity and magma
chambers // Geophysical Research Letters. V. 21. № 8.
Р. 713-716.
Selsis F (2004) Тhе prebiotic atmosphere of the Earth //
Astrobiology: Future Perspectives / Eds. Р. Ehrenfreund et а!. Р. 267-286.
Shaw G. Н. (2008) Earth's atmosphere - Hadean to early
Proterozoic // Chemie der Erde. V. 68. Р. 235-264.
Watson Е. В., and Harrison Т М. (2005) Zircon thermometer reveals minimum melting conditions on earliest
Earth // Science. V. 308. Р. 841-844.
Zahnle К. (1998) Origins of Atmospheres // ASP Conf. Ser.
148: Origins. Р. 364-391.
Zolotov М. У, Mironenko М. V. (2007) Timing of acid
weathering on Mars: А kinetic-thermodynamic assessment // J. Geophys. Res. V. 112. ЕО7006.


ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
ФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЯДРА ЛУНЫ
В УСЛОВИЯХ ЧАСТИЧНОГО ПЛАВЛЕНИЯ

Е. Б. Лебедев, Э. М Галимов
Институт геохимии и аналитической химии им. В. И Вернадского РАН

leb@geokhi.ru

Геохимические критерии состава вещества на Луне, характеризующие дефицит железа, обедненность ее

летучими компонентами, наблюдаемый характер распределения сидерофильных элементов показывают воз­
можность при определенных условиях согласовать происхождение Луны и образование ее ядра из первично­
го вещества хондритового состава. Современные геофизические и геохимические теории рассматривают
процессы частичного плавления восстановленного планетарного вещества на ранних этапах его аккреции в

качестве возможного механизма аккумуляции материала металлического ядра. Экспериментальные исследо­

вания свидетельствуют о сложности сегрегации расплавленных металлических фаз. Они определяются со­
ставом сплава железа, концентрацией кислорода, серы и других элементов, особенностями поверхностных
свойств, текстурными равновесиями, деформационными процессами. Для проверки перколяционной модели
образования металлического ядра Луны предпринято экспериментальное исследование движения и осажде­

ния железа при высокотемпературном центрифугировании. В результате работы получена сегрегация железа
в системах железосульфидных и силикатных расплавов при восстановительных условиях, при частичном

плавлении и деформировании силикатного каркаса, подтверждающая возможность образования ядра Луны из
первичного вещества.

Луна также несколько обеднена этими элемента­

Введение

ми и относительно Земли. В рамках модели мега­
Состав, размеры и механизм образования яд­

импакта Луна первоначально

унаследовала бы

ра Луны остаются неизвестными. Один из подхо­

обедненное сидерофильными элементами веще­

дов к решению этой проблемы

исследование

ство земной мантии, а также дополнительно и в

поведения сидерофильных элементов. Содержа­

процессе образования небольшого металлическо­

ние

элементов

го ядра Луны. В более поздних моделях мегаим­

в дифференциро­

пакта было показано, что Луна могла формиро­

(W,

и

соотношение

Р, Со, Мо,

-

сидерофильных

Ni, Re, Os, Ir, Pt)

ванных телах планетного размера тесно связанно

с

процессом

формирования

их

металлических

ваться главным образом из

(Hиrtman,

Davis, 1975;

вещества ударника

Сатеrоп,

Ward, 1976).

По­

ядер. В частичном силикатном расплаве, содер­

этому в этом случае проблему сидерофильных

жащем

элементов трудно обсуждать, поскольку происхо­

металлическую,

силикатную

составляю­

щую и кристаллы, сидерофильные элементы кон­
центрируются в металлической фазе. Силикатные
породы обедняются ими (Галимов,

2004).

Поро­

ждение и состав ударника неизвестны.

В предложенной нами модели образования
системы Земля-Луна (Галимов,

1995)

предпола­

ды Луны обеднены сидерофильными элементами

гается, что Луна формируется из вещества пер­

относительно

вичного хондритового состава в процессе фраг­

первичного

хондритового

состава.

ментации пылевого сгущения, общего для Луны
Работа выполнена

00630,

при поддержке

РФФИ,

проект

07-{)5-

и Программы фундаментальных исследований Прези­

диума РАН №

24.

и Земли. Центральная геохимическая проблема

-

обедненность Луны железом (относительно и Земли


Глава

184

11.

Реконструкция химических и геологических условий на ранней земле

Таблица
Вычисленная обедненность Луны сидерофильными элементами относительно хондритового

Обедненность Луны рассчитана для величины частичного плавления
в ядре,

13 % и

1

(CI) состава.

содержания металла, сосредоточенного

5,3 % (Галимов, 2004)
Обедненность (1/Л
Луна

Элемент

»мет/силикат

D тв/расплав

Вычисленная

Наблюдаемая 1*

Частичное плавление

Полное плавление

v
w

1,7

0,004

1,9

1,03

1,71
22,0

36

0,01

22

2,9

р

160

0,05

115

9,4

67,6

Со

350

1,8

12

19,5

11,6

Мо

2500

0,05

1200

133,4

1042

Ni

5000

5

50

266

57,6

Re

1,6. 105

1

3 . 104

8,5 . 103

8,5 . 10 3

Ir

1,7. 106

1

0,9 . 105

0,9. 10 5

0,9. 10 5

Примечание:

f-

коэффициент обедненности, Dмет/силикат и Dтв/расплав -

1

коэффициенты распределения данного

элемента между металлом и силикатным расплавом и между твердой силикатной фазой и расплавом соответственно

(Галимов, 2004), 1* -(Newsom, Rиncorn, 1991).

и хондритов)

количественно объясняется утра­

-

шие размеры ядра Луны (~5

той железа путем испарения в процессе высоко­

2008).

температурного

%)

(Кусков и др.,

Расчет содержания сидерофильных элемен­

сгущения.

тов для случая, если ядро Луны образовалось в

При этом теряется не только железо, но и частич­

условиях полного плавления исходного вещества

но

хондритового состава, дает величины, далекие от

и

Mg

Si,

коллапса

пылевого

что объясняет общую обогащенность

Луны рефракторными (тугоплавкими) элементами
такими как Са, Al,

наблюдаемых (табл.

1,

(Галимов,

2004)).

Однако можно получить достаточно хорошее

Ti.

Особенность этой модели состоит в том, что

соответствие,

если

принять,

что

сегрегация

ме­

она объясняет отсутствие изотопного фракциони­

талла в ядро происходила в условиях частичного

рования при утрате летучих элементов в, казалось

плавления

бы,

1991).

связанном

с

фракционированием

процессе

Галимов,

испарения.

Большинство сидерофильных элементов яв­
ляются

тугоплавкими

концентрация

их

при

компонентами.
испарении

Поэтому

3 раза),

2004; Newsom, Runcorn,
2004;

1995),

состояла в том, что металличе­

ское ядро Луны формировалось путем просачива­
ния (перколяции) восстановленного металла через

но

полузатвердевшую вязкую силикатную матрицу к

1,5-

центру Луны. В этом случае в действие вступают

повысится,

лишь в пределах единиц первого порядка (в

(Галимов,

Гипотеза, высказанная в (Галимов,

в то время как коэффициенты дифферен­

два

фактора:

распределение

элементов

между

циации между силикатной и металлической фазой

твердой силикатной фазой и расплавом и между

составляют десятки раз, а для некоторых элемен­

силикатным расплавом и металлической его со­

тов

-

ставляющей.

несколько порядков.

Как видно из табл.

Величина момента инерции Луны и ее отно­
сительно

низкая

плотность

ограничивают

воз­

лического

железа,

1,

при содержании метал­

участвовавшего

в

разделении

можный размер лунного ядра. Оно не может пре­

сидерофильных элементов ~5

восходить

шегося в ядре), и величине частичного плавления

5%

общей массы Луны.

Расчетные

%

(сосредоточив­

оценки, исходя из геофизических (момент инер­

~ 13

ции, масса, скорости сейсмических волн) и гео­

элементов оказывается близким к наблюдаемому.

химических ограничений, указывают на неболь-

Только для фосфора, элемента более летучего,

%,

расчетное распределение сидерофильных


Е. Б. Лебедев, Э. М Галимов. Условия моделирования формирования металлического ядра Луны

чем другие сидерофильные элементы, наблюдае­
мое обеднение несколько выше.

185

Проблемы компакции зон частичного плав­
ления

Проблема состоит в том, что сегрегация ме­

Существует достаточное

количество

экспе­

талла невозможна при низких степенях частично­

риментальных данных, которые свидетельствуют

го

о том, что при отсутствии деформационных про­

плавления.

Расплавленное

железо

обладает

низкой смачиваемостью по отношению к силика­

цессов

там

не способен к сегрегации, даже при высоких сте­

При низкой степени

(Ballhaus, Ellis, 1996).

кристаллическом

каркасе

сплав

железа

плавления силикатной матрицы (до

пенях частичного плавления силикатного вещества

содержании серы (до

(10-30 %

1992; Jurewicz, 1993;

5 %),

30 %) и малом
(Taylor,
Б" Кадик, 2000),

в

по данным

Лебедев Е.

ным воздействие на сегрегацию металлической

фазы деформационных процессов в кристалличе­

перколяции не происходит.

Экспериментальные данные показывают, что

железосульфидные расплавы с высоким содержа­
нием серы (выше

вес). Вместе с тем остается малопонят­

ском каркасе, а также особенностей полифазных
течений расплавленной среды.

показывают относительно

Проблемам компакции зон частичного плав­

большую возможность просачивания через час­

ления, сегрегации железосульфидных фаз и физи­

тичные

ческим свойствам частичных силикатных распла­

30 %)

силикатные

расплавы

(Лебедев

и др.,

1999; Roberts et al" 2007; Bagdassarov et al" 2009).
Однако по экспериментальным данным содержание
серы

в

хондритовом

большим ~6

веществе

% (Wasson,

оценивается

Calleтegu,

1988).

не­

Вопрос,

вах посвящено много работ (Hиstoft,

Kohlstedt,
2006; Poirier, 1994; Terasaki et al" 2001; Morard,
Katsиra, 2010; Chabot, Drake, 1999; Rиble et al.,
2003).

как может происходить перколяция железа с ма­

Принципиальное значение представляет из­

лым содержанием серы при низкой степени плав­

менение двугранных углов смачивания силикатов

ления, остается неясным.

железосульфидными расплавами, проницаемость

Считается, что минимальная величина плав­

(перколяция) кристаллического каркаса, текстур­

ления, при которой возможна перколяция расплав­

ные равновесия, величина деформирующей на­

ленного железа через силикатную матрицу, состав­

грузки, вязкость сосуществующих фаз, динамика

ляет приблизительно

процессов.

1993). Это заставило
som, Runcorn, 1991),

40 % (Taylor, 1992; Jurewicz,
отказаться Г. Ньюсома (Newанализировавшего влияние

частичного плавления на поведение сидерофиль­

Физико-химические свойства железа, его вяз­
кость и текучесть

ных элементов, от признания роли этого фактора в

распределении сидерофильных элементов.
Вещество Луны, прошедшее стадию испари­

В силикатных системах значительное влия­
ние на вязкость оказывает повышенное содержание

FeO.

При исследованиях Скергаардского интру­

тельного фракционирования и лишенное летучих

зива (Уэйджер, Браун,

элементов,

гравитационное разделение расплавов происходит

должно

иметь

высокую

температуру

1970)

бьто показано, что

солидуса. Поэтому проницаемость пород для вы­

при повышенном содержании

сокотемпературного расплава железа может быть

На планетах также мог возникать палласитовый

относительно выше. Однако ни температура, ни

слой, примыкающий к железному ядру и содер­

давление, ни минеральный состав не влияют ре­

жащий более

шающим образом на величину угла смачивания.
При наложении на среду, в которой происходит

Добавки

FeO

20 % FeO.
P-Si-C в металл

(больше

(~2

%)

20 %).

могут по­

влиять на его физико-химические свойства (вяз­

перколяция, деформирующих ее напряжений, про­

кость, текучесть, смачиваемость, проницаемость)

ницаемость существенно увеличивается (Rushтer,

и облегчить аккумуляцию и сегрегацию железа

1995).

В свое время подобный механизм был пред­

(Poirier, 1994; Terasaki et al" 2001).

ложен в качестве сейсмического фактора, иниции­
рующего выделение нефти из нефтемагазинских
пород, что объясняло особую обогащенность оса­
дочного разреза

углеводородами

активных регионах (Галимов,

в

1973).

тектонически

Вязкость жидкого

Fe.

Вязкость железа из­

меняется в широких пределах. Диапазон разли­
чий экспериментальных данных достигает по­

ловины порядка. Наиболее вероятное значение


Глава

186

11. Реконструкция химических

и геологических условий на ранней земле

вязкости жидкого железа У/= 5,5· 10- пуаз при
Т= 1500 °С и Р = 1 атм (Вертман, Сшwарин, 1969).
2

~лияние

отдельных

примесных

элементов

на

кислорода в железе вязкость

FeO

при

1400 °С

будет

равна У/ = ~О,2 пуаза. Тогда при аддитивных соот­
ношениях в расплаве с содержанием

текучесть и вязкость имеют большое значение.

+ 50 % FeO

К ним относятся кислород, углерод, сера, фосфор,

кой и равной У/ =

50 % Bas +

его вязкость будет чрезвычайно низ­

1 пуазу.

кремний и др.
Методика
Влияние

серы.

Влияние

серы

на

эксперwwента.

Для

эксперимен­

вязкость

тального моделирования условий сегрегации желе­

жидкого железа неоднозначное. Сера так же, как и

за при частичном плавлении использовался метод

кислород, обладает значительной поверхностной

высокотемпературного центрифугирования (Кадик

активностью. Поэтому сера и кислород должны

и др.,

1989).

Установка представляет собой центри­

повышать вязкость жидкого железа. Однако со­

фугу со скоростью вращения

гласно данным (Арсентьев, Коледое,

Радиус вращения

увеличивает

вязкость

жидкого

железа.

время сера по данным (Вайсбурд,

сера

1976),
В

1996)

тоже

сильно

11

3000--6000

об/мин.

см. Длина ампулы с образцом

~ 1 см. Она позволяет превышать ускорение силы
тяжести в образце в

2000--4000

раз.

Условия эксперимента варьировались, но в

снижает вязкость железа.

целом задача состояла в том, чтобы определить,
Влияние кислорода. Данные о влиянии кисло­
рода

на

вязкость

железа

противоречивы.

Это

возможно ли, и при какой постановке экспери­
мента,

осаждение

металлического

связано с различной чистотой исследованных об­

частичном плавлении ~10

разцов. Согласно большинству из них, растворен­

лического железа

ный в жидком железе кислород существенно по­

ческой

%

железа

при

и содержании метал­

пользуя экстраполяционные данные Арсентьева

5 %. Поэтому состав металли­
Fe-S фазы был выбран следующим:
95 % Fe, 5 % S. Эти условия были определены
в (Галwwов, 2004), как отвечающие наилучшему

(Арсентьев, Коледов,

соответствию расчетного и наблюдаемого распре­

вышает вязкость (Арсентьев, Коледов,

1976),

1976).

Ис­

можно оценить вяз­

кость ферробазальта. Так, при

содержании

1

ат.

%

делений сидерофильных элементов на Луне.

Результаты экспериментов

1.
При

проведении

экспериментальных работ

было проведено три серии опытов при различных
температурах

и

различных

окислительно-восста­

новительных условиях. Каждая серия проводилась
с повышением восстановительного потенциала, с
применением или отсутствием механического де­

формирующего давления на расплав, а также с
применением зоны пониженного давления.

Первая серия экспериментов

1. 1.

С помощью высокотемпературной центрифуги
(рис.

1)

проведено исследование динамики разде­

ления фаз в системе модельного состава: оливин

+

ультраосновной силикатный расплав

+

+

жидкая

металлическая фаза
Рис.

1.

Измерительная ячейка
фуги:

С-СО;

13-

алундовая пробирка;

7-

2-

буфер

IW

пробирка железная или керамическая;

всплывший расплав;
железо;

(рабочая камера) центри­

печь;

8-

5 -

образец;

термопара

6 -

или

4-

осевшее

1400

жидкости
в

Fe-S (Fe - 95 %, S - 5 %),
(IW) = -2,1 при доле силикатной
10, 20, 30 % и металлической фазы 5 %

°С, Лlg/02

железных

2000).

пробирках

(Лебедев Е. Б.,

Кадик,

Исходным материалом для экспериментов


Е. Б. Лебедев, Э. М Галимов. Условия моделирования формирования металлического ядра Луны

CS-49
85 % 01; 10 % Pic;
5 % сплав FeS (5 % вес. S);

CS-54
75 %01; 20 %Pic;
5 % сплав FeS (5 % вес. S);

CS-63
65 % 01; 30 %Pic;
5 % сплав FeS (5 %

предварительное плавление

предварительное плавление

предварительное плавление

при 1300°С;

g = 4000;

Т=

при 1300°С;

1400 °С; t = 30 мин;

g = 4000;

Т=

g = 4000;

Т=

1400 °С; t = 15

пробирка железная;

пробирка железная;

буфер

буфер

буферIW

Рис.

S);

при 1300°С;

1400 °С; t = 10 мин;

пробирка железная;

IW

вес.

187

IW

мин;

2. Распределение фаз в опытах CS-49, CS-54, CS-63, выполненных при различной степени плавления (10, 20, 30 %)

послужила

смесь

природного

стекла пикрита и сплава

вина составлял

10-20

Fe-S.

оливина

(Fo89),

Размер зерен оли­

мк, сплава металла

2-3

мк.

ких восстановительных условиях, при графитовом
буфере

lg /02 (С--СО)

Эксперименты были выполнены в две стадии.

ческого железа (рис.

Сначала образец был расплавлен при

ные

1300 °С

без

вращения центрифуги для достижения первона­

12,55

=

при

1400 °С.

В ниж­

ней части образцов наблюдается осадок металли­

условия

3).

приводят

Высокие восстановитель­
к

значительному измене­

нию в структуре оливинов. В кристаллах оливина

чального равновесного распределения расплава и

происходит восстановление железа, что видно на

кристаллов оливина. Вторая стадия эксперимен­

закалочных образцах.

тов включала вращение образца при той же самой
температуре. Распределение расплава, кристаллов

Составы фаз образцов

CS---41

и

CS -57
2.

после

центрифугирования приведены в табл.

оливина и капель расплавленной металлической

фазы по направлению действия центробежного
ускорения представлены на рис.

CS-63).

2 (CS---49, CS-54,

Распределения расплава, кристаллов оли­

вина и капель металлической фазы показыва­

ют отсутствие их разделения в объеме образца,
несмотря на значительные величины центробеж­

ного ускорения (~4000), пробирки железные, бу­
фер

IW (рис. 2).

1.3.

Третья серия экспериментов

Третья серия экспериментов проводилась с

использованием методов деформирования сили­
катного каркаса дополнительным грузом и нена­

груженной зоны (рис.

4).

Опыты проводились при

восстановительных условиях ниже графитового
буфера.

только тем, что опыты бьmи проведены в графи­

85 % 01; 10 % фер­
5 % Fe-S (95 %Fe, 5 %S). Параметры
эксперимента: g = 4000; Т= 1440 °С; t = 15 мин,
пробирка из керамики (Zr02).
Груз массой 1,5 г действует непосредственно

товых пробирках. Следовательно, в более высо-

на расплавленный образец сверху.

1.2.

Вторая серия экспериментов

Условия проведения второй серии отличались

Состав исходной смеси:

робазальт;


Глава

188

11. Реконструкция химических и геологических условий на ранней земле

CS---41

Общий вид

CS-57

Оливин. Межзерновые каналы

Оливин. Межзерновые каналы

Буфер графитовый.

Буфер графитовый.

85 %01; 1О %Pic;
5 %Fe (5 %вес. S);

85 %01; 1О %Pic;
5 %Fe (5 %вес. S);

g=4000;T=l400°C;

g=4000;T=1450°C;

t=50

мин;

t=lO

пробирка графитовая
Рис.

3.

Распределение фаз в опытах

CS---41, CS-57,

выполненных в графитовых пробирках при графитовом буфере

Окислительно-восстановительные условия

при Т

lg fo 2

=

=1440 °С. Буферная смесь
FeO и добавки порошка

составлялась из смеси

графита

(для

разбавления).

(С--СО)

более

повышенные

условия, по отношению к
ниях

lg / 02

IW

Она

обеспечивала

был приготовлен из

природного

с расчетным добавлением

добавок (Р,

улучшающих литейные свойства

FeS 2
Si, С),

центрифуги
Т=

Исходная

1300

при

медленном

°С в течение

0,5

вращении

при

часа для достижения

текстурного равновесия.

Деформирование
Деформирующие

Fe

и

силикатного

напряжения

каркаса.

имитировались

путем помещения дополнительного груза в ампу­
лу,

ределялся экспериментально.

Fe-S

(Poirier, 1994; Terasaki et а/., 2001).

смесь была сплавлена в измерительной ячейке

буферу при значе­

IW буфера на 2,5 единицы, т. е.
-2,5 -;- -3,0. Процент разбавления оп­

Исходный сплав

сплава

восстановительные

ниже

Лlg/02 (IW) =

мин;

пробирка графитовая

в эксперименте вьщерживались на уровне

= -12,3-;- -12,5

Общий вид

поршень

непосредственно

касался

исследуе­

мого образца. В нижней части рабочей камеры
имелось ненагруженное пространство, куда могла

поступать осаждаемая металлическая фаза, рис.

1.


Е. Б. Лебедев, Э. М Галимов. Условия моделирования формирования металлического ядра Луны

189

2

3

4

а)

Рис.

Измерительная ячейка (рабочая камера) центрифу­

4.

ги (с деформирующим грузом и ненагруженной зо­
ной):

1 - алундовая пробирка; 2 - поршень, груз
- буфер IW и С-СО; 4 - пробирка керамиче­
ская (Zr0 2 ); 5 образец; 6 подставка; перего­
родка; 7 осевшее железо в ненагруженной зоне;
8 - печь; 9 - термопара
W;

З

Ненагруженное

пространство

рассматривалось

при изучении влияния сдвиговых напряжений на

6)

сегрегацию сульфидного железа в системе «ме­

талл-силикат» (Hиstoft,

Kohlstedt, 2006).

Анало­

гичная система использована в рабочей зоне из­

мерительной ячейки центрифуги (рис.

1).

Для от­

деления областей более высокого и более низкого
давления

использовалась

керамическая

Рис.

5.

Эксперимент
высоте

CS-110.

образца

пробирка

Zr02; 2 -

3-

центрифугирования:

1 -

частичный силикатный расплав

(кристаллы оливина
робаэальта);

(а)- Распределение фаз по

после

+

межзерновой расплав фер­

капли железа;

4-

осевшее желе­

зо; (б)- осадок железа

перего­

родка.

жение, прилагаемое к образцам, и вязкость рас­

Груз выполнен из вольфрамового поршня и
платинового груза (гири) весом

1-3,5

тичном плавлении силикатного вещества

плавления) и температуре Т=
матрицы равна

1J ;: : ; 1О

12

1450

плавов значительно выше.

гр. При час­

(10 %

°С вязкость

пуаз. Давление, которое

оказывал поршень, небольшое, в зависимости от

Распределение
ния. На рис.

5-7

фаз после

показана картина распределения

фаз после центрифугирования, опыт

CS -11 О.

Показана форма и состав капель из опыта

груза могло составлять 30--150 кг/см . Однако со­

CS-110

четание небольшого давления груза и ненагру­

ной пленкой: опыт

женной зоны в нижней части ампулы оказывает

вокруг капель опытов

существенное влияние на сегрегацию металличе­

Katsиra,

2

центрифугирова­

(а,

6,

в). Капли железа окружены сульфид­

CS-110, табл. 3. Форма пленки
CS-110 и данных (Morard,

2010) похожи.

ской фазы. Металлическая фаза, имея низкую вяз­

В опытах капли металла, состоящие из мелких

кость 1J ;: : ; 10-2 пуаз, при вязкости насыщенного
железом ферробазальтового расплава 1J ;: : ; 1 пуаз,

шариков, окружены сульфидной пленкой. В ряде

может

перемещаться

в

ненагруженную

зону.

случаев капли хорошо выражены и четко опреде­

лен их состав. Также, осадок железа в нижней

Сравнение нагрузок проводилось с данными Раш­

части образца, окружен сульфидной пленкой, рис.

мера (Rиshmer,

Проявление

1995),

в работах которого напря-

Fe-FeS

несмесимости

в

5.

расплавах


Глава П. Реконструкция химических и геологических условий на ранней земле

190

(а)
Рис.

6.

(в)

(6)

Фазы расплава после центрифугирования в образце
кристаллы оливина и межзерновые каналы; (в)

-

CS -110:

(а)

-

капля металла в расплаве, см. табл.

3;

(б)­

кристаллы оливина, межзерновые каналы и осадок металла

Таблица
Составы фаз образцов

CS-41, CS-57, CS-110

2

после центрифугирования
Сr2Оз-

Na20

&О

I:

0,39

0,33

98,79

Si02

MgO

FeO

Аl2Оз

Са О

Ti02

MnO

P20s

49,62

17,61

7,96

7,96

8,76

0,17

0,15

0,08

44,98

55,34

0,43

0,11

0,13

0,02

0,13

0,01

Оливин (МНР-85/1 ):

41,10

48,58

10,26

Оливин после опыта

42,88

53,56

9,51

0,17

0,09;

0,04

0,15

0,05

0,08

0,14

0,03

0,00

106,83

Оливин, черная кайма

44,47

52,81

2,38

1,14

0,66

0,05

0,10

0,00

0,09

0,40

0,03

0,01

101,93

Si02

MgO

FeO

Аl2Оз

Са О

Ti02

MnO

P20s

Сr2Оз-

NIO

Na20

К2О

I:

49,62

17,61

7,96

7,96

8,76

0,17

0,15

0,08

0,39

0,33

98,79

6189

1108

0,40

15,05

13,47

0,37

0,20

0,02

0,01

0,00

103,30

Оливин (МНР-85/1):

41,10

48,58

10,26

Оливин после опыта

43,04

52,73

7,20

CS--41
Исходный расrшав
Межзерновой расrшав
после опыта

CS-57
Исходный расrшав
Межзерновой расrшав
после опыта

0,08

0,14

0,15;

0,37

0,02

0,00

106,00

106,00

0,37

0,07

0,00

0,02

0,18

0,02

0,02

NiO-

45,66

55,03

0,27

0,19

0,25

0,00

0,08

Si02

MgO

FeO

Аl2Оз

Са О

Ti02

MnO

P20s

Исходный расплав

46,84

8,54

17,54

13,64

8,36

0,73

0,10

0,13

Межзерновой расплав

57,81

16,59

0,16

11,71

7,37

0,38

Оливин (МНР-85/1 ):

41,10

48,58

10,26

0,08

0,14

Оливин после опыта

42,88

55,85

0,14

0,10;

0,09

CS-110

0,08

0,14

0,00

Оливин, черная кайма

101,32

0,14

0,08

NIO

0,17

0,01

103,77

0,01

0,00

101,53

Na20

К2О

Zr02

I:

2,11

0,80

98,79
3,79

0,37

97,81
1,06
99,25

Таблица

Капли и осадок железа в расплаве
Формы выделения железа

Объект анализа

CS-110

Fe

Ni

s

р

с

Si

I:

Капли железа

Железные шарики

98,24

0,61

0,65

0,2

0,50

0,47

100,68

в расплаве

Сульфидная пленка

68,44

0,27

29,03

0,09

0,03

0,11

97,94

Осадок железа

Центр

95,62

1,03

0,04

0,21

0,55

1,24

98,69

Край

64,49

0,10

34,88

0,11

0,05

0,07

99,70

Общий

91,78

1,17

4,55

0,40

1,24

100,16

1,02

3


Е. Б. Лебедев, Э. М Галимов. Условия моделирования формирования металлического ядра Луны

Рис.

7.

Капли металла в осадке

отмечалось в работах

(Ballhaus С., Ellis, 1996;
Моrаrd, Katsura, 2010; Chabot N. L., Drake, 1999).

новесия железо

условия.

Определяющее значение при сегрегации железа
имеет потенциал кислорода.

-

силикатный расплав в базаль­

товых системах, а также с помощью термодина­
мического

Окислительно-восстановительные

191

анализа

по

результатам

исходных

и

конечных составов железосиликатных расплавов

(Аверин,

2009).

Расчеты показывают, что при полном выде­

Как предполагается, на ранних этапах эволю­

лении железа значения

lgfo 2 :::::: -15,5,

что совпа­

ции планет процессы дифференциации базальто­

дает с экспериментальными данными. По экс­

вых магм и разделения сидерофильных элементов

периментальным данным окислительно-восста­

происходили при высокой температуре и низкой

новительные условия при дифференциации лун­

летучести кислорода на несколько порядков ниже

ных базальтов, осаждении железа и сегрегации

тех, которые свойственны равновесию металли­

ряда сидерофильных элементов при темпера­

ческого железа с силикатами, ниже значений бу­

турах

фера железо-вюстит

(IW)

на несколько логариф­

°С

оцениваются

величиной

мических единиц, т.е. Лlgf02 (1W)::::::
дик и др.,

Арискин и

-(4,5-5,5) (Ка­
1989; Sato, 1976; Борисов и др., 1991;
др., 1992; Аверин, 2009).

1400-1450
Лlgfoz(IW):::::: -5,5.

2.

Окислительно-восстановительные условия при

Приложение. Параметры
эксперимента в приложении

дифференциации лунных базальтов при темпера­

к критериям подобия

турах

1400-1450 °С оценивается величиной lg/02::::::
: : : - (l0,5-o-15,5) при буфере IW и С-СО (Sato, 1976;
Борисов и др., 1991). Окислительно-восстанови­

зованием

тельные условия в трех сериях экспериментов при

зволяет провести сравнение экспериментальных и

центрифугировании

выдерживались

критеральных зависимостей.

lgfo 2 :::::: -9,56 -о- -15,5

при Т =

на

уровне

высокотемпературных

центрифуг

по­

1400-1440 °С. Опы­
(IW), графитовых

является то обстоятельство, что этот способ мо­

пробирках в при­

делирования не требует изменения физических

ты проводились в железных
(С-СО) и в керамических

Экспериментальное моделирование с исполь­

(Zr02)

Важной стороной использования центрифуг

сутствии буферной смеси. Буферная смесь с до­

свойств

бавкой графита обеспечивала значения от

жидкостей

и

кристаллических

частиц

до

(вязкость, плотность) для сохранения подобия с

С-СО с повышением восстановительных усло­

объектом моделирования (Покровский, Федоров,

вий (за счет разбавления) по отношению к

1953).

~

- 5,5

единицы, т. е. Лlgf02(IW)::::::

на

основе

IW

на

Основные правила моделирования и прави­

- 5,5.

Окислительно-восстановительные
оценивались

IW

химического

условия

ла сохранения подобия модели и оригинала вы­

состава за­

полнены в соответствии с данными работы (Ка­

каленных продуктов экспериментов. Оценка про­
изводилась в соответствии с расчетными данны­

ми (Арискин и др.,

1992)

по моделированию рав-

дик и др.,

1989).

В соответствии с этими данными скорость

отделения металлической фазы будет выражаться:


192

Глава

11. Реконструкция химических и геологических условий на ранней земле

(1)

ции

-

проницаемость среды модели;

кость жидкости; Лр
кости и металла; а

µ -

вяз-

разность плотности жид­

-

-

ускорение.

Ускорение под воздействием центробежной

под

грузом

и

течении

Показано, что при механической деформации
силикатного каркаса во время центрифугирования
в смеси, состоящей из кристаллов оливина, ос­

новного силикатного и железосульфидного рас­
плава, происходит осаждение железа.

силы:

Полученные результаты характеризуют па­

2.

(2)

каркаса

металла в зону более низкого давления.

'f

где К

силикатного

раметры температуры,

концентрацию

кислорода,

составы расплавов, их физико-химические свой­
где п

число оборотов в минуту, ш

-

скорость вращения в радианах,

R-

угловая

-

радиус вра­

ства при которых возможна сегрегация и перколя­

ция железосульфидных фаз.
Полученный результат указывает на воз­

3.

щения.

Масштаб подобия для ускорения силы тяже­

предполагаемого

ме­

вещества, близкого к составу СI-углистых хонд­

2 2

4тс п R ~

g

осуществления

ханизма образования ядра Луны из первичного

сти при моделировании на центрифуге:
а

можность

g·602

10 з

(3)

ритов.

Это означает, что при рассмотрении процес­

Литература

сов разделения частичного расIШава и металла в

слое толщиной 500 х 10 м и в ампуле высотой
1 см получатся одинаковые результаты, если вре­
3

мена процессов соотносятся как

to~tм·l0 •

(4)

При продолжительности эксперимента

1 см

15 мин

моделируемое время осаж­

дения металла к центру Луны (расстояния поряд­

ка 1500 км) составит ~5· 106 лет. Согласно (Гали­
мов, 2004) Луна образовалась быстро, вероятно, в
течение

первых

миллионов лет

после

возникно­

вения Солнечной системы, а формирование ее ядра
было существенно растянуто во времени, возмож­

но, до

50

ние

-

(2009)

Термодинамическое моделирова­

основа прогнозирования оптимальных про­

цессов химической технологии

8

и высоте ампулы

Аверин В. В.

млн лет и более. Следовательно, кри­

терии подобия могут отвечать масштабу времени
и условиям процесса сегрегации металлическо­

го ядра Луны.

РУДН. С.

169.

Арискин А. А., Борисов А. А., Бармина ГС.
делирование

равновесия

С.

ции железа при малом содержании серы (до

5 %)

в системах железосульфидных и силикатных рас­
плавов при восстановительных условиях

::::о

-15,5, т.

(lgfo 2

::::о

е. Лlgf02 (IW) ::::о -

(при разбавлении) и

5,5) при буферах и С-СО
температурах 1430-1440 °С,

в условиях частичного плавления при деформа-

Мо­

9.

Металлические

расплавы и их свойства. М.: Металлургия.

376 с.

Борисов А. А" Жаркова Е. В., Кадик А. А., Кравчук И. Ф.,
Луканин О. А.,

( 1991)

Малинин С. Д.,

Шилобреева С. Н.

Флюиды и окислительно-восстановительные

равновесия в магматических системах

//

М.: Наука.

256с.

(1996)

Физико-химические свойства

особенности строения сульфидных расплавов.

304 с.

вов железа. М.: Наука.

моделирование сегрега­

(1976)

Арсентьев П. П., Коледов Л. А.

М.: Металлургия.

гирования осуществлено

(1992)

силикатный

1231-1240.

Вертман А. А. Самарин А. М

Методом высокотемпературного центрифу­

-

железо

расплав в базальтовых системах// Геохимия. №

и

1.

Сборник докла­

тематики, информатики, физики и химии. М.: Изд.

Вайсбурд С. Б.

Заключение

//

дов Всероссийской конференции по проблемам ма­

Галимов Э. М

(2004)
(1995)

(1969)

Свойства распла­

с.

О происхождении вещества Луны

11Геохимия.№7. С.
Галимов Э. М

280

691-706.

Проблема происхождения Луны//

Основные направления геохимии. К 100-летию со
дня рождения А. П. Виноградова/ Ред. Э. М. Галимов.

8-43.
(1973) Сейсмический

М.: Наука. С.

Галимов Э. М

фактор миграции и

аккумуляции нефти// Изотопы углерода в геологии
нефти и газа. М.: Недра. С.

137-144.


Е. Б. Лебедев, Э. М. Галимов. Условия моделирования формирования металлического ядра Луны

Кадик А. А., Лебедев Е. Б. Дорфман А. М.,
ров Н. Ш.
ния

(1989)

Багдаса­

Моделирование процесса отделе­

магматических расплавов от кристаллов с

по­

мощью высокотемпературной центрифуги// Геохи­
мия. №

1.

Кусков О. Л.,

кин А. Б.

с.

43-54.

Дорофеева В. А.,

(2008)

Кронрод В. А.,

Макал­

Системы Юпитера и Сатурна. Фор­

мирование, состав и_ внутреннее строение крупных

спутников// М.: ЛКИ.

250 с.
(2000)

Лебедев Е. Б., Кадик А. А.

Движение сульфид­

ных фаз в частично расплавленных зонах (к про­
блеме экспериментального моделирования форми­

рования планетных ядер в центробежных полях)

//

Физические свойства горных пород при высоких

давлениях. М.: ИФЗ РАН.

Лебедев Е. Б., Кадик А. А., Кусков О. Л., Дорфман А. М,
Луканин О. А.
в

частично

(1999)

Движение сульфидных фаз

расплавленном

силикатном

вещест­

ве: приложение к проблеме образования плане­
тарных ядер

// Астрономический вестник. Т. 33.
395-405.
Покровский Г И., Федоров И. О. (1953) Центробеж­
№

5.

С.

ное моделирование для решения инженерных задач.

М.: ГИЛ по строительству и архитектуре.

196 с.
(1970) Расслоенные извержен­
ные породы. М.: Мир. 552 с.
Bagdassarov N., Solferino G., Golabek G. J., Schmidt М W.
(2009) Centrifuge assisted percolation of Fe-S melts in
partially molten peridotite: Time constraints for planetary core formation // Earth and Planetary Science Letters. V. 288. Р. 84-95.
Ballhaиs С., Ellis D. J. (1996) Mobility of core melts during Earth's accretion // Earth and Planetary Science
Letteres. V. 143. Р. 137-145.
Cameron А. G. W., Ward W. (1976) The Origin ofthe Moon //
Sci. Proc. Lunar. Conf. 71h. Houston. Р. 120-122.
Chabot N. L., Drake М J. (1999) Potassium solubility in
metal: the effects of composition at 15 kba and 1900 °С
оп partitioning between iron alloys and silicate melts //
Earth and Planetary Science Letters. № 172. Р. 323-335.
Hиrtman W. К., Davis D. R. (1975) Satellite-sized planetesimals and lunar origin // Icarus. V. 24. Р. 504-515.
Уэйджер Л., Браун Г

Hиstoft J.

193

W., Kohlstedt D. L. (2006) Metal-silicate segregation in deforming dunitic rocks // Geochemistry, Geophysics, Geosistems, Electronic Joumal of the Earth
Sciences_ V. 7. № 2.
Jиrewicz S., Jones J. Н. (1993) Experimental segregation
of iron-nickel metal, iron-sulfide, and olivine in а
thermal gradient: preliminary results // 24 Lunar Planet.
Sci. Conf. Pt. 2. Р. 743-744.
Morard G., Katsura Т (2010) Pressure-temperature cartography of Fe-S-Si immisciЫe system // Geochimica et Cosmochimica Acta. V. 74. № 12. Р. 3659-3667.
Newsom Н. Е., Rиncorn S. К. (1991) New constraints of
the size of the lunar core and the origin of the Moon //
Abst. XXJJ Lunar Planet. Sci. Conf. Houston. Р. 973-974.
Poirier J-P. (1994) Light elements in the Earth's outer core:
А critical review // Physics of tint Earth and Planetary
Interiors. 85. Р. 319-337.
Roberts J. J., Кiппеу J. Н., Siebert J., Ryerson F J. (2007)
Fe-Ni-S melt permeability in olivine: implication for
planetary core formation // Geophys. Res. Lett. 34.
Ll 4306_ doi: 10-1029/2007GL030497.
RuЬie D., Melosh Н., Reid J., Liebske С., Righter К. (2003)
Mechanisms of metal-silicate equilibration in the terrestrial magma ocean // Earth and Planetary Science
Letters. № 205. Р. 239-255.
Rиshmer Т (1995) An experimental deformation study of
partially molten amphibolite: application to low-melt
fraction segregation_ // J. Geophys. Res. V. 100. № В8.
Р. 15681-15695.
Sato I. (1976) Oxygen fugacity and other thermoohemical
parameters of Apollo 17 high-Ti basalts and their implications оп the reduction mechanism // Proc. of the
VII Lunar sci. conf. Houston. Р. 1323-1344.
Taylor G. J. (1992) Core formation in asteroids // J. Geophys. Res. 97 (Е9). Р. 14717-14726.
Terasaki Н., Kato Т, Urakawa S., Fиnakoshi К., Sиzиki А.,
Okada Т, Maeda М, Sato J., КиЬо Т, Kasai S. (2001)
The effect of temperature, pressure, and sulfur content
оп viscosity of the Fe-FeS melt // Earth and Planetary
Science Letters. № 190. Р. 93-102.
Wasson У Т., Callemegu G. W. (1988) Composition of chondrites // Phil. Trans. R. S. London. А328. Р. 525-544.


ГЛАВА

111

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕДБИОЛОГИЧЕСКИХ
ХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ


А. И Коновшюв, Л. Я. Захарова

Самоорганизация амфифильных соединений как основа эволюции биосистем:
от модельных синтетических супрамолекулярных ансамблей

к сложным гибридным биоорганическим и биологическим объектам

r

............................................. 199

Ю. В. Наточин

Катионы околоклеточной среды

-

от возникновения жизни к появлению внутренней

среды животных ......................................................................................................................................

21 7

В. И Баранов, Л. А. Грибов, И В. Михайлов

Дополнительность детерминизма и множественности

-

необходимое условие

существования биосферы .......................................................................................................................

231

В. А. Аветисов

О первичных носителях селективных функций ...................................................................................

247

В. А. Дементьев

Некоторые вопросы химической эволюции, решаемые средствами
молекулярного моделирования

.............................................................................................................. 265

С. Д. Варфоломеев, С. В. Лущекина, О. Н. Карпухин
Предбиологическая эволюция макромолекул. Термоцикл

и комбинаторного

- условие синтеза
отбора ....................................................................................................................... 287

М С. Крицкий, Т. А. Телегина, Ю. Л. Вечтомова, М П. Колесников, Т. А. Людникова, А. А. Буглак

Фотохимические реакции флавинов в эволюции процессов преобразования энергии
солнечного излучения .............................................................................................................................

307

А. В. Лобанов, Г. В. Синько, Г. Г. Комиссаров
Молекулярные и ассоциированные хлорофилл и хлорофиллид:

координационные и фотохимические свойства в реакциях пероксида водорода .............................

319

В. А. Илатовский, Г. В. Синько, Г. А. Птицьщ Г. Г. Комиссаров

Исследование фотоэлектрохимических свойств дисперсных систем,
содержащих хлорофилл и его синтетические аналоги в виде тонких слоев
на поверхности инертных и металлизированных носителей

............................................................. 335

О. С. Неделина, О. Н. Бржевская, Е. Н. Дегтярев, А. С. Зубков, Л. А. Чернозатонский
Молекулярные анионы и их предшественники в формировании
электрон-транспортных цепей, сопряженных с синтезом АТФ

......................................................... 347

В. Л. Рапопорт, В. М Малкин, Е. А. Сафаргалеева, К. И Решетова, В. В. Горючка

Люминесцентное исследование первичных стадий химической эволюции
с участием прочносвязанных стэкинг-агрегатов аденина и урацила .................................................

365

И А. Наговицын, Г. К. Чудинова, Г. В. Синька, Г. Г. Комиссаров

Влияние пероксида водорода на фотосинтетические модельные системы .......................................

373

С. В. Цыганкова, А. А. Формановский, А. А. Чинарев, А. Б. Тузиков, Н. В. Бовин

Ассоциация олигоглицинов на слюде

................................................................................................... 381

Е. А. Кузичева, М Б. Симаков, Н. Б. Гонтарева

Влияние метеоритных подложек и лунного грунта на пребиотический синтез нуклеотидов

........ 395

С. А. Маракушев, О. В. Белоногова

Зарождение примитивного хемоавтотрофного метаболизма в гидротермах
и происхождение предковых таксонов прокариот

............................................................................... 403

Г. Г. Манагадзе

Плазменные процессы в миссии

Deep Impact .............. " ...................................................................... 421


САМООРГАНИЗАЦИЯ АМФИФИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ КАК ОСНОВА ЭВОЛЮЦИИ

БИОСИСТЕМ: ОТ МОДЕЛЬНЫХ СИНТЕТИЧЕСКИХ СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫХ АНСАМБЛЕЙ
К СЛОЖНЫМ ГИБРИДНЫМ БИООРГАНИЧЕСКИМ И БИОЛОГИЧЕСКИМ ОБЪЕКТАМ

А. И. Коновшюв, Л. Я. Захарова
Институт органической и физической химии им. А. Е. Арбузова
Казанского научного центра РАН.

Zиcia@iopc.ru

На примере синтетических супрамолекулярных систем проведено моделирование базовых факторов,
контролирующих функционирование биологических систем. Показано, что постепенные (эволюционные)
изменения молекулярного строения амфифилов могут приводить к радикальным изменениям надмолеку­
лярной структуры, свойств локального микроокружения и объемной фазы (микро- и макро-характеристик

среды), обусловливающим возникновение откликов, критических с точки зрения биологических проявлений.
Закономерности, характерные для эволюционного изменения функциональных свойств самоорганизующихся
синтетических систем, подтверждают тезис, что супрамолекулярные системы

-

мост между неживой и

живой материей.

радикально изменяют биологический отклик. Про­

Введение

лить свет на сложный согласованный механизм
Супрамолекулярные системы на основе ам­

функционирования биосистем может поэтапное

фифильных соединений относятся к биомимети­

исследование самоорганизации в порядке услож­

ческим объектам, позволяющим моделировать це­

нения

лый

контролирующих

амфифильных соединений до мультикомпонент­

функционирование биологических систем. К клю­

ных гибридных ансамблей и далее к биологиче­

чевым принципам возникновения и развития жи­

ским организованным структурам.

ряд

б~овых

факторов,

организованных

систем

от

синтетических

вой материи относится явление самоорганизации,

благодаря которому возможен качественный скачок

1.

от огромного многообразия органических соеди­

Супрамолекулярные

-

нений, обусловленного их химическим строением,

системы

к поистине бесконечному спектру биоструктур,

неживой и живой материей

мост между

формирующихся за счет нековалентных взаимо­

Феномен жизни (Галимов,

действий, что составляет основу специфических
свойств биологических индивидуумов.

Переход

ждение (Опарин,

1957),

2001),

ее происхо­

эволюция материи в це­

от неживой к живой материи во многом обуслов­

лом, включая эволюцию биологических и соци­

лен нехимическим уровнем организации, подклю­

альных систем (Эволюция: космическая, биологи­

чающим наряду с ковалентным взаимодействием

ческая, социальная,

2009; Эволюция: проблемы и
2010; Проблемы зарождения и эволю­
биосферы, 2008), - все это проблемы, волно­

широкий спектр неспецифических (физических) и

дискуссии,

специфических межмолекулярных взаимодействий.

ции

Именно такой уровень самоорганизации может

вавшие человечество в течение веков и не менее

объяснить уникальное биологическое явление, ко-

волнующие его в настоящее время. Сегодня пре­

1да визуально незначительные изменения химиче­

вращение материи с момента Большого взрыва до

ской структуры или микроокружения молекулы

настоящего времени рассматривается как единый


Глава

198

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

111.

процесс, именуемый

в английском

«Big History»

варианте и «Универсальная история»

-

в русском

(Эволюция: космическая, биологическая, социальt

ная,

30-е годы прошлого столетия удостоился наимено­

вания «сверхмолекула». А могут образоваться по­
лимолекулярные

системы,

называемые

«супрамо­

В этом едином процессе выделяют три

лекулярными ансамблями». Здесь примером могут

главных этапа: предбиологическую эволюцию в

служить мицеллы, которые образуются на основе

целом (от Большого взрыва до возникновения

амфифильных соединений под влиянием гидро­

жизни), биологическую эволюцию (до появления

фобных эффектов. В целом достаточно обобщен­

человека) и социальную эволюцию (развитие че­

ные данные по дизайну, синтезу, архитектуре и

ловеческого общества). Интригующим моментом

функциям супрамолекулярных систем представле­

2009).

Универсальной истории является момент возник­

ны в литературе, в частности в (Лен,

новения жизни, т. е. переход от неживой материи

Этвуд,

1998;

Стид,

2007; Steed, Atwood, 2009).

к материи живой. Совокупность полученных к

Существенно, что развитие супрамолекуляр­

настоящему времени новых научных данных, не

ной химии протекало двумя потоками: исследова­

претендуя на разрешение этой интриги, свиде­

ние синтетических супрамолекулярных систем, ко­

тельствует о ключевой роли супрамолекулярных

гда

систем в рассматриваемом процессе.

супрамолекулярные системы, и исследование при­

Понятие «супрамолекулярные системы» вве­
дено на основе новой ветви химической науки
супрамолекулярной химии (Лен,

-

объектами исследования были рукотворные

родных

супрамолекулярных

систем,

создаваемых

самими биологическими объектами. Сопоставле­

созданной

ние свойств супрамолекулярных систем этих двух

лауреатом Нобелевской премии Жан­

потоков приводит к выводу, что как в биологиче­

Мари Ленам. Согласно Ж.-М. Лену, «супрамоле­

ских системах, так и в синтетических реализуются

в

1978 году

1998),

это химия за пределами моле­

одни и те же свойства (функции) и архитектуры.

кулы, описывающая сложные образования, кото­

Рассмотрим, что же дало исследование синтетиче­

рые

ских супрамолекулярных систем.

кулярная химия

являются

-

результатом

ассоциации

двух

или

более химических частиц, связанных вместе меж­

Сегодня созданы синтетические рецепторы на

молекулярными силами». Отсюда следует: супра­

все основные типы субстратов: катионы, анионы,

-

это сложные молекуляр­

нейтральные молекулы как органической, так и не­

ные (полимолекулярные) структуры, образованные

органической природы. В качестве примеров мож-

с

нековалентных

но привести рецепторные свойства ряда функцио-

взаимодействий, среди которых наибольшее зна­

нализированных каликс[4]аренов на катионы ме­

молекулярные системы

участием

межмолекулярных

чение имеют водородная связь, катион-n(п) взаимо­

таллов

действия, гидрофобные эффекты

Stoikov,

(Schneider, Yatsi-

mirsky, 2000).

ные системы построены по так называемому типу

Относительно слабые нековалентные межмо­
лекулярные связи могут приводить к образованию
достаточно устойчивых

лярных систем)

(Stoikov et al., 2003; Gafiиllina et al., 2006;
Yиshkova et а!., 2009). Многие рецептор­

структур

( супрамолеку­

«хозяин-гость». Молекулы рецептора

на>>

-

-

«хозяи­

способны присоединять к себе, а иногда

включать в себя молекулы субстрата

-

«гостя».

при реализации определенных

Рецепторы могут проявлять высокую селектив­

условий, а именно: предорганизации образующих

ность, т. е. они способны к «молекулярному рас­

супрамолекулярную систему компонентов (моле­

познаванию». Это означает, что молекулы, не раз­

кул), многоточечности связывания этих компо­

рушая структуры партнера(!), узнают друг друга

нентов, кооперативности действия связывающих

на основе межмолекулярных взаимодействий. По

сил

В результате на

сути это обмен молекулярной информацией! Суще­

основе молекул под влиянием межмолекулярных

ственно, что информация создается и хранится на

(Schneider, Yatsimirsky, 2000).

сил формируются супрамолекулярные системы в

молекулярном уровне, а считывается на супрамо­

виде одного из двух типов структур. Могут образо­

лекулярном, без какого-либо ущерба самим моле­

ваться

кулам, их ковалентным связям. При молекулярном

стехиометрически

щественно

определенные,

двумолекулярные

мые

«супермолекулами».

здесь

-

структуры,

Классический

преиму­
называе­

пример

димер уксусной кислоты, который еще в

распознавании

тарности,

как

реализуется

принцип

пространственной:

комплемен­

взаимодейст­

вующие группы подошли друг к другу на необ-


А. И Коновалов, Л. Я. Захарова. Самоорганизация амфифильных соединений и эволюция биосистем

ходимые для взаимодействия расстояния,

-

199

так

и функциональной: если один компонент имеет,
к примеру, протонодонорную группу, то другой
в соответствующем положении

-

протоноакцеп­

торную и наоборот, т. е. имеются все необходи­
мые условия для наилучшего связывания компо­

нентов системы. Это не что иное, как основы
принципа «ключ-замок» Эмиля Фишера, хорошо

известного в биологии.
Созданы синтетические транспортные сред­
ства. Рецепторы могут транспортировать субстраты

через мембраны или каналы. При этом, если сис­

тема способна к молекулярному распознаванию,
будет осушествляться селективный транспорт. По­
казано, как из целой «библиотеки» родственных
по структуре соединений транспортируется только

одно из них - то, что «распознано» (Stoikov, Agafonova et al., 2009; Стойков и др., 2004) (рис. 1).
Синтетические

супрамолекулярные

системы

могут выступать в качестве эффективных катализа­

торов, что, в частности, показано на примере об­
щепризнанных так называемых биомиметических
реакций, моделирующих процессы, протекающие в
живых организмах. Примечательно, что кинетиче­
ские закономерности в таких случаях соответству­
ют

закономерностям

энзиматических

процессов

(Ryzhkina et al., 2003).
Есть примеры самоорганизации, которые про­

сто потрясают воображение

(Whitesides et al., 1999;
Lehn, 2002; Hasenknopf et al., 1996). Вот один из них
(Lehn, 2002; Hasenknopf et al., 1996) - см. рис. 2.

Рис.

1.

Коэффициенты усиления nотока (в=

5Fec'2

3 NiCl2

IFe2•=QI

1Ni2•=QI

Рис.

2.

j;I )0 )

тов каликсареном через жидкую мембрану

0

Самоорганизация суnрамолекулярных архитектур

субстра­


200

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

ADENINE
Thymine

Рис.

3.

Супрамолекулярная структура ДНК

Здесь имеют место взаимодействия «катион-n-элек­

Рецепторно-субстратные

троны». В данном случае молекулы многозвенного

селективными. Это обусловливает явления молеку­

отношения

могут

быть

лиганда,

n-электронных

лярного распознавания и молекулярной информа­

центров, при взаимодействии с дихлоридом никеля

тики. Супрамолекулярные системы могут осущест­

(двухзарядным катионом никеля) образуют трой­

влять транспорт и катализ. При наличии молеку­

ную спираль, а при взаимодействии с дихлоридом

лярного распознавания и транспорт, и катализ мо­

железа (двухзарядным катионом железа)- струк­

гут протекать селективно. И все это свойства и

туру, подобную пятиконечной звезде. При этом

функции супрамолекулярных систем как тако­

в

вых, вне какой-либо зависимости от биологиче­

содержащие

последнем

несколько

случае молекулы лиганда перепле­

таются. Все получается с количественным выхо­

ских объектов.
Нетрудно увидеть, к примеру, что архитектура

дом в колбе.
При самоорганизации соединений, называемых

«амфифилами», в зависимости от строения амфи­

и функции таких ключевых структур биологиче­

ских систем как, в частности, ДНК (рис.

3)

или

филов и условий проведения процесса образуется

мембраны клеток являются типично супрамолеку­

целый ряд различных архитектур. Вот некоторый

лярными. Связывание двух цепей ДНК посредст­

перечень архитектур,

вом

образуемых амфифилами:

водородного

связывания

пар

нуклеотидных

мицеллы прямые и обратные, мицеллы сфериче­

оснований аденин-тимин и гуанин-цитозин во­

ские, цилиндрические, жидкие кристаллы, везику­

просов не вызывает. Архитектура двойной спирали

лы, плоские бислои. Главной движущей силой при

ДНК тоже. Двойные и тройные спирали супрамо­

образовании рассмотренных архитектур в водных

лекулярно связанных между собой протяженных

растворах являются гидрофобные эффекты.

молекул

Можно подвести некоторый итог проведенному

-

это супрамолекулярный стандарт, двой­

ная спираль ДНК есть частный случай супрамоле­

рассмотрению. Органические молекулы синтетиче­

кулярных архитектур такого рода. Функция

ского,

нение и трансляция информации

т. е.

искусственного

происхождения

могут

-

хра­

-

осуществляет­

взаимодействовать друг с другом нековалентно за

ся по уже известному механизму. Информация хра­

счет межмолекулярных сил и образовывать супра­

нится на молекулярном уровне, считывается

молекулярные системы. Могут возникать пары, где

супрамолекулярном

одна из молекул будет по отношению к другой ре­
цептором, а вторая, соответственно,

-

субстратом.

(Lehn, 2002).
Плазматическая мембрана -

-

на

это амфифильный

бислой. Фосфолипиды, основа мембран,

-

типич-


А. И Коновалов, ЛЯ Захарова. Самоорганизация амфифШiьных соединений и эволюция биосистем

Элементарные частицы

n,e

р,

Атомы

а

Молекулы

А(а-а)

201

ь

с

В(а-Ь)

С(Ь-с)

связи ковалентные

Супрамолекулярные

А

..... А

А

А

...... В .....

......

В

Супермолекулы

системы

С

С

Супрамолекулярные
ансамбли

..... А

связи нековалентные

(межмолекулярные)

Биологические

Сообщество структурно и функционально

системы

дифференцированных супрамолекулярных систем

Рис.

4.

Схема иерархии базовых элементов структурной организации материи

ные амфифилы. Бислой образуется с включением

ходе эволюции соответствующие супрамолекуляр­

других структур. Но такие гетероструктуры суп­

ные системы появились сразу же вслед за появле­

рамолекулярной науке хорошо известны. К тому

нием молекул. И не биологические системы дали

же функции этих включений

рецепторы, кана­

начало супрамолекулярным системам, составляю­

тоже супрамолекулярны. Так что мембраны

щим биологические объекты. Наоборот, супрамо­

клеток и архитектурно, и функционально супра­

лекулярные системы дали начало биологическим

молекулярны.

системам. Это следует и из логики усложнения ма­

лы

-

-

Вслед за рассмотрением отдельных элементов

терии в ходе эволюции. Тогда из проведенного рас­

биологических систем целесообразно рассмотреть

смотрения вывод напрашивается сам собой: при­

структуру и функции элементарной единицы всех

рода использовш~а свойства супра.молекулярных

живых сушеств на Земле

систем при создании биологических систем. Од­

-

прокариотической

клетки. Согласно сушествующим воззрениям, в

нако такая формулировка антропоморфна. Она оду­

прокариотической клетке вьщеляют четыре основ­

шевляет природу и предполагает, что природа имеет

ные структурно-функциональные подсистемы, ка­

цель. Но природа цели не имеет. Правильнее будет

ждая из которых абсолютно необходима для суше­

сказать: супра.молекулярные системы са.мооргани­

ствования всей клетки в целом (Дерябин,

зовш~ись в биологические системы. Как бьшо пока­

•

•
•
•

дая

2005):

наружная цитоплазматическая мембрана (осно­

зано на примере прокариотической клетки, только

ву плоской двухслойной мембраны составляют

сообщество взаимосвязанных и взаимозависимых и

амфифильные молекулы липидов и белков), ко­

в то же время структурно и функционально диффе­

торая является полупроницаемым барьером во

ренцированных супрамолекулярных систем

взаимодействии

дит

внутренней

среды клетки с

к

жизнеспособной

биологической

приво­

системе

внешней средой;

(клетке). Следует сказать, что значение супрамоле­

генетический аппарат (ДНК);

кулярных систем на базе биомолекул как основы

биосинтетический аппарат (мРНК, рибосомы,

биологических систем сейчас высказывается и дру­

тРНК);

гими авторами, см., например,

(Cragg, 2010).

ферменты,

После проведенного рассмотрения особое зна­

селективность действия которых обусловлена

чение приобретает представление об иерархии ба­

молекулярным распознаванием).

зовых элементов структурной организации материи,

Каждая из подсистем супрамолекулярна, каж­

которая представлена на рис.

метаболический аппарат (белки

имеет

различную

структуру

-

и

различную

функцию. Но только их совокупность обеспечивает
жизнеспособность клетки. Совершенно ясно, что в

(Коновалов,

•

2008),

4.

Рассмотрим схему

начиная с элементарных частиц.

Первый уровень

-

элементарные частицы.

Их взаимодействие дает атомы.


Глава

202
•

111. Теоретические

Следующий уровень

-

и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

атомарный. Атомы

образуются из элементарных частиц.

частиц. Налицо глобальная последовательная самоорганизация от систем менее сложных к систе-

1 Затем следует молекулярный уровень. Моле-

мам все более и более сложным.

кулы образуются из атомов. Связи между атомами в молекулах

•

-

ковалентные.

2.

За молекулярным уровнем следует уровень

Рассмотрение принципов

супрамолекулярных систем. Молекулы связы-

усложнения материи

ваются нековалентными межмолекулярными

в процессе эволюции

связями в супрамолекулярные системы: супер­

Изучение процессов эволюции материи приве­

молекулы или супрамолекулярные ансамбли.

•

И, наконец, биологические системы, которые

ло исследователей (Крылов, Либенсон,

определены как «взаимозависимое сообщество

дующему выводу: Вселенная развивается в на­

функционально дифференцированных супра­

правлении все большего и большего усложнения.

Таким образом, супрамолекулярные системы
имеют свой уровень, свою нишу в иерархии базо­

установленные принципы, а именно:

•

Способность молекул образовывать супрамолеку­

•

сложным формам предшествуют менее слож­

•

происходит строго

это не рядовое свойство моле­

кул, это свойство, ведуmее к качественно новому

преобразование материи происходит по эста­
фетному принципу;

вых элементов структурной организации материи.

-

к сле­

При этом реализуются вполне определенные

молекулярных систем».

лярные системы

2009)

ные;

последовательное

услож­

нение материи.

уровню организации материи.

Другой важный вывод касается биологиче­

Следование этим принципам подтверждает

ских систем. И он состоит не только в том, что

представленную ранее схему иерархии базовых

основой биологических систем являются супра­

элементов структурной организации материи, где

молекулярные системы (естественно, при участии

супрамолекулярные системы имеют свою нишу.

биомолекул), а в том, что биологические системы
также являются базовым элементом структурной

3.

организации материи.

Особого рассмотрения требует явление само­
организации. Понятие «самоорганизация» появи­

Анализ энергетического
профиля иерархии структурной
организации материи

лось, когда наука столкнулась с процессами спон­

танного

упорядоченных

К интересным результатам приводит анализ

структур. Степень сложности, упорядоченности и

образования

сложных

относительных изменений энергий уровней струк­

образование конкретной формы зависят от уровня

турной организации материи

структурной организации образующейся частицы

профиль иерархии структурной организации ма­

-

энергетический

и баланса сил, определяющих ее образование. Рас­

терии (Коновалов, 2010в) (рис.

сматривая самоорганизацию как спонтанное

(!)

лать, рассматривая удельные энергии образования

образование систем более высокого уровня слож­

объектов материи данного уровня из объектов

5).

Это можно сде­

ности или/и порядка по сравнению с исходными

предыдушего, т. е. энергии образования атомов из

системами, мы приходим к выводу, что самоорга­

элементарных частиц в расчете на элементарную

низация

свойство

частицу, энергии образования молекул из атомов в

материи. Оно присуще всем уровням структур­

расчете на атом, энергий образования супрамоле­

ной организации материи.

кулярных систем из молекул в расчете на молекулу.

-

это

фундаментш~ьное

Согласно сделанному ранее выводу, биологи­
ческие системы

-

результат самоорганизации суп­

рамолекулярных систем. Супрамолекулярные сис­
темы

-

лекулы
мы

-

-

Естественно, точное рассмотрение здесь невоз­
можно в принципе, т. к. имеется большой разброс

значений. Но в этом и нет необходимости. Инте­

результат самоорганизации молекул. Мо­

рес представляет характер изменений, и можно

результат самоорганизации атомов. Ато­

оперировать просто порядками соответствующих

результат

самоорганизации

элементарных

величин. С учетом вышесказанного для атомов (а)


А. И Коновалов, Л. Я. Захарова. Самоорганизация амфифильных соединений и эволюция биосистем

+ДЕ

Предбиологическая эволюция

Биологическая

Социальная

эволюция

эволюция

203

1

1
1
1

,

1

1

/

ss

т

а

bs

......

реор/е

-----

;

~

-ДЕ
Рис.

5.

Энергетический профиль иерархии базовых элементов структурной организации материи

принята величина 106 е V. Она отвечает порядку

энергию из среды. Возникают биологические сис­

величин энергий связи нуклонов в ядрах атомов в

темы

расчете на нуклон (Ишханов, Капитонов, Юдин,

логический этап эволюции, который привел к по­

2007).

Энергиями связей электронов с ядрами ато­

мов (порядка

1О еV)

можно пренебречь. Для моле­

кул (т) принята величина

10 eV -

порядок вели­

(bs).

Начинается качественно новый

явлению мыслящих существ

-

людей

-

био­

(people),

а

затем и к человеческому обществу, к социальной

эволюции с неуклонным увеличением потребле­

чин энергий ковалентных связей (Кемпбел,

ния энергии. Тот факт, что биологические системы

Для супрамолекулярных систем

естественно продолжают зависимость, установлен­

1975).
(ss)- 1 eV - по­

рядок величин энергий межмолекулярных связей

ную для систем предбиологического этапа, свиде­

(Schneider, Yatsimirsky, 2000).

тельствует о том, что биологические системы яв­

Соответствующее сопоставление представлено
на рис.

5,

где абсциссу можно рассматривать как

стрелу времени (эволюции, усложнения материи) с

ляются базовым элементом структурной организа­

ции материи (о чем говорилось ранее).
Возникают два вопроса. Первый: какова при­

что

рода перехода от предбиологической эволюции к

образование атомов, молекул и супрамолекулярных

биологической, каковы причины такого перехода?

систем

Второй: каков характер энергетических измене­

однонаправленным развитием. Из рис.

происходит

с

вьщелением

5 видно,

энергии.

Эта

системы являются

ний в биологический и социальный периоды эво­

термодинамически открытыми. Атомы, молекулы и

люции материи, что об этом известно? Что случи­

энергия поглощается средой

-

супрамолекулярные системы являются стабильны­

лось

ми структурами и находятся в равновесном состоя­

они (конечно, системы на основе биомолекул) на­

нии. Они не требуют поступления энергии из среды

чали жить? Поскольку этот вопрос не является

для

предметом настоящей статьи и он дискуссионен

реализации

своего

существования.

В

цепи

трансформации материи от элементарных частиц к

с

супрамолекулярными

(Галимов,

2001;

системами,

отчего

Проблемы зарождения и эволю­

супрамолекулярным системам энергии образования

ции биосферы,

соответствующих структур снижаются от уровня к

оставим его в стороне, отметив только, что биоло­

уровню, приближаясь к нулю. Что это? Тупик? Ка­

гические системы рассматриваются как термоди­

залось бы, вот он

намически неравновесные нелинейные системы в

-

конец эволюции материи.

Но свершается чуцо. Возникают системы, ко­

2008;

Николис, Пригожин,

2008),

стационарном состоянии.

торые существуют и функционируют (а существу­

Что касается характера энергетических изме­

ют они, только пока функционируют), потребляя

нений в биологический и социальный периоды


204

Глава

111. Теоретические

и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

эволюции материи, то исследования, проведенные

гут. Какое бы восхищение они не вызывали, ни то

А. И. и А. А. Зотиными (Зотин, Зотин,

ни

1999),

по­

другое

не

является

движущими

силами

про­

к~ывают, что зависимость в эти периоды имеет

цессов трансформации материи. Самоорганизация

экспоненциальный вид (но здесь рассмотрение ве­

и усложнение в данном случае

дется из расчета энергии на грамм биологического

венно, форма и результат действия этих сил.

объекта). Особый интерес вызьmает то обстоя­

-

это, соответст­

Что является движущими силами процессов

при

трансформации материи? В целях обобщенного

переходе от животных к людям, а затем и к чело­

рассмотрения их можно определить как свойства,

тельство,

что

ход

зависимости

не

меняется

веческому обществу. Но ведь в эти периоды уже

способность объектов данного уровня структурной

происходит производство энергии за счет внешней

организации материи образовывать объекты сле­

среды. Чтобы потреблять, надо производить. Это

дующего уровня. По своему содержанию эти свой­

производство/потребление

экспо­

ства (силы) различны на разных уровнях структур­

согласно некоторым оценкам дос­

ной организации материи. Так, элементарные час­

ненциально, и

тигнет к

увеличивается

2130 году критического

значения. К этому

времени производство энергии достигнет

тицы обладают свойством образовьmать атомы как

от

результат образования ядер атомов (ядерные силы)

величины солнечной энергии, поступающей на

и последующего взаимодействия ядер с электро­

земную поверхность. Но следует отметить, что

нами. Атомы способны к ковалентному связыва­

при подтверждении экспоненциального характера

нию (механизм известен

производства энергии имеются другие оценки ко­

с антипараллельными спинами), а потому обладают

личества производимой энергии относительно ве­

свойством образовывать молекулы. Молекулы, об­

личины солнечной энергии, поступающей на зем­

ладая способностью к нековалентному межмолеку­

ную поверхность (Фортов, Попель,

лярному связыванию, проявляют свойство образо­

1%

2011).

спаривание электронов

-

В целом проведенное рассмотрение приводит

вьmать супрамолекулярные системы. И, как показа­

к выводу о действии некоторых принципов разви­

ло проведенное выше рассмотрение, супрамолеку­

тия материи.

лярные системы обладают свойством образовьmать
биологические системы. Следует отметить, что об­

ПРИНЦИПЫ РАЗВИТИЯ МАТЕРИИ

УСЛОЖНЕНИЕ

разование каждого нового уровня материи

-

это

образование нового уровня информации, который

(Куда, в каком наnравлении?)

определяет образование последующего уровня ма­

терии (и информации).

САМООРГАНИЗАЦИЯ (Как, каким образом?)

Налицо
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ УРОВНЕОБРАЗУЮЩИХ

СВОЙСТВ (Почему?)

следующая

каждого

уровня

обладают

сnособностью

структурной

(свойством)

к

организации

материи

образованию

объектов

При образовании каждого нового уровня структурной организации

возникает

-

это реализация свойств

элементарных частиц. Если образовались элемен­
тарные частицы, то образуются и атомы.

следующего уровня.

материи

последова­

тельность.

Образование атомов
Объекты

неумолимая

новый уровень

информации,

оnределяющий

образование следующего уровня.

Образование

молекул

-

это

реализация

свойств атомов. Если образовались атомы, то об­
разуются и молекулы.

Действие принципов усложнения и самоор­

Образование супрамолекулярных систем

-

ганизации уже обсуждалось. Принцип последова­

это реализация свойств молекул. Если образова­

тельности

лись молекулы, то образуются и супрамолекуляр­

уровнеобразующих

свойств

требует

пояснения, но из него следуют и важные выводы.

Если самоорганизация отвечает на вопрос: как,

ные системы.

Образование биологических систем

-

это

путем са­

реализация свойств супрамолекулярных систем.

моорганизации, спонтанно; а усложнение отвеча­

Если образовались супрамолекулярные системы,

ет на вопрос: куда?

то образуются и биологические системы, возник­

каким образом развивается материя?

-

-

в направлении все большей

и большей сложности; то существует еще третий

нет жизнь.

вопрос: почему? Ни самоорганизация, ни услож­

Таким образом, возникновение жизни пре­

нение ответа на этот вопрос не дают и дать не мо-

допределено! Естественно, при соответствующих


А. И Коновалов, Л. Я Захарова. Самоорганизация амфифильных соединений и эволюция биосистем

205

условиях. Требуются только время и условия.

вать целый ряд базовых факторов, контролирующих

А условия эти должны находиться в зависимости,

функционирование биологических систем

ционирования супрамолекулярных систем, их ста­

(Fendler,
1987; Коновалов, 2010а; Konovalov, Antipin, 2009;
Коновалов, 2009; Коновшюв, 20106). Именно суп­

бильности, их чувствительности к температурным

рамолекулярный уровень организации может объ­

и другим факторам. Супрамолекулярные системы

яснить уникальное биологическое явление, когда

определяют

визуально незначительные изменения химической

прежде всего, от условий существования и функ­

жизнеспособность

биологических

систем. Можно сказать, перефразируя Ф. Энгельса:

структуры

жизнь

кально изменяют биологический отклик. Действи­

это форма существования супрамоле­

-

молекул

ради­

рассмотрение

амфифильных молекул, из которых построены био­

системы явля­

мембраны, различающихся иногда лишь положе­

ются высшей точкой предбиологической эволю­

нием ненасыщенного фрагмента, функции биомем­

ции материи. Ничего не может быть выше. Ниче­

бран чрезвычайно разнообразны, а их биологиче­

го не может быть ближе к биологическим систе­

ская роль уникальна.

показало,

образом,

микроокружения

тельно, при сравнительно небольшом ассортименте

кулярных систе.м.

Таким

или

что

проведенное

супрамолекулярные

мам. И свойства супрамолекулярных систем абсо­
лютно необходимы для образования и существо­
вания биологических систем. Действительно, могут

ли быть биологические системы без молекулярного
распознавания? Нет, не могут. Но молекулярное
распознавание может быть реализовано только на
супрамолекулярной основе. Ведь надо распознать

молекулу и не разрушить ее. Это можно осущест­
вить

только супрамолекулярно с помощью неко­

валентного связывания. Молекулярный путь, ко­
валентный путь не подходит. В промышленности
существует

неразрушающий

контроль

материа­

лов. Молекулярное распознавание можно назвать
неразрушающим молекулярным контролем. Можно

ли представить биологические системы без ДНК,
без переноса генетической информации? Нет. Но
архитектура ДНК супрамолекулярна и считыва­
ние генетической информации супрамолекулярно.

А без мембран? Нет, нет и нет.
Действительно, супрамолекулярные систе­
мы

-

мост между неживой и живой материей.

И более того, супрамолекулярные системы

-

основа жизни.

5.

Закономерности
самоорганизации

катионных амфифильных
соединений
Широкие возможности для установления кор­
реляции между химической молекулярной струк­
турой и надмолекулярной архитектурой сущест­

вуют в ряду катионных амфифильных молекул

в условиях поэтапной модификации структуры
от классических катионных ПАВ с варьируемым
строением головной группы к димерным ПАВ ге­

минальной или болаформной природы и к более
сложным

молекулам,

содержащим

природные

фрагменты (Захарова, Коновалов,

2010; Zakharova,
2009а; Zakharova, 2009Ь; Zakharova, Mirgorodskaya, Zhiltsova et а!., 2010; Паширова и др., 2010;
Захарова и др., 2011; Zakharova, Semenov et al.,
2010; Zakharova, Syakaev et а!., 2010; Zakharova,
Mirgorodskaya, Yackevich et а!., 2010) (схема 1), иг­
рающие ключевую роль в биопроцессах, в том
числе связанных с передачей наследственной ин­

4.

От модельных синтетических
супрамолекулярных

формации.
На рис.

6

приведены результаты исследования

самоорганизации на примере

DABCO-R

и ТФФ-R

ансамблей к сложным

серий, которые позволяют оценить такие характе­

гибридным биоорганическим

ристики агрегатов, как критическая концентрация

и биологическим объектам

мицеллообразования (ККМ), средний диаметр, сте­
пень связывания противоионов. Анализ данных

Как было рассмотрено выше, ансамбли на ос­

по изменению свойств супрамолекулярных сис­

нове амфифильных соединений относятся к био­

тем в ряду, представленном на схеме

миметическим объектам, позволяющим моделиро-

установить ряд закономерностей.

1,

позволил


206

Глава

а)

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

б)

4.5

75
4.0

-..t.-C 12

70

-•-С

3.5

_._с

-•-С

65

~

' ()

14
16
18

3.0

N

::;,;:

--

о
~

';-

~

2.5

I

о

"'

о

2.0

:а:

60
55

?--

1.5

50

1.0

45

0.5

40
0.1

10·5

100

10
С/мМ

CDABCO /

м

1.0
в)

0.9

0.8

[J;

s

:i::

ro
<11

:а
м

[J;

0.7

<11

(.)

..а

:i::
ф

i

-•-С10
-•-С14

-..t.-C16
-о-С18

\

[:;
ф

1-

(.)

0.6

0.5

0.4

~

/

0.00

0.01

о.аз

0.02

0.04

0.05

С/М

Рис.

6

Зависимость поверхностного натяжения (а), коэффициента самодиффузии
(в) от концентрации ПАВ для

DABCO-R

Увеличение стерической загруженности во­
круг

головных

изменению

групп

приводит

к

(6),

степени связывания противоионов

(а, б) и ТФФ-R (в) серии

качественному

в соотношении различных вкладов

в

процесс самоорганизации. Введение объемных за­

ментов по сравнению с классическими ПАВ, для
которых определяющим фактором является гид­

рофобность молекулы.
На рис.

7

приведена корреляция между лога­

местителей или наличие жестких геометрических

рифмом ККМ и числом углеродных атомов для

фрагментов в составе головных групп приводит к

трех серий катионных ПАВ. В случае DAВCO-R се­

значительному повышению роли полярных фраг-

рии отклонение от типичных ПАВ с ТМА-группой


А. И. Коновалов, Л. Я. Захарова. Самоорганизация амфифильных соединений и эволюция биосистем

207

X=Br (АПБ); Tos (АПТ)
Схема

1.

Структурные формулы катионных амфифильных соединений с различным строением головной группы: триме­
тиламмоний (ТМА), трибутилфосфоний (ТБФ), трифенилфосфоний (ТФФ), пиридиний (Ру), диазобициклооктан

(DABCO);

АПБ и АПТ

-

ациклические пиримидинсодержащие ПАВ с бромид

кильный радикал с числом углеродных атомов

-

и тозилат анионами;

R-

ал­

10-18

невелико как по абсолютной величине ККМ, так
и по наклону зависимости, которая может быть

описана одной прямой линией с коэффициентом
корреляции не менее

0,9.

Переход к ТФФ серии

приводит к значительному снижению абсолютных

значений ККМ. Еще более драматическое влияние
на ККМ тонкой структуры ПАВ при сохранении
длины алкильного радикала установлено для ура­

цилсодержащих димерных ПАВ. Переход от обыч­
ных катионных ПАВ к геминальным амфифилам,

в том числе циклофановой природы, позволяет
широко

варьировать

мицеллообразующую

собность и морфологию агрегатов (рис.

8).

спо­
ККМ

урацилсодержащих амфифилов может различать­
ся до трех порядков при переходе к макроцикли­

ческим ПАВ, при варьировании размера цикла и

9

положения гидрофобного радикала. Важной осо­

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
пс

бенностью поведения систем на основе димерных

урацилофанов и их ациклических аналогов явля­
ется изменение способа упаковки. На рис.

9

Рис.

7.

Количественная корреляция между мицеллообра­
зующей способностью катионных ПАВ и длиной

пока­

углеводородного радикала молекулы

зано, что для урацилофанов наблюдается переход
от закрытой модели самоорганизации, сопровож­

оказьmать значительные эффекты на функциональ­

дающейся формированием мицеллоподобных аг­

ную активность наноагрегатов. Снижение рН рас­

регатов, к открытой модели, приводящей к форми­

твора подтверждается данными потенциометриче­

рованию «бесконечных» слоистых или стопочных

ского титрования и использованием индикаторов.

структур с участием молекул в вытянутой (а) или

согнутой

При определенной степени стерической за­
груженности

вокруг головных групп в

Из репрезентативного примера на рис.

раствора АПТ (см. структуру на схеме

(6) конформации.
агрегаци­

онном поведении систем достигается критический

1)

1Оа для
видно,

что подкисление раствора происходит при дости­

жении

определенной

критической

концентрации

выше области ККМ, т. е. является следствием изме­

Отмеченные количественные изменения

нений характеристик агрегатов. Вместе с тем пря­

агрегационной способности приводят к качествен­

мая корреляция критических концентраций и зна­

ным сдвигам: наблюдается аномальное снижение

чений ККМ отсутствует. Обнаруженный эффект

рН раствора выше значений ККМ, которое может

локального сдвига рН может приводить к измене-

момент.


208

Глава

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

Мицеллообразующая способность

1/
Рис.

ккм

8. Мицеллообразующая способность димерных амфифилов, содержащих урациловый фрагмент в спейсере

а)

6)
Рис.

9.

Схематическое изображение упаковки димерных урацилофанов

нию наблюдаемой скорости реакций и дифферен­

п-нитрофениловых эфиров 0-алкилхлорметилфос­

цированию реакционной способности субстратов.

фоновой кислоты

Моделирование явления субстратной специфично­

На рис.

сти в организованных средах проведено на приме­

каталитического эффекта при переходе от катион­

ре реакции переноса фосфорильной группы с уча­

ного ПАВ цетилтриметиламмоний тозилата (ЦТАТ)

стием двух субстратов различной гидрофобности:

к пиримидинсодержащему ПАВ АПТ. В отличие

1Об в

1 (alkyl = Ethyl) и 2 (alkyl = Hexyl).

качестве примера показано изменение


А. И. Коновалов, Л. Я Захарова. Самоорганизация амфифильных соединений и эволюция биосистем

а)

209

б)

6,0

9

'

(.)

=а. 4,0

1

40------_..L-1

(.)

2,0

3

0,002 0,003

Сцтдт

0,0

....,.,.,~~~rпг~~~~~~.,,--~....,.,j

1х1О-"'

1x10-s

1х10-з

/М

О+---~--~-~--~--.-'

0,0000

0,0002

0,0004

0,0006

0,0008

САРТ / м

Рис.

10.

а) Зависимость рН раствора АПТ от концентрации ПАВ. б) Зависимость наблюдаемой константы скорости гидро­
лиза фосфонатов

1 (1)

и

2 (2)

в мицеллярном растворе АПТ от концентрации ПАВ при

1

мМ

NaOH.

На вставке

-

то же для ЦТАТ

от ЦТАТ в растворах АПТ наблюдается резкое воз­

данного явления может быть связан с экранирова­

растание субстратной специфичности, причем про­

нием доступа противоионов к заряженным атомам

исходит качественный скачок

-

переход от катали­

вследствие пространственного затруднения вокруг

тической к ингибирующей активности в случае ме­

головных групп,

нее гидрофобного субстрата, связанный с падением

верхностного заряда агрегатов. Как следствие, на­

рН системы. Таким образом, может быть сформу­

блюдается поляризация молекул воды в сольватных

лирован один из вероятных механизмов изменения

оболочках головных групп и генерирование гидро­

скорости переноса фосфорильной группы (важней­

ксид-ионов,

шей биохимической реакции) и дифференциации

ксоний катионов, вызывающих подкисление рас­

реакпионной способности фосфоэфиров различной

твора (рис.

гидрофобности

-

как следствие самопроизвольно­

го подкисления организованных растворов.

К настоящему времени накоплен обширный

приводящего

а также

к возрастанию

сопряженных с

по­

ними гидро­

116).

Полученная информация может оказаться важ­
ной для понимания элементарных актов и тонкого
механизма достижения высокой степени согласо­

подтверждающий

ванности и селективности биологических процес­

аномальное подкисление растворов для достаточно

сов, в которых ключевую роль могут играть меха­

широкого круга катионных амфифилов. В несколь­

низмы смещения кислотно-основных равновесий.

ких случаях бьm зафиксирован структурный порог

Катион ТФФ+ широко применяется в исследова­

возникновения данного феномена, что позволило

ниях биоэнергетики митохондрий, в частности, для

вычленить в качестве ключевого фактора стериче­

дизайна амфифильных соединений, осуществляю­

скую загруженность вблизи головных групп. В ча­

щих транспорт биорегуляторов через двойную

экспериментальный

материал,

стности, подкисление наблюдается при переходе от

мембрану митохондрий, в том числе убихинона,
+

ТМА к ТБФ и ТФФ сериям, при появлении в моле­

пластохинона и пр. Использование катиона ТФФ

кулах DAВCO-R второго положительно заряжен­

связано с тем, что при наличии положительно­

ного атома азота, при замене неорганических бро­

го заряда, необходимого для электростатического

·

мид-ионов на объемные гидрофобные тозилат-ионы

взаимодействия с отрицательно заряженным мат­

в качестве противоионов урацилсодержащих геми­

риксом, присутствие трех фенильных фрагментов

нальных ПАВ

придает катиону гидрофобность и способствует

(рис.

lla).

Возможный механизм


21 О

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

е

lвэвг

-~R

1
TMA-R

уменьшение рН

AfJ
~J_
~·

вfЭ

+

1 уменьшение pHf;f

1

R

N

N

"Т

Рис. 11.

-

+

~so~

:~~~~К"
о ~

SO

!

'rr'.

R

R

-

уменьwение рН т

1

"

Схематическое изображение структурных изменений в молекулах катионных амфифилов (а) и в поверхностном
слое агрегатов

(6),

приводящих к подкислению раствора выше ККМ


А. И Коновшюв, Л. Я. Захарова. Самоорганизация амфифильных соединений и эволюция биосистем

211

10,0
- • - Phe, ЦГАБ
- • - Leu, ЦГАБ
-у- Phe. гем 16-4-16

-·---------.
9,5

_"_Туг. вода

~.

---.

"' Туг, ТФФБ-14

0,4

*

~

0,2

'

~~

0,0

i:i
:::i

9,0

"°
<]

•
0,000

о

4

6

8

10

12
рН

-0,2

-0,4

-0,6

0,010

0,005

2

С/М
Рис. 12а. рК. аминогрупп лейцина

(Leu) и фенилаланина
(Phe) в растворах катионных ПАВ ЦГАБ и гем
16-4-16

делокализации заряда. Вероятно, катион ТФФ

+

в

Рис.

126.

Изменение химсдвигов СН-протонов тирозина (Туг)
в воде при варьировании рН раствора и в водном

растворе ТФФ-14

рые играют важнейшую роль в регуляции биоло­

значительной степени десольватирован, что явля­

гических процессов. Однако, как видно из рис.

ется одной из причин его легкого проникновения

такой же эффект может быть достигнут в растворе

через липидные мембраны.

ТФФ-14 при концентрациях выше ККМ. L-тиро­

На основе полученной информации исследо­

126,

зин входит в состав множества природных белков,

вано влияние организованных растворов на основе

в том числе ферментов. Известно, что представите­

синтетических амфифилов на свойства некоторых

ли фосфотрансфераз

жизненно важных аминокислот. Согласно получен­

руют другие белки путем фосфорилирования остат­

ным данным, можно вьщелить два ключевых фак­

ков аминокислот, имеющих гидроксильные группы,

протеинкиназы, модифици­

-

тора воздействия синтетических систем на свойства

в частности, тирозина. Один из тонких механизмов

аминокислот. Первый из них можно было прогно­

регулирования скорости фосфорилирования может

зировать на основании имеющихся собственных и

быть связан с изменением рК ионогенных групп.

литературных данных. Как видно на рис. 12а, в
присутствии катионных ПАВ цетилгидроксиэтил­

6.

диметиламмоний бромида (ЦГАБ) и его геминаль­

Структурная эволюция

неионных амфифилов

ного аналога с четырьмя метиленовыми звеньями

в спейсере и гексадецильными радикалами у го­
ловных групп (гем

16-4-16)

В серии неионных амфифильных соединений:

происходит снижение

рКа аминогрупп более, чем на пол-единицы.
Другой фактор впервые обнаружен в наших

от классических неионных ПАВ

(оксиэтилиро­

ванных высших спиртов) к амфифильным фено­

работах и связан с аномальным снижением рН рас­

лам и полифенолам и далее

твора вьШiе ККМ. На рис.

126 показано, что в спек­
трах ЯМР Н наблюдается значительное смещение

ным амфифильным каликсаренам общей форму­

химсдвига протонов СИ-группы тирозина при из­

кильном радикале

менении рН раствора путем добавления кислоты

звеньев (схема2) проведено исследование самоор­

или щелочи. Смещение сигнала протонов отражает

ганизации,

изменение кислотно-основных равновесий, кото-

лярной платформы

1

лы

nKOm,

где

n-

-

к оксиэтилирован­

число углеродных атомов в ал­

R,

а

m-

направленное

на

число оксиэтильных

оценку

роли

молеку­

(Melnikova, Kazakova et а!" 2009;


Глава

212

111. Теоретические и экспериментальные

исследования предбиологических химических систем

Тритон-Х-100

Схема

2.

Структурные формулы неионных амфифильных соединений: эволюция молекулярной платформы от типичных
ПАВ к линейным и макроциклическим олигофенолам

формированию небольших мицеллоподобных струк­

--А-9КО8

тур. Такое поведение, в частности, характерно для

-О--9КО16

70

--?1Е- 9КО20

исследованных

-Ь-9КО12

Бридж и Тритон. Вероятно, аналогичный механизм

неионных

ПАВ

торговой

марки

сохраняется и при переходе к олигомерным амфи­
фильным фенолам, например, к тилоксаполу. Раз­

60

мер их агрегатов (гидродинамический диаметр Dh),

1
::!:

определенный методом динамического рассеяния

70

I

света, не превышает

~
?-

1

50

8 нм.

Переход к циклофановой платформе оказыва­

60
Е

ет значительное влияние на процесс самооргани­

z

Е

зации (Melnikova, Kazakova et al., 2009; Zakharova,
Syakaev et а/., 2009; Zakharova, Kudryashova et al.,
2010; Аблакова, 2011; Захарова, Коновалов, 2011).

,_.

~so

40

40

Для серии оксиэтилированных каликсаренов (число

10-0 10-4 10-' 10-2 10-1

оксиэтильных фрагментов m =

С4КО16 (М)
10-5

10-З

10-4

CnKOm

10-2

4-20),

гидрофоби­

зированных по верхнему ободу трет-бутильными

10-1

или изо-нонильными радикалами (схема

(М)

2),

уста­

новлен ряд закономерностей.
Рис.

13.

Изотермы поверхностного натяжения водных рас­
творов каликсаренов 9КО8, 9КО12, 9КО16, 9КО20
и 4КО16 (вставка); 25°С

Во-первых, растворимость и агрегационное по­
ведение каликсаренов в значительной степени кон­

тролируются гидрофильно-липофильным балансом

Zakharova, Syakaev et al., 2009; Zakharova, Kudryashova et al" 2010; Аблакова и др., 2011; Захарова,
Коновшюв, 2011). Комплексом методов (тензиомет­
рия,

кондуктометрия,

потенциометрия,

динамиче­

ское светорассеяние, вискозиметрия, ЭПР-спектро­

(ГЛБ) молекул и природой растворителя. Наблюда­
ется необычный ступенчатый механизм агрегации,
описьmающийся тремя критическими

циями агрегации (ККА):
(рис.

13-15).

::0::0,1

мМ,

::O::l

концентра­

мМ и

::0::10 мМ

Три группы критических концентраций

скопия, атомно-силовая микроскопия, поляризаци­

хорошо

онная микроскопия) в водных и водно-органических

рассеяния света (рис.

растворителях

дисперсность систем и наличие двух типов агрега­

определены

концентрационные

и

согласуются

температурные границы и морфология агрегатов,

тов: крупных

соотношение

Dh 10-20 нм.

геометрических

и

энергетических

вкладов в ассоциативный механизм.

закрытая

модель

ассоциации,

данными

динамического

констатирующими поли­

Dh 100-200 нм,

и небольших

-

Анализ полученных результатов по­

зволяет сделать вывод о реализации в растворах

Как известно, для классических ПАВ реализу­
ется

-

с

16),

приводящая

к

амфифильных оксиэтилированных каликсаренов
двух моделей самоорганизации. В случае закрытой


213

А. И Коновшюв, Л. Я. Захарова. Самоорганизация амфифильных соединений и эволюция биосистем

200

80

1,6

-9КО16

2

....Ь-9КО8

01,4
<(

60

r::(.)

-;1.2

150

u

1,

..s
:s:
:s:

0,000 0,005 0,010 0,015

u

::r

ro

!!;

с
.о,

с:;
О)

100

а.
а.

С9КО8 (М)

40

i=-

о

"'::;:

!!;
О)

а.

20

т

50

10-5

10-5

10-4
CnKOm

10-2

10-3
(М)

Рис.
Рис.

14.

Время

корреляции

спинового

зонда

(ТЕМПО)

в

15.

Зависимость вязкости водного раствора 9КО8
9КО12

(2) от концентрации

зависимость для 9КО8 при низких концентрациях

водных растворах каликсаренов 9КО8 и 9КО16

модели, типичной для классических ПАВ, образу­

ются небольшие мицеллоподобные агрегаты. По

Таблица

стопочной

общей формулы

образуются

nKOm

а (нм )

р*

4КО6

0,37

0,48

четом параметра упаковки, учитывающим геомет­

4К010

0,50

0,37

рию молекул (табл.

4К016

0,67

0,27

каликсарены с низкой степенью оксиэтилирова­

9КО4
9КО8

0,30
0,48

0,54

ния характеризуются параметром упаковки близ­
что предопределяет их склонность к

9К012

0,56

0,30
0,27

формированию структур с низкой кривизной по­

9КО16

0,67

0,23

верхности (моно- и полислои) в водно-органиче­

9КО20

0,75

0,20

0,5,

1).

молекул,

nKOm

крупные частицы. Этот вывод подтверждается рас­

ким к

упаковкой

Малорастворимые в воде

ских растворителях.

Во-вторых, супрамолекулярные системы на ос­
нове оксиэтилированных каликсаренов демонстри­
руют

концентрационно

зависимое

1

Параметр упаковки Р для молекул каликсарена

открытой модели, характеризующейся ламелярной
или

(1) и
-

каликсарена. На вставке

2

*Рассчитано по формуле Р = v0/(l х а), где v0
гидрофобного фрагмента,

l-

его длина, а

-

-

объем

поверхность,

занимаемая головной группой на границе раздела фаз.

агрегационное

поведение. В интервале концентраций между ККА-1

дается тенденция к формированию только круп­

и ККА-2 сосуществуют оба типа агрегатов, а выше

ных агрегатов (рис.

18).

ККА-3 имеет место мономодальное распределе­

В-третьих, можно констатировать, что введе­

ние, и регистрируются только небольшие частицы.

ние каликсареновой платформы инициировало в

На основе вискозиметрических данных выполне­

ряду неионных амфифилов переход от чистой за­

на оценка формы агрегатов (рис.

свидетельст­

крытой модели ассоциации к гибридному типу

вующая о значительной степени их асимметрии:

самоорганизации с участием закрытой и открытой

при аппроксимации формы агрегатов вытянутым

моделей. Супрамолекулярные системы на основе

эллипсоидом

50.

оксиэтилированных амфифильных каликсаренов

Для малорастворимых в воде каликсаренов наблю-

представляют типичный случай лабильной (мягкой)

17),

соотношение осей превышает


214

Глава

111. Теоретические

30

и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

--"t"-0,00025

м

"""'*'""" 0,0004 м

--0.001 м
-0-0,0025 м
-+--0,004 м

60

--е-О,006ЗМ

-+-О,01 М

20

~
t;

'"~

"'

~ 40

о

"

:i:
111

:i:
ф

s

3

u

о

:i:

ф

....

:i:

s

:i:

8

10

(.)

20

о

1 - 0,078
2 -0,062

о

10

0,000

100

0,025

D,(нм)

Рис.

16.

0,050

0,075

0,100

С9ко12 (М)

Распределение агрегатов по размерам (параметр

Рис.17.

интенсивности) в растворе 9КО8 при различных

Соотношение осей агрегатов 9КО12 в воде
и в системе вода-ДМФА

(1)

(10 % об.) (2)

концентрациях

__..,_ 0,0021

м

-+-О,0035М

-<>-- 0,007 м

40

Таким

образом,

на примере

амфифильных соединений

-

синтетических

структурных анало­

гов липидов, составляющих основу биомембран,
показано, что постепенные (эволюционные) изме­
нения молекулярного строения амфифилов могут

~

о

приводить

30

к радикальным

изменениям

надмоле­

:::r

кулярной структуры, свойств локального микро­

t;

окружения и объемной фазы (микро- и макро­

s

"'

:т

о

5s

характеристик среды).

20

Проведено исследование

самоорганизации в системах на основе двух серий

:т

амфифильных соединений, имеющих близкое хи­
10

мическое строение, но предрасположенных к раз­

личным механизмам нековалентной самосборки:

катионных амфифилов при широком варьировании
о

строения полярного фрагмента и неионных амфи­
100

1000
о, (нм)

Рис.

18.

филов: от классических неионных ПАВ

-

окси­

этилированных высших спиртов, к амфифильным

Распределение агрегатов по размерам (по числу

фенолам и полифенолам и далее оксиэтилиро­

частиц) в водно-ДМФА

ванным амфифильным каликсаренам. Установлен

(10 %

об.) растворе 4КО10

при различных концентрациях

переход

наносистемы, чувствительной к тонким эффектам

«количество--качество»

степенной

модификации

в

структуры

процессе

по­

амфифилов,

изменения ГЛБ, концентрационного и температур­

обусловливающий возникновение откликов, кри­

ного режимов, природы растворителя. Подобный

тических с точки зрения биологических проявле­

механизм контроля, вероятно, может реализоваться

ний: самопроизвольного снижения рН раствора до

и в биологических системах, характеризующихся

трех единиц и изменения размера (на порядки)

сравнительно небольшим набором строительных

и морфологии агрегатов, в том числе перехода

блоков и колоссальным спектром функциональ­

к жидкокристаллическим лиомезофазам. Установ­

ных откликов.

лено, что это приводит к изменению рК аминокис-


А. И Коновалов, Л. Я. Захарова. Самоорганизация амфифильных соединений и эволюция биосистем

лот, обращению (катализ/ингибирование) влияния
амфифилов на скорость реакции переноса фосфо­
рильной группы, важнейшей биохимической реак­
ции, сыгравшей ключевую роль в эволюции биосис­

тем, и обусловливает явление субстратной специ­
фичности в отношении модельных субстратов.

Дерябин Д Г

215

Функциональная морфология клет­

(2005)

ки. М.: КДУ.

ЗахароваЛ. Я, Коновалов А. И
изменения

(2010)

каталитического

Закономерности

эффекта

катионных

ПАВ при варьировании природы головной группы.
Научная сессия «ПАВ в технологических процес­
сах», Москва, Тезисы докладов. С.

Захарова Л. Я, Коновалов А. И

(2011)

16-18.

Полифункциональ­

ные наносистемы на основе поверхностно-активных

Заключение

веществ и амфифильных макроциклов.

1 Всероссий­

ский симпозиум по поверхностно-активным веще­

На примере синтетических амфифильных со­
единений

структурных аналогов липидов, со­

-

ствам, Казань, Тезисы докладов. С.

8.

Захарова Л. Я, Паширова Т Н., Кашапов Р Р, Жиль­

ставляющих основу биомембран, показано, что

цова Е. П., Гайсин Н. К., Гнездилов О. И, Кпнов А. Б.,

постепенные (эволюционные) изменения молеку­

Лукашенко С С, Магдеев ИМ.

лярного строения амфифилов могут приводить к

катализ,

радикальным изменениям надмолекулярной струк­

туры, свойств локального микроокружения и объ­
емной фазы (микро- и макро-характеристик сре­
ды). Установлен переход «количество

-

качество»

в процессе постепенной модификации структуры

амфифилов, обусловливающий возникновение от­

Зотин А. И, Зотин А. А.

Кинетика и

(1999)

Направление, скорость

и механизмы прогрессивной эволюции: термодина­

мические и экспериментальные основы. М.: Наука.
Ишханов Б. С,

Капитонов И М,

Юдин Н. П.

(2007)

Частицы и атомные ядра. М.: Изд. ЛКИ.

КемпбелДж.

Современная общая химия. М.: Из­

(1975)

дательство «Мир».

кликов, критических с точки зрения биологических

Коновалов А. И

проявлений:

Коновалов А. И

самопроизвольного снижения рН

(2011)

52, 186.

(2008) Вестник РАН, 78, 991.
(2009) Супрамолекулярные системы -

раствора до трех единиц и изменения размера (на

мост между неживой и живой материе. Всероссий­

порядки) и морфологии агрегатов, в том числе пе­

ская конференция по органической химии, Москва,

рехода

к

жидкокристаллическим

лиомезофазам.

Установлено, что это приводит к изменению рК

аминокислот, обращению (катализ/ингибирование)

влияния амфифилов на скорость реакции переноса
фосфорильной

группы,

важнейшей

биохимиче­

Тезисы докладов. С.

26.

Коновалов А. И (2010а) Супрамолекулярные системы

-

мост между неживой и живой материей. М.: Научно­

просветительская серия «Трибуна Академии наук».
Вып.

26.

Коновалов А. И (2010б) Супрамолекулярные системы

-

ской реакции, сыгравшей ключевую роль в эво­

мост между неживой и живой материей. Семинар

люции биосистем, и обусловливает явление суб­

«Биомолекулы

стратной специфичности в отношении модельных
субстратов. Закономерности, характерные для эво­
люционного изменения функциональных свойств
самоорганизующихся синтетических систем, под­

тверждают

темы

-

тезис,

что

супрамолекулярные

сис­

мост между неживой и живой материей.

И более того, супрамолекулярные системы

-

основа жизни.

и

супрамолекулярные

системы

в

предбиологической эволюцию>, Казань.
Коновалов А. И

(201 Ов)

Супрамолекулярные системы

-

мост между неживой и живой материей. М.: Фонд
«Знание» им. С. И. Вавилова.
Крылов М В., Либенсон М Н.

78 (2), 132.
Лен Ж.-М (1998)

(2009)

Вестник РАН,

Супрамолекулярная химия: концеп­

ции и перспективы. Новосибирск: Сиб. Предпри­
ятие РАН.
Николис Г, Пригожин И

(2008)

Познание сложного.

Введение. М.: ЛКИ.

Литература

Опарин А. И

(1957)

Происхождение жизни. М.: Мос­

ковский рабочий.

Аблакова Ю. Р, Валеева Ф. Г, Ибрагимова А. Р, Заха­
рова Л. Я, Коновалов А. И
лиз,

(2011)

Кинетика и ката­

шенко С С, Захарова Л. Я, Коновалов А. И
Изв. АН. Сер. хим.,

52, 56.

Галимов Э. М

Паширова Т Н., Жильцова Е. П., Кашапов Р Р, Лука­

(2001)

Феномен жизни. Между равнове­

сием и нелинейностью. Происхождение и принци­
пы эволюции. М.:

URSS.

(2010)

9, 1699.

Проблемы зарождения и эволюции биосферы.

(2008)

Ред. Э. М. Галимов. М.: Книжный дом «Либроком»/

URSS.


216

Глава

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

Стид Д:ж. В., Этвуд Дж. Л.
химия. В

2 т.

Стой!jов И. И.,

Гафиуллина Л. И.,

Антипин И. С.,

Сер. хим.,

Супрамолекулярная

(2007)

М.: ИКЦ «Академкнигю>.
Ибрагимова Д. Ш.,

Коновалов А. И.

(2004)

Изв.

АН.

6, 1125.

Фортов В. Е., Попель О. С.
менном мире.

-

(2011)

Энергетика в совре­

Долгопрудный: Издательский дом

«Интеллект».

Эволюция:

(2009)

космическая,

биологическая,

социальная.

Ред. Л. Е. Гринин, А. В. Марков, А. В. Коро­

таев. М.: Книжный дом «Либроком»!URSS.

Эволюция: проблемы и дискуссии.

(2010)

Ред. Л. Е. Гри­

нин, А. В. Марков, А. В. Коротаев. М.: Издательст­
во ЛКИ.

Cragg Р J. (2010) Supramolecular Chemistry. From Biological Inspiration to Biomedical Applications. Dortrecht, Heidelberg, London, New York: Springer.
FendlerJ. Н. (1987) Chem. Rev., 87, 877.
Hasenknopf В., Lehn J.-M, Kneisel В. О., Ваит G., Fenske D. (1996) Angew. Chem., 35, 1838.
Gafiиllina L. !., Vershinina !. S., Stoikov !. !., Antipin !. S.,
Konovalov А. !. (2006) Joumal of Structural Chemistry,
46. S. 22-27.
Konovalov А. !., Antipin !. S. (2008) Mendeleev Commun.,
18, 229-237.
Konovalov А. !., Antipin !. S. (2009) Supramolecular systems - the bridge between nonliving and living matter,
in XVII Intemational Conference on Chemical Thermodynamics, Kazan, Тезисы докладов, 1, Р. 13.
Lehn J.-M. (2002) Science, 295, 2400.
Melnikova N. В., Kazakova Е. Kh., Gulyaev I V., Volkov А. А.,
Gиsichina М S., Zakharova L. Уа., Voronin МА., Makarova N. А., Konovalov А. !. (2009) Supramolecular Chem.,
21, 532.
Ryzhkina !. S., Pashirova Т. N., HaЬicher W. D., Kиdryav­
tseva L. А., Konovalov А.!. (2003) Macromolecular
Symposia: Reactive Polymers, Dresden, Germany.
Schneider Н.-J., Yatsiтirsky А. (2000) Principles and
Method in Supramolecular Chemistry. Chichester, New
York, Weinheim, Bisbrane, Singapore, Toronto: John
Wiley & Sons, Ltd.
Steed J. W., Atwood J. L. (2009) Supramolecular Chemistry.
Second Edition. Chichester, West Susses, Chippenham
Wiltshire: John Wiley & Sons, Ltd.

Stoikov I !., Agafonova М N., Padnya Р L., Zaikov Е. N,
Antipin !. S. (2009) Mendeleev Commun., 19, 163.
Stoikov !. !., Отrап О. А., Solovieva S. Е., Latypov S. К.,
Enikeev К. М, Gubaidиllin А. Т., Antipin !. S., Konovalov A. !. (2003) Tetrahedron, 59, 1469.
Stoikov !. !., Yиshkova Е. А., Zharov !., Antipin !. S., Konovalov А.!. (2009) Tetrahedron, 65, 7109.
Whitesides G. М. Siтarek Е. Е, Mthias J. Р (1999) Асс.
Chem. Res., 99, 37.
Zakharova L. Уа. (2009Ь) Self-organization of amphiphilic
compounds as а basis of the evolution of supramolecular systems. V-th Intemational Symposium "Design
and Synthesis of Supramolecular Architectures'', Kazan,
Тезисы докладов. Р. 43.
Zakharova L. Уа. (2009а) Тhе regularities of the self-organization in aqueous systems based on surfactants,
amphiphylic cyclophanes and polymers. XVII Intemational Conference on Chemical Тhermodynamics, Kazan,
Тезисы докладов. V. I. Р. 130.
Zakharova L. Уа., Kиdryashova Уи. R., Selivanova N. М,
Voronin М А., Ibragiтova А. !., Solovieva S. Е., Gиbai­
dиllin А. Т., Litvinov А.!., Nizaтeev !. R., Kadirov М К.,
Galyaтetdinov Уи. G., Antipin !. S., Konovalov А.!. (2010)
J. Membrane Sci., 364, 90.
Zakharova L. Уа., Mirgorodskoya А. В., Yackevich Е. !.,
Yиrina А. V., Syakaev V. V., Latypov Sh. К., Konovalov А.!. (2010) J. Chem. Eng. Data, 55, 5848.
Zakharova L. Уа., Mirgorodskaya А. В., Zhiltsova Е. Р,
Kиdryavtseva L. А., Konovalov А.!. (2010) Reactions
in Supramolecular Systems, in Molecular Encapsulation: Organic Reactions in Constrained Systems, Wiley,
397-420.
Zakharova L. Уа., Seтenov V. Е., Voronin МА., Valeeva F G.,
Giniatиllin R. Kh., Syakaev V. V., Latypov Sh. К., Reznik V. S., KonovalovA. !. (2010) Mendeleev Commun.,
20, 116.
Zakharova L. Уа., Syakaev V. V., Voronin МА., Seтenov V. Е.,
Valeeva F G., Ibragiтova А. R., Bilalov А. V., Giniyatиllin R. Kh., Latypov Sh. К., Reznik V. S., Konovalov А.!. (2010) J. Colloid Interface Sci., 342, 119.
Zakharova L. Уа., Syakaev V. V., Voronin МА., Valeeva F G.,
Ibragiтova А. R., AЬlakova Уи. R., Kazakova Е. Kh.,
Latypov Sh. К., Konovalov А.!. (2009) J. Phys. Chem.
С., 113, 6182.


КАТИОНЫ ОКОЛОКЛЕТОЧНОЙ СРЕДЫ -

ОТ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ

К ПОЯВЛЕНИЮ ВНУТРЕННЕЙ СРЕДЫ ЖИВОТНЫХ

Ю. В. Наточин
Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И М Сеченова РАН.

Исследование концентрации катионов

(Na,

К, Са,

Mg)

в сыворотке крови и тканях у широкого крута бес­

позвоночных и позвоночных животных позволяет придти к заключению, что у всех изуЧенных живых существ

при исключительно больших отличиях концентрации катионов в околоклеточной жидкости удерживается по­

стоянным К/Nа отношение(~

0,03).

В клетках и тканях это отношение более чем на

1,5-2

порядка превышает

это значение. После возникновения протоклеток формируются многоклеточные организмы, у них появляется

система

внеклеточных

жидкостей

и

факторы

ее

регуляции

для

поддержания

стабильными

физико­

химическими параметрами, в том числе К/Nа отношение. Высказано предположение о возможном пути фор­
мирования в процессе эволюции системы регуляторных молекул.

Введение

чение этих вопросов сушественно для выяснения
характеристик

Применение методов молекулярной биологии

среды

развития

живого,

природы

становления физиологических функций.

позволило решить многие проблемы механизмов

Состав первичной среды возникновения жизни

формирования органических компонентов живых

имеет ключевое значение для проблемы происхо­

сушеств, но в тени осталась минеральная основа

ждения жизни,

среды возникновения первых форм жизни. Хоро­

это была одновременно и внутриклеточная среда

шо известно, что в клетках доминируют ионы К, в

(Наточин,

окружающей их внеклеточной жидкости

Наточин и др.,

Na;

-

ионы

огромную роль играют в химии живого ионы

Са и

потому что,

по нашему мнению,

2006, 2009; Гшtимов, Рыженко, 2008;
2008). Все последующие события в

развитии протоклеток бьmи связаны с их адаптаци­

Остался вне рассмотрения ряд вопросов,

ей к внешней среде в отличие от начального этапа,

в том числе: почему природа выбрала в качестве

момента формирования первой клетки, когда у нее

внутриклеточного иона К, чем он предпочтитель­

не бьmо плазматической мембраны, ее надо бьшо

Mg.

для живой клетки. Важно оценить, какую

создать, нужна бьmа система синтеза белков, их

роль играет для живых систем концентрация ка­

встраивания в липидный бислой. Лишь после воз­

тионов в сыворотке крови, гемолимфе и соотно­

никновения

шение между ними, аналогичный вопрос касается

появилась

двухвалентных катионов Са и

живое от внешней среды, использовать возможно­

нее

Na

Mg.

Особое внима­

полупроницаемой

возможность

с

ее

мембраны
помощью

клетки

отделить

ние необходимо уделить обсуждению того, как

сти протоклетки для приспособления к меняющим­

могли возникнуть регуляторы функций протоклет­

ся условиям окружающего

ки на заре эволюции. Ответ на эти вопросы имеет

Поэтому ответ на вопрос о составе первичной сре­

прямое отношение

к проблеме происхождения

ды жизни и принципах последующего формирова­

неорганического мира.

жизни. Очевидно, что нет непосредственных сви­

ния околоклеточной среды имеет важнейшее значе­

детельств параметров состава среды, в которой

ние. В ходе последующей эволюции живого и воз­

возникли первые формы жизни на Земле, но изу-

никновения

многоклеточных

сушеств

произошло

разделение на внутри- и внеклеточную среду орга­

Работа поддержана Программой Президиума РАН №

25

«Про­

исхождение биосферы и эволюция гео-биологических систем».

низма, формирование крови, лимфы, ликвора, сис­
тем циркуляции внеклеточных жидкостей.


218

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

Задачей настоящего исследования послужило

f)

что особенно значимо для становления живых
систем

-

концентрация или соотношение ме­

жду биологически наиболее значимыми одно­
и двухвалентными катионами во внеклеточной

кости, которая окружает каждую клетку организма.

Непрерывно происходит воссоздание оптимальной
по составу этой среды, поддержание постоянства

ее физико-химических характеристик, ибо ее со­
став влияет на эффективность деятельности всех

жидкости и тканях животных;

2)

Это привело к созданию у многоклеточных орга­
низмов жидкостей внутренней среды, т. е. той жид­

изучение следующих вопросов:

каким образом могли появиться факторы ре­

клеток и органов у животных и человека.

Тенденция эволюции многоклеточных живот­

гуляции первичных функций в эволюции жи­

ных состоит в создании защищенной системы жид­

вого и моделировать этот процесс.

костей внутренней среды с стабилизированными

физико-химическими параметрам (Баркрофт,

1.

Концентрация и соотношение
одно- и двухвалентных

личий осмоляльности и концентрации ионов натрия
не только во внешней водной среде

катионов в жидкостях

1937).

Известно, что имеются очень широкие пределы от­

от пресных

-

вод до гипергалинных водоемов, но и в околокле­

внутренней среды у водных,

точной

наземных животных и человека

(Проссер,
сти,

жидкости

1977).

у

многоклеточных

организмов

Абсолютные значения осмоляльно­

концентрации

некоторых

ионов

в

сыворотке

Возникновение жизни и многие этапы ее раз­

крови, гемолимфе у разных видов могут отличаться

вития происходили в водной среде. Из этого сле­

в десятки раз. В то же время наши исследования по­

дует, что физико-химические условия этой среды,

казали, что у человека колебания этих параметров в

концентрация

в

ней

неорганических

веществ

норме составляют обычно доли процента, они воз­

должны были оказать влияние на эволюцию живых

растают только до нескольких процентов в экстре­

существ, отвечать требованиям, обеспечивающим

мальных состояниях. У представителей пойкило­

возможность выживания

Эта среда

термных классов позвоночных размах изменений

служила не только фоном для живых существ, но

их физико-химических параметров больше, чем у

ее неорганические компоненты играли существен­

гомойотермных.

организмов.

ную роль в качестве активаторов или ингибиторов

Объектом изучения бьши представители раз­

реакций синтеза и гидролиза органических соеди­

личных типов животных. Концентрация ионов на­

нений в их клетках. Очевидно, что физико-хими­

трия и калия бьша измерена на пламенном фото­

ческие условия среды, в которой происходили хи­

метре

мические реакции на начальных этапах становле­

пропановом пламени с использованием стандартов

ния жизни (осмоляльность, концентрация отдельных

фирмы

ионов, рН и др.), играли важную, а иногда и клю­

центрация ионов Са и

Coming 410

(Великобритания) в воздушно­

чевую роль в развитии протоклеток, а тем самым и

Aldrich Chemical Company, Inc. (США); кон­
Mg определялась на атомном
абсорбционном спектрофотометре Hitachi, мод. 508.

в эволюции организмов.

Концентрация катионов в тканях измерялась после

Современные одноклеточные и многоклеточ­

их озоления в концентрированной НNОз в сухо­

ные организмы обитают в средах, имеющих резко

воздушной бане при

отличающиеся физико-химические характеристики.

органических веществ. Данные представлены как

Это касается колебания температуры и солевого

М±

состава среды обитания живых существ. Он исклю­

ных статистически оценивали по ;rесту

чительно разнообразен

t-критерию Стьюдента.

-

от пресных вод с крайне

SD.

90

°С до полного растворения

Различия всех показателей у обследован­

ANOVA

и

низкой концентрацией солей (оз. Байкал, Ладожское

Исследование концентрации катионов в сы­

озеро, р. Нева) до океанических и гипергалинных

воротке крови позвоночных и гемолимфе беспо­

водоемов. Очевидно, что возможность адаптации

звоночных животных

исходных форм к жизни в столь различных усло­

прос об особенностях ионного состава жидкостей

виях появилась благодаря формированию адап­

внутренней среды изученных существ. Среди ис­

тивных механизмов в ходе естественного отбора.

следованных позвоночных

позволило

-

ответить

на во­

рыбы, гомойоосмо-


Ю. В. Наточин. Катионы околоклеточной среды

219
Таблица

Концентрация ионов (ммоль/л) в сыворотке крови у рыб (п
Объект исследования

Русский осетр

Acipenser gйldenstiidti Brandt,

Байкальский омуль

Каменная широколобка
Нерка

р. Волга

Paracottus kneri Dyb.

Oncorhynchus nerka Walb.

Катран

Squalus acanthias L.

Шиповатый скат

Керчак

количество обследованных животных)

-

Na

n

Coregonus autumnalis migratorius Georgi

Raji clavata L.

Myoxocephalus scorpius L.

1

к

Са

2,4 ± 0,15

Mg
1,0 ± 0,10

11

132 ± 1,4

2,0 ± 0,10

19

129 ± 0,32

3,5 ± 0,43

3,7 ± 0,4

2,25 ± 0,2

15

129 ± 2,1

5,1±0,5

4,05 ± 0,35

2,25 ± 0,3

16

141 ± 3,0

2,45 ± 0,5

9,5 ± 1,0

2,0 ±0,2

12

203 ± 2,1

4±0,2

3,4 ±0,4

3,55 ± 0,45

19

224± 3,0

5,4±0,5

4,15 ± 0,2

1,65 ± 0,45

18

187 ± 2,0

4,2 ± 0,5

6,85 ± 0,75

1,4 ± 0,25
Таблица

2

Концентрация электролитов (ммоль/л) в гемолимфе у морских и пресноводных моллюсков
Объект исследования

Са

edulis

13

482 ± 7,1

12,7 ± 0,5

10,75 ± 0,4

Pecten islandicus

20

468 ± 2,7

15,0 ± 0,27

13,0 ± 0,21

51,5 ± 0,45

Modiolus modiolis

8

463 ± 7,9

13,9 ± 0,8

11,8 ± 0,65

54 ± 1,1

8

12,4 ± 0,8

0,37 ± 0,05

1,32 ± 0,1

0,22 ±0,04

14

14,7 ± 0,3

0,37 ± 0,02

1,86 ± 0,08 0,41±0,02

Мидия Мytilus

Гребешок
Модиола

к

Mg
58 ± 1,4

Перловица

Unio tumidus

Жемчужница

Margaritifera margaritifera L.

n

Na

Таблица З
Концентрация ионов (ммоль/л) в сыворотке крови у позвоночных животных
Объект исследования

Собака

Canis familiaris

Крыса белая

Голубь

Rattus norvegicus var. albln.

Columba livia

Черепаха
Лягушка

Са

Mg
2,55 ± 0,045 0,52 ± 0,03

к

Na

n

10

140 ± 2,3

4,2 ± 0,1

13

142 ± 1,1

4,98 ± 0,13

9

147 ± 1,6

3,96 ± 0,89 2,63 ± 0,04 0,67 ± 0,035

2,3 ± 0,06

1,03 ± 0,55

Testudo hors.fieldi

11

135 ± 2,5

5,5 ± 0,37

2,75 ± 0,03

1,1±0,12

Rana temporaria

9

108 ± 1,1

2,6 ± 0,2

2,12 ± 0,08

1,2 ± 0,04

тические организмы, обитающие в пресных, соло­

при сопоставлении гемолимфы пресноводных и

новатых и океанических водах. Часть из них стено­

морских двустворчатых моллюсков, они состави­

галинные (способные жить в одной из этих сред),

ли более

проходные

этапах

центрации Na+, К+, Mg2 +, Са2 + у представителей

жизни к пресной или морской воде). В воде рек и

различных классов позвоночных и беспозвоночных

озер эти рыбы являются гиперосмотичными по от­

выявило огромные отличия абсолютных значений

ношению к среде обитания, в морской воде

(табл.

(адаптированные

на

разных

-

ги­

3000 % (!)

1-3).

(табл.

2).

Сопоставление кон­

Казалось бы, это могло противоречить

поосмотичными к среде. Во всех случаях они со­

данным о высокой степени константности значе­

храняют

ний концентрации тех же ионов в сыворотке кро­

постоянство

концентрации

катионов

в

сыворотке крови по отношению к среде обитания.

ви у человека (табл.

Выявлены значительные

чия параметров у отдельных видов сочетаются с

отличия концентрации

отдельных ионов в сыворотке крови

-

наименьшие

значения концентрации натрия найдены у бай­

кальских рыб, наиболее высокая концентрация

-

4),

в действительности отли­

высокой стабильностью показателей у особей од­
ного вида.

Рассмотрим в качестве стандарта данные, ка­

у шиповатого ската (табл. 1), концентрация к+ от­

сающиеся человека, поскольку его часто рассмат­

личалась в сыворотке крови у изученных рыб в

ривают как одно из высших достижений эволю­

несколько раз (табл.

ции живого и в его внеклеточной жидкости эти

1).

Изучение тех же показателей у моллюсков

параметры контролируются очень строго. Форми­

выявило еще большие отличия концентрации Na+

рование сознания, высших функций мозга требу-


Глава

220

111. Теоретические

и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

Таблица4
Концентрация ионов (ммоль/л) в сыворотке крови у здоровых людей и при некоторых формах патологии
Объект исследования

n

Na

к

Са

Mg

22

141±0,6

4,61±0,08

2,68 ±0,05

0,86 ± 0,03

Хронический гастрит

20

147 ± 2,0

4,90 ± 0,15

2,66±0,05

0,97 ± 0,03

Ишемическая болезнь сердца

22

147 ± 0,8

4,81 ±0,10

2,69 ±0,03

1,07 ± 0,03

Хронический бронхит

19

144 ± 1,2

4,61 ±0,15

2,54 ±0,06

0,80 ±0,02

8-30-е сутки жизни

60

140 ± 1,8

5,21±0,14

-

6-12-й месяц жизни

68

140 ± 0,7

4,52 ± 0,07

-

11-17 лет

72

143 ± 0,3

4,40±0,04

-

'i'

Здоровый человек
Патология:

Дети:
-

0,7 ± 0,01

химических параметров крови, жидкостей внут­

ляет ~ 10- - 10-8 М, что в 10 ООО раз меньше, чем
к+ и N+B
а .
сыворотке крови концентрация Сн
а

ренней среды. Проблема постоянства состава и

также ниже общей его концентрации, поскольку

ют

исключительной

стабильности

физико­

7

объема этих жидкостей внутренней среды у чело­

он частично связан с альбумином органическими

века была рассмотрена нами с использованием 3-х

кислотами.

методов эволюционной физиологии

онтогене­

-

v

ции,

мg2+

Mg 2+

и

с а2+

служит активатором ряда реако

бразуют

соединения в клетках и

тического, экстремальных воздействий и клини­

плазме крови, а, будучи связанными, они не могут

ческого.

создавать ионные градиенты.

Сравнение

закономерностей

развития

функций в филогенезе и онтогенезе, их распада в
патологии имеет ключевое значение для заключе­

ния о законах развития функций (Орбели,

1961).

Соотношение катионов

2.

Нами были сопоставлены данные о концентрации

в околоклеточной среде

катионов в сыворотке крови у здоровых мужчин,

у детей первого месяца жизни, пациентов при ряде

Выше речь шла об абсолютных значениях

форм патологии, подростков, у космонавтов после

концентрации катионов в жидкостях внутренней

экстремальных условий работы в космосе. Полу­

среды

ченные

что

представление о тех же параметрах складывается

концентрация катионов в сыворотке крови не толь­

при расчете соотношения между концентрацией

ко строго стабилизирована, но и при всех перечис­

этих катионов в той же жидкости. Это крайне

результаты

свидетельствуют

о

том,

у

разных

групп

животного

мира.

Иное

ленных условиях, включая некоторые формы пато­

важно при рассмотрении физиологических про­

логии, не отличается от стандарта нормы (табл.

С первых дней после рождения, в течение всей

цессов. Проанализируем соотношение двух катио+
нов - К , доминирующего в цитоплазме клеток, и

жизни и даже при некоторых формах патологии

Na+, преобладающего во внеклеточной жидкости и

(заболевания сердца, легких, желудка) эти показа­

определяющего ее осмоляльность. Расчет K+/Na+

тели сохраняются без существенных отклонений

отношения

(табл.

значение ~

4).

4).

Отсутствие динамики этих показателей

показал,

0,03

что

оно

имеет

одинаковое

в сыворотке крови человека и ге­

может указывать на их фундаментальное значение

молимфе моллюсков из пресных озер и Баренцева,

для реализации потенций живых систем.

и Белого морей. Найдены близкие значения этого

вне клетки определяют осмоляль­

параметра у рыб и ракообразных, у млекопитаю­

ность внеклеточной жидкости, ионы К играют ту
же роль внутри клетки, основная масса ионов Са

щих и птиц, у человека (рис. 1). У ската концен+
трация Na в сыворотке крови была на 59 % выше,

внутри

клетки депонирована в ультраструктурах,

чем у человека, а К

высока

степень

тично. Отличия концентрации

Ионы

Na

их компартментализации. Важс 2+
v

+

/Na+ соотношение
Na

у них иден-

в гемолимфе

как вторичным мес-

клиновидной перловицы, обитающей в пресных

сенждер, его концентрация в цитоплазме состав-

водах, и у мидии из Баренцева моря составило бо-

v

неишее значение имеет

а


Ю. В. Наточин. Катионы околоклеточной среды

500

~

450

221

...

а

400

-S
.о

а 350
:1
:1

fl

300

z

1

0,8

250

«!

~

С11

i

=

J
i

200

i

1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
1
09
•

0,7
0,6 ~
0,5 8
0,4
0,3
0,2
0,1

..

150

=100
50
о

о

1

2

4

3

6

5

8

7

9

10

11

ВИАЫ ЖИВОТНЫХ

Рис. 1. Концентрация Na+ и к•1Nа• отношение в гемолимфе и сыворотке крови животных. Цифрами обозначены:

1.
2.
3.
4.
5.
6.

Жемчужница

7. Европейский керчак Myoxocephalus scorpius L.
8. Шиповатый скат Raja clavata L.
9. Асцидия Goniocarpa rustica L.
1О. Мидия Mytilus edu/is L.
11. Гребешки Pecten islandicus.

Margaritifera margaritifera L.
Anodonta cygnea L.
Виноградная улитка Helix pomatia
Сазан Cyprinus сагрiо
Нерка Oncorhynchus nerka Walb.
Беззубка

Человек

Таблица

5

Содержание катионов (в ммоль/кг влажного веса) в органах и тканях крыс
Объект исследования

n

Na

к

Са

Mg

K/Na

18

62,1±1,6

81,9 ± 1,4

3,0 ±0,4

9,8 ± 0,3

1,31

Печень

7

33,0 ± 1,2

95,1±2,6

0,69 ± 0,05

6,6 ± 0,6

3,17

Прямая мышца живота

5

32,8 ± 2,8

115,5 ± 2,3

1,75±0,11

11,2 ± 0,6

3,52

Почка, кора

лее 3000 % (!),но и в этом случае K+/Na+ отноше­

внутриклеточной концентрации ионов был вызван

ние у них в гемолимфе бьшо ~

тем, что и в самой клетке отдельные органеллы

о тношение

K +/Nа+ резко

0,03.
отличается в

клет-

резко отличаются по концентрации этих катионов,

ках и тканях по сравнению с внеклеточной жид­

но тканевое

костью, в почке, печени, мышце оно превышает

денцию и не требует проведения опытов

(табл.

5).

1

Сопоставление тканевой и внутрикле­

точной концентрации к+ и Na+ было выполнено
нами на мочевом пузыре лягушки

содержание

отражает основную тен­

in vitro,

которые могут вносить погрешность в изменение

функционального состояния клеток.

(Natochin et al.,

Из материала таблиц следует, что во внекле­

1965). Отношение моляльной концентрации внут-

точных жидкостях и в среде обитания (моря, соло­

N а+ состави-

новатые воды, пресная вода рек и озер), несмотря

Исследование такого же соотноше­

на огромные отличия абсолютных значений кон­

риклеточного К+ к внутриклеточному

ло

208/33 = 6,3.

ния в ткани

пузыря лягушки показало,

центрации изучаемых катионов, удивительно ста­

что оно близко к 1 (К+ 763 ± 25 мкмоль/г сух. в-ва,
Na+ 781 ±30мкмоль/г сух. в-ва, K+/Na+=0,99).

мочевого

бильно K+/Na+ отношение (рис. 1). Полученные
результаты позволяют дать четкий и непротиворе­

Выбор для сопоставления тканей, а не измерение

чивый ответ на поставленные вопросы. Найдены


222

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

огромные, в десятки раз,

отличия абсолютных

по канонам эволюционной физиологии отсутст­

значений концентрации отдельных ионов в сыво­

вие динамики этих показателей указывает на их

рор<е крови, гемолимфе, но они контрастируют с
монотонностью отношения

K +/N а+,

v

удивительном

фундаментальное значение для развития живых
систем.

способностью живых существ к поддержанию во
внеклеточной жидкости этого соотношения. В то

же время у каждой особи данного вида концентра­

3.

Внутриклеточная среда

ция катиона удерживается на стабильном уровне.

и возникновение

Наши данные позволили установить, что ключевую

плазматической мембраны

роль играет сохранение соотношения между катио­

нами к+ и Na+, что в предельно наглядной форме
демонстрирует рис.

Для появления первого живого существа кро­

Абсолютное значение кон­

ме необходимых для этого молекул органических

центрации Na+ в жидкостях внутренней среды мно­

веществ, элементов генетического кода абсолютное

гоклеточных организмов меняется в десятки раз, а

значение

1.

имели

адекватные

физико-химические

K+/Nа+ оста-

условия среды. Для синтеза белка важнейшее зна­

ется одним и тем же, стабильным. Это не распро­

чение приобрело возникновение плазматической

страняется

мембраны, появление которой позволило отделить

соотношение концентрации катионов
v

на

соотношение

катионов

двухвалент­

ных катионов (Mg2+, Са2+) (табл. 1-4).

протоклетку от окружающей среды. Известно, что

Тем самым ключевое значение во внеклеточ­

синтез белка требует среды с преобладанием к+ и

ной жидкости имеет не абсолютное значение кон-

Mg2+ (Monro, Marcker, 1967; Traut, Monro, 1964;
Maden, Monro, 1968; Спирин, Гаврилова, 1971). До­

центрации, а отношение

к+/N а+. в

клетках живых

организмов это соотношение больше

1,

в качестве

воды литературы, что жизнь возникла в натриевом

регулятора концентрации (не соотношения!) вы­

море (Гинецинский,

ступает осмоляльность,

1964;

Проссер,

1977),

а оно по

она определяет водный

соотношению катионов напоминало современный

баланс, волюморегуляцию клеток. Осмоляльность

океан, легко отвергаются. В морской воде домини­

околоклеточной среды в большинстве случаев оп­

руют ионы Na+, СГ, а среда для синтеза белка тре­

ределяется концентрацией ионов натрия, в цито­

бует преобладания К+ и Mg2+. Без белка не постро­

плазме зто находит отражение в более высокой

ить первую мембрану, без мембраны не изолировать

концентрации к+.

клетку от среды, не создать собственных ионных

Особенностью представленных данных явля­

Решение этого парадокса привело к обоснова­

ется то, что:

1) речь идет о K+/Na+ отношении во внеклеточ­
ной жидкости, а не между клеткой и внекле­
точной жидкостью,

2)

во всем многообразии исследованных форм
жизни

градиентов.

поддерживается одно и то же

соотно­

шение этих катионов независимо от генетиче­

ски заданных значений их концентраций, абсо+
+
лютная концентрация К и Na обусловливает
+
осмоляльность жидкости в клетке (К ) и вне-

клеточной жидкости (Na+),

3) K +/Nа+ градиент

нию гипотезы о физико-химических особенностях
среды возникновения протоклеток на Земле, пре­

валирования К+ в первичных водоемах (Наточин,

2005; 2006;

Галимов, Рыженко,

2008),

эволюции и

клетки, и ее окружения (Наточин и др.,

2008).

Во­

прос о происхождении физиологических функций
у протоклеток, особенностях внешней среды ужи­
вых существ требует новых подходов. Если срав­
нительная оценка геномов возможна молекулярно­

биологическими методами, то для характеристики

функции необходимо создание в физиологии на­
v

между цитоплазмои и около-

клеточной жидкостью определяет мембранный
потенциал.

+ Na+, но

Он касается К и

не

Mg2+ , Са2+ . Выше

правления, когда можно бьmо бы представить ре­
альный образ функции у существовавших, но ис­
чезнувших существ. Очевидные трудности стоят

перед исследователями разработки проблем эво­

были сопоставлены данные у человека в постна­

люционной физиологии, выяснения путей станов­

тальном

ления физиологических функций у доклеточных и

онтогенезе,

экстремальных

в

условиях

состояниях и

патологии

сделан

вывод,

при

что

первых клеточных форм жизни.


Ю. В. Наточин. Катионы околоклеточной среды

Представление Дарвина об эволюции совпа­

дает с положением физиологии об организме как
целостной системе. «Природа

всякий внутренний

орган,

...

может влиять на

на каждый оттенок

конституциональной особенности, на целый жиз­

начало пути, возникновение, становление функций
клетки, следующим ее этапом стало возникновение
многоклеточных

своей пользы, Природа

-

только ради пользы ох­

зиологические

исследования

1991,

с.

81).

направлены

на

организмов,

появление

органов,

систем, лежащих в основе дыхания, питания, вы­
деления.

ненный механизм. Человек отбирает только ради

раняемого существа» (Дарвин,

223

Возникновение первичных форм жизни, появ­
ление и усложнение живых существ должно пред­

Фи­

шествовать происхождению видов. Не затрагивая

вы­

проблемы, касающейся степени сложности первых

яснение механизмов приспособления организмов

форм жизни, назовем эту стадию протоклеткой, в

к среде, обеспечения адаптации, повышение уров­

такой формуле она бьша предшественницей прока­

ня развития. Труд Дарвина касается происхожде­

риот и эукариот. Можно принять, что затем на од­

ния видов путем естественного отбора, но отбору

ном из этапов эволюции живого формируется клет­

предшествовал период появления первых существ,

ка, обладающая ядром. По одним данным, это про­

которые несли черты живого и были субстратом

изошло около

внешней среды. Благоприятные, приемлемые для

2,7 млрд лет тому назад (Brooks et al.,
1999; Brake et а!., 2002), по другим, эукариоты поя­
вились 950-1259 млн лет назад (Douzery et al.,
2004). Новейшие данные значительно увеличивают

жизни условия внешней среды имели ключевое

время возникновения живых существ на Земле:

значение независимо от того, были ли первые эле­

бактерий

реализации естественного отбора. Возникновение
живых существ шло в тесной связи с условиями

менты

жизни

внеземного

происхождения

(речь

идет о метеоритном заносе) или первично возник­

- 3,8-4,0 млрд лет назад,
эукариот - не менее 2,7 млрд лет,
мерно 2,4 млрд лет (Розанов, 2003).

одноклеточных
грибов

-

при­

ли на Земле и развивались на ней. Отбор касается

Появление протоклетки требовало оградить

особей как целого в их взаимосвязи со средой,

ее от окружающей среды уже на этом, начальном,

особь служит высшим уровнем организации су­

первом этапе. Для этого должна была быть у этой

ществ, анализируемых физиологией как наукой.

клетки плазматическая мембрана со способностью

Дарвин писал: «Окончательный результат заклю­

селективного отношения к отдельным ионам. Дис­

чается в том, что каждое существо обнаруживает

куссионным остается

тенденцию делаться более и более улучшенным

ионный состав околоклеточной среды.

вопрос о том, каким бьш

по отношению к окружающим его условиям. Это

предполагается, что в этот начальный период вре­

улучшение неизбежно ведет к градуальному по­

мени возникновения жизни

Так как

оболочка (мембрана)

вышению организации большей части живых су­

клетки была свободно проницаема для ионов, то

ществ во всем мире» (Дарвин,

Разви­

можно принять равенство концентрации ионов вне

тие эволюционной физиологии стало ответом, реа­

и внутри протоклетки. По мере эволюции клетки

лизацией этой мысли Дарвина.

формируется мембрана с селективной проницае­

1991,

с.

110).

Вопрос о происхождении физиологических

мостью для ионов. Наши данные позволяют по­

функций у первичных форм ранее не обсуждался

нять этапы

среди проблем эволюционной физиологии, но ре­

дают основание для суждений о том, когда эта

шение вопроса о происхождении жизни на Земле,

мембрана возникла

появлении протоклеток получает новый импульс

ее появления.

становления ионного состава клетки,

и что явилось стимулом для

при использовании физиологических методов. Раз­

Рассмотрим особенности физико-химических

витие эволюционной физиологии как науки приво­

параметров цитоплазмы протоклеток. Полученные

дит к необходимости изучения физиологической

данные позволяют предположить, что биохимиче­

эволюции, исследование зарождения физиологиче­

ские процессы, лежащие в основе цитогенеза, про­

ских процессов, исследование первых шагов жиз­

исходили в калиевой среде, в условиях, оптималь­

ненных явлений, формирования функций у само­

ных

воспроизводящихся организмов, которые способны

формах (Наточин,

для

становления

жизни

2009).

в

ее

современных

Возникновение прото­

к реализации минимума физиологических функций.

клеток, по нашему предположению, возможно лишь

Это физиологические функции первичной клетки,

в калиевой внешней среде, ибо это необходимо


224

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

для выполнения всего объема первичных функций

живого оболочка была барьером для крупных мо­

и достаточно иметь оболочку у такой протоклетки,

лекул, а не для ионов, и не для воды. В существо­

оеолочку,

сохранения

вании барьера для ионов не было необходимости,

внутри протоклетки макромолекул, но свободно

выполняющую

функцию

поскольку содержимое клетки и внешней среды в

проницаемую для ионов. Стимулом для формиро­

таких условиях бьmо изоионично, осмотического

вания плазматической мембраны в ее современном

барьера не требовалось, ибо околоклеточная среда

понимании мог быть императив, связанный с из­

и цитозоль были изоосмотичны.

менениями состава первичной среды

обитания

Изменение солевого состава водоемов в связи

однова­

с вулканической деятельностью, выпадением осад­

лентных ионов, когда на смену водоемам с доми­

ков, стоком рек и иными планетарными события­

нированием ионов калия приходили моря, в кото-

ми

протоклеток,

вначале

по

концентрации

рых была выше концентрация

+

Na ,

осмоляльность

могло

приводить

ионов натрия в

к

изменению

концентрации

тех водоемах, где первоначально

морской воды. Переход в такую водную среду тре­

возникли живые существа и доминировали ионы

бовал формирования мембраны и натриевого на­

калия, требовалась реорганизация протоклеток для

соса в ней для регуляции состава внутриклеточно­

их адаптации к новым условиям. При такой после­

го содержимого.

довательности событий выжить могли те особи,

Жизнь не могла возникнуть в пресной воде

которые обретали способность сохранять в исход­

или в натриевом водоеме, океане, необходима бы­

ном виде ионный состав внутриклеточной среды,

ла среда с доминированием ионов калия и магния.

в

Это связано с тем, что такой ионный состав цито­

цию к+ в цитозоле вне зависимости от изменений

золя обязателен для систем синтеза белка

частности

поддерживать

высокую

концентра­

для

ионного состава окружающей внешней среды. Это

реакции транспептидации на рибосоме обязатель-

требовало появления новых свойств в плазматиче­

но присутствие

к+ ,

м 2+

g

-

и ряда других, но среди

ской мембране

-

формирования ионных каналов,

них нет ионов Na+ (Monro, Marcker, 1967). Более
того, «ионы Na+ и L·+
1 не только не могут заменить

ионных насосов. В частности, был необходим

ионов к+ или NН/, но являются их антагониста­
ми, блокируя работу белоксинтезирующей систе­

вый насос, обеспечивающий поступление в клет+
+
ку К и удаление из нее Na . На этом этапе эволю-

мы» (Спирин, Гаврилова,

Эти дан­

ции клетки могли приспособиться к жизни в мор­

значимыми

ской воде с формированием ионов натрия. Развитие

ные

представляются

1971,

с.

152).

исключительно

функционирующий за счет энергии АТФ натрие­

для нашей гипотезы о возникновении жизни в ка­

жизни на Земле после появления эукариот давало

лиевой среде, а не в Мировом океане. Ясно, что

значительные преимущества для развития

без белоксинтезирующей системы не может быть

существ. Следующим этапом эволюции, вероятно,

и синтеза самой Na+-, к+-АТФазы, которая у более

могло быть возникновение колониальных форм,

живых

высоко организованных форм обеспечивает уда­

состоящих из однотипных клеток, а затем и много­

ление Na+ из цитоплазмы и поступление в нее ио­

клеточных организмов, средой обитания которых

нов калия, тем самым адаптацию к жизни в море.

могла быть морская вода. Выше отмечалось, что

Вряд ли будет преувеличением полагать, что на

сместилось на более ранний период не только вре­

первых этапах жизни были весьма простые сис­

мя появления прокариот (Розанов,

темы, а не рибосомы, где реализовался синтез

гоклеточных эукариот, аннелидоморфы обнаруже­

белков, хотя можно думать, что ключевые пара­

ны в раннем рифее (Гниловская,

метры синтезы скорей всего были похожи.

2009),

но и мно­

1998).

У животных длительный период эволюции,

Предлагаемая гипотеза основана на том, что

вероятно, происходил в морской среде, наличие

протоклетки могли возникнуть в небольших вод­

ионов натрия во внешней среде при доминирова­

ных бассейнах, где доминировали ионы К+ (Нато­

нии

чин,

2005; Hansma, 2010; Mulkicljanian, 2012) В этих

условием электрогенеза, возникновения полярной,

условиях, пригодных для первичных форм жизни,

асимметричной клетки, что дало стимул для диф­

сформировались наиболее важные функции кле­

ференцировки тканей, возникновения эпителия.

ток, содержимое было отграничено от окружаю­

Электрогенез этих клеток послужил безусловной

щей среды оболочкой. На этом этапе эволюции

физиологической предпосьшкой появления нервной

калия

внутри

клетки

послужило

исходным


Ю. В. Наточин. Катионы околоклеточной среды

225

клетки, возбу.цимой клетки, становления нервной

правлять сигнальные молекулы, создавая условия

системы, а потому бьши обеспечены исключи­

для паракринной регуляции. Поддержание посто­

тельные преимущества у таких существ в коорди­

янства объема и состава жидкостей внутренней

нации функций, реакции животных на сиюминут­

среды, гомеостаз обеспечил условия для прогресса

ные изменения во внешней среде. Наличие нерв­

многоклеточных животных. По мере усложнения

ных клеток, нейросекреции, аутакоидов было ос­

организмов и необходимости осуществления более

новой формирования эндокринных регуляторов.

эффективной регуляции появились органы внут­

Натрий как стимул образования полярной клетки,

ренней секреции, началась секреция гормонов, ко­

где в плазматической мембране одной стороны

торые поступали в жидкости внутренней среды, в

клетки могли быть сосредоточены натриевые ка­

кровь и достигали каждой клетки при участии

налы, а в другой

натриевые насосы, обеспечил

жидкостей внутренней среды. Возникает и совер­

основу развития таких функций как всасывание,

шенствуется система регуляции состава жидкостей

пищеварение, выделение, дыхание.

-

Формирова­

внутренней среды, формируются органы, обеспе­

ние системы жидкостей внутренней среды с до­

чивающие ее циркуляцию, создается система ста­

минированием в них ионов натрия стало предпо­

билизации ее состава. Сопоставление молекуляр­

сылкой становления системы гомеостаза, физико­

ной организации сигнальных систем, включающих

химического постоянства жидкостей внутренней

аденилатциклазу, гуанилатциклазу, выявило суще­

среды

ственное сходство у дрожжей, инфузорий, много­

обязательного условия для развития

-

высших функций нервной

системы.

Сказанное

клеточных животных.

выше позволяет предположить, что выбор натрия
как

противоиона

для

калия

дал

толчок,

стимул

биологического прогресса в мире животных. Ис­

4.

следование наиболее жестко контролируемых фи­
зико-химических

параметров

крови,

Происхождение факторов
регуляции

жидкостей

внутренней среды у человека показало, что к ним

Развитие живых организмов, эффективность

относится осмоляльность, концентрация ионов на­

их приспособления к среде во многом зависят от
степени совершенства систем регуляции физиоло­

трия, ионов кальция, рН.

Важный

этап в эволюции многоклеточных

гических функций, в том числе направленных на

животных состоял в создании внеклеточной жид­

поддержание

кости, это давало клеткам возможность более эф­

жидкостей внутренней среды. Становление живых

фективного обмена веществ, обмена информацией

существ, формирование основных проявлений жиз­

с помощью физиологически активных веществ,

ни шло одновременно с возникновением и эволю­

доставки

опти­

цией систем регуляции. Это касается и протокле­

органических

веществ,

создания

постоянных

значений

параметров

мальных условий для жизни клеток. В эволюци­

ток, и многоклеточных организмов. У протоклеток

онной морфологии к значительным событиям в

скорость реакции на внешние воздействия нахо­

эволюции многоклеточных животных относят по­

дилась под влиянием химических и физических

явление вторичной полости тела. Это, безусловно,

факторов окружающей внешней среды, но внутри

пункт в эволюции животных,

клетки также могли вырабатываться органические

его функциональные следствия состояли в разви­

регуляторы функций. Одна из загадок первичной

тии системы жидкостей внутренней среды. Воз­

эволюции живого в том, как появились эти первые

принципиальный

никновение

многоклеточных

сопровождалось

не

регуляторы.

Нами

высказано

предположение

и

только объединением, связью ранее разрозненных

разработана функционирующая модель механизма

клеток друг с другом, но и созданием внеклеточ­

возникновения

ной жидкости, которая стала средой, окружающей

В основе гипотезы лежит предположение о спон­

каждую клетку. Ее функциональная роль все более

танном гидролизе ранее спонтанно образовавших­

первых

пептидных

регуляторов.

возрастала по мере усложнения организмов. В меж­

ся полипептидов. Часть из них обладала исходно

клеточную

регуляторной активностью.

жидкость

поступали

продукты

мета­

болизма клеток, из нее клетки извлекали необхо­
ни мые

им

вещества,

соседние

клетки

могли на-

Для построения модели возникновения и дей­
ствия

первичных

регуляторных

молекул

эволю-


226

Глава

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

ционирующие объекты представлены нами как ди­

вует экспериментальным данным и ниже будет

намические

стратегию

приведена формула с аминокислотами, входящи­

саморазвития и реагирующие на изменение внеш­

ми в ее состав. Стадии гидролиза с отщеплением

hей среды (Меншуткин, Наточин,

пептида, состоящего из

структуры,

реализующие

токлеткой подразумевается
дающая

способностью

имеющая

тему

элементы

синтеза

к

2011).

Под про­

форма жизни,

обла­

самовоспроизведению,

генетического

органических

аппарата,

компонентов,

сис­

обла­

дающая мембраной. Протоклетка как первая живая
система должна бьша иметь способность к саморе­

8 аминокислот,

и образо­

ванием ангиотензина П:

1 • 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11 • 12. 13.
14. 15 • 16
А~·Ащ·~·~·№·№·~·~·№•

Leu • Tyr •

Пе

• His • Pro • Phe • His • Leu

гуляции для ответа на внешние стимулы, чтобы

А~·Ащ·~·~·№·№·~·Р~·№·

обеспечить выживание особи в меняющейся внеш­

Leu + Tyr • Пе • His • Pro • Phe • His • Leu

ней среде, это свойство в модели представлено в ви­

А~·Ащ·~·~·№•№·~·~+№•

де критерия успешности функционирования. Появ­

Leu + Tyr • Пе • His • Pro • Phe • His • Leu

ление химических регуляторов дискретных элемен­
тов, квантов регуляции имело ключевое значение в

Asp • Arg • Val • Tyr • Пе • His • Pro • Phe

развитии способности приспособления к внешней

Математическое моделирование показало жиз­

среде, построении организма. А priori можно при­

неспособность модели, эффективность функций

нять, что в эволюции функций протоклетки вначале

модельного объекта возрастала в присутствии ок­

возникли физиологически активные вещества, а за­

тапептида, все остальные элементы гидролиза по­

тем сложная система регуляции, включающая у вы­

липептида играли побочную роль (Наточин, Мен­

сокоорганизованных организмов нервные элементы,

шуткин,

гормоны, инкретины, аутакоиды.

ления протоклетки образование октапептида бьшо

2011).

Вначале, на первых этапах станов­

На начальных этапах эволюции жизни в вод­

следствием спонтанного процесса, как синтеза, так

ной среде в содержимом протоклетки появляются

и гидролиза полипептида. Так как этот признак бьш

молекулы органических веществ, они служат ма­

полезен, то в процессе естественного отбора закре­

териалом для синтеза макромолекул

первых жи­

пился по дарвиновскому принципу тот участок ге­

вых клеток. Синтез цепочек аминокислот был ис­

нома, который бьш причастен к образованию окта­

пользован для построения белков протоклетки, а

пептида, необходимого для стимуляции функций.

фрагменты спонтанного гидролиза этих макромо­

Особенность предлагаемой схемы появления

лекул

регуляторных

регуляторного пептида в эволюции системы регу­

молекул. На одном из начальных этапов эволюции

могли

служить

источником

ляции состоит в том, что спонтанно образуются фи­

живого возникают такие последовательности нук­

зиологически активные молекулы на основе гидро­

леотидов, которые

лиза исходных цепей полипептидов. Это стохасти­

создают матрицу для воспро­
полипеп­

ческий процесс, зависящий от физико-химических

тидных цепей. Несложно представить, что такие

условий среды, но нерегулируемый другими систе­

полипептиды могут становиться частью макромо­

мами. Это квантовый процесс, образование дис­

лекул более крупных белков, используемых для

кретных молекул регуляторов. В нем отсутствует

построения тела протоклетки. Часть полипептид­

непрерывность,

ных цепей может подвергаться спонтанному гид­

его развитие зависит от начальных условий среды,

ролизу. Представим полипептид из

а не внешних причин, действующих направленно в

изводимого,

лот,

из

него

повторяющегося

синтеза

16 аминокис­

в результате спонтанного гидролиза

могут образоваться несколько фрагментов, напри­
мер, цепочки из

1О

статистически

предопределен,

качестве стимула образования октапептида, он вна­
чале может происходить случайно.

аминокислот. Все эти по­

Построение модели включает в качестве пер­

липептиды оказались физиологически инертны­

вого этапа образование из длинной полипептидной

ми, не имеющими регуляторного значения. От де­

молекулы

капептида вновь отщепляется

6

и

он

(16

аминокислот), из которой в резуль­

аминокислоты и

тате спонтанного гидролиза образуются активные

возникает октапептид чрезвычайно физиологически

молекулы с разным числом аминокислот. После­

активный. Описанная ситуация строго соответст-

дующее функционирование модели показало, что

2


227

Ю. В. Наточин. Катионы околоклеточной среды

одна молекула из образовавшихся при гидролизе

альной возможности возникновения регуляторов

полипептида стабилизирует функцию протоклет­

функций протоклетки. Естественно, что регулятор

ки во времени, иными словами, играет роль эф­

должен влиять на рецептор, формируется система

фективного регулятора. При построении модели

сопряжения, как это происходит в настоящее вре­

использован математический аппарат теории авто­

мя в естественных живых клетках. Следует под­

матов (Трахтенброд, Бардзинь,

черкнуть, что молекула регулятора сохраняется в

Наточин,

эволюции и обеспечивает оптимизацию деятель­

1970; Меншуткин,
2010). Управляемая

2008; Меншуткин,
(S) представлена в виде конечного автома­
имеющего 5 состояний физиологически значи­

система

та,

мой

величины,

которые

оценивать

В модели рассматривается эволюция не морфоло­

как

гических признаков, а происхождение регулятор­

«высокое», «среднее», «низкое»

ной молекулы, эволюция регуляторной системы

и «очень низкое». Окружающая среда может ока­

как единого целого, передача генетической ин­

зывать разное влияние, а цель управляющей сис­

формации осуществляется не отдельными генами,

«очень высокое»,

можно

ности особи под воздействием внешних условий.

темы заключается в том, чтобы удерживать значе­

а целым «блоком» генов, определяющим фрагмент

ние исследуемой величины в некотором среднем

полипептидной цепи

значении при любых, заранее непредсказуемых

Идея квантовой эволюции созвучна представле­

изменениях внешней среды (Меншуткин, Нато­

нию о блочной организации наследственной ин­

чин,

2011).

формации. Иными словами, предполагается, что

-

квант системы регуляции.

Регулятор может снижать скорость процесса,

геном может испытывать не только точечные му­

не влиять на него или приводить к его росту. Кри­

тации, но и перенесения более крупных частей

терием успешности функционирования регулято­

генома, ответственных за функционирование це­

ра служило среднее отклонение состояния от оп­

лой подсистемы организма.

тимального значения. Для поиска оптимума при­

У многоклеточных формируется нервная сис­

менялся генетический алгоритм (Гладков и др.,

тема, затем возникает эндокринная система, появ­

причем использовались случайные измене­

ляются инкретины. С появлением многоклеточ­

2006),

ния вида функции

R.

На каждом шаге эволюци­

ных формируются новые типы систем регуляции.

тести­

Наличие ионных градиентов легло в основу воз­

рование всех протоклеток для выяснения их спо­

никновения биоэлектрических явлений, возникно­

собности противостоять случайным изменениям

вения нервных элементов и сочетанного участия в

внешней среды. В следующем цикле происходит

регуляции физиологических функций электриче­

ранжирование

ских и химических сигналов. По мере развития

онного

развития

производится

протоклеток

по

модельное

степени

их

при­

способленности к измененным условиям. В даль­

многоклеточных формируются эндокринные же­

нейшем наиболее адаптированные клетки полу­

лезы, секретирующие гормоны. Другой группой

чают способность к расширенному воспроизвод­

веществ, участвующих в регуляции функций, яв­

ству, а наименее приспособленные отмирают.

ляются локально образующиеся биологически ак­

Серия компьютерных экспериментов, прове­

тивные липиды и

полипептиды липидной и по­

денных с описанной моделью, показала ее высо­

липептидной природы (аутакоиды), а также ин­

кие адаптационные свойства. Модель достаточно

кретины, которые, согласно полученным в нашей

быстро приобретала свойства противостояния из­

лаборатории данным, гармонизируют процесс по­

менениям внешней среды в принятых пределах.

ступления

веществ

во

внутреннюю

среду

и

их

По мере усложнения модели, в основном за счет

вьщеление почкой (Марина и др.,

увеличения числа состояний как самого объекта,

печивает более высокий уровень стабилизации объ­

так и регулятора, достижение в процессе «Эволю­

ема и состава жидкостей внутренней среды и спо­

2011).

Это обес­

ционного» развития независимости от внешней

собствует эффективному осуществлению физиоло­

среды становится все более трудным и требует

гических функций, связанных с реализацией про­

большего времени. Особенно это относится к слу­

граммы развития. Таким образом, на ранних этапах

чаю, при котором система состоит не из одного,

эволюции протоклеток регуляторами функций вы­

а

ступают неорганические вещества, олигопептиды,

многих элементов

S-типа.

Модель позволяет

;щть качественный ответ на вопрос о принципи-

аутакоиды.


Глава

228

111. Теоретические и

экспериментальные исследования предбиологических химических систем

Заключение

ных насосов, требовалась иная внешняя среда. Это

Возникновение живых систем, их приспособ­

тическом моделировании. Показано, что в около­

леАие к меняющимся условиям среды шло, веро­

клеточной жидкости при огромном разнообразии

ятно, параллельными путями:

концентрации

нашло

1)
2)

подтверждение

ионов

в эксперименте и

натрия

матема­

исключительно

ста-

К+/N а+ отношение -

формировался молекулярный субстрат реали­

бильным удерживается

зации физиологической функции,

ло

возникала система регуляции данной функ­

найдено зависимости и анализируется их функ­

ции, которая должна бьmа обеспечить приспо­

собление физиологических функций к измене­
ниям во внешней среде, координацию функций

0,03.

око-

В отношении ионов кальция и магния не

циональное назначение.

Обсуждается вопрос о происхождении и мо­

лекулярных механизмах систем физиологической
регуляции баланса ионов. Разработана имитаци­

соседних клеток.

Важнейшее назначение систем регуляции за­
ключалось в обеспечении функциональной и струк­
турной целостности протоклетки как единого ор­
ганизма для достижения эффективности функций и
жизнеспособности.

онная модель возникновения

физиологических

функций

системы регуляции

протоклетки

на на­

чальных этапах эволюции живых систем. Она ос­
нована на предположении о появлении сигнальной

функции у спонтанно образующихся продуктов
частичного гидролиза полипептидов протоклетки.

При исследовании концентрации катионов в
жидкостях внутренней среды (сыворотка крови,

гемолимфа), клетках и тканях у представителей
десятков видов членистоногих,

моллюсков и по­

звоночных найдены огромные различия абсолют­

Модель построена с использованием математиче­
ского

аппарата конечных автоматов

стрировала

тидов в

позитивную

роль

и

продемон­

регуляторных

пеп­

«жизнеспособности» протоклетки

при

меняющихся условиях внешней среды.

ных значений концентрации катионов в жидкостях

внутренней среды. Концентрация Na+ отличается
в гемолимфе от

к+ -

12,4 ± 0,8

до

468 ± 2,7

ммоль/л,

от 0,37 ± 0,02 ДО 13,0 ± 0,21 ммоль/л, Mg2+ -

от 0,41±0,02 ммоль/л до 54 ± 1,1 ммоль/л, Са2 + от

1,86 ± 0,08

ммоль/л до

13,0 ± 0,21

ммоль/л. В то

же время обнаружена исключительная стабиль­

ность к+/Na+ отношения в жидкостях внутренней
среды

-

0,034 ± 0,001.

Для клеток это отношение

у микроорганизмов (Шахматова и др.,
позвоночных и позвоночных выше

2010),

бес­

1.

1983; Хол­
ленд, 1989) и живых систем (Nealson, Conrad, 1999;
Rivera, Lake, 2004; Галимов, 2010), эволюция струк­
туры и их физиологических систем (Северцов, 1939;
Шмальгаузен, 1940; Natochin, 2009). В процессе
1982;

Войткевич,

выполнения проекта бьmа обоснована гипотеза,

что жизнь появилась в калиевых бассейнах, но не
могла возникнуть в водной среде, напоминающей
современную морскую воду по соотношению од­

новалентных ионов (доминирование

Na),

поскольку

синтез пептидов требует превалирования концен­
трации ионов К, а не

Na.

БаркрофтД.

(1937)

Основные черты архитектуры фи­

зиологических функций. М.; Л.: Биомедгиз.
Галимов Э. М

Чтобы создать первую

мембрану, отделяющую клетку от внешней среды,
необходимы были белки ионных каналов и ион-

319

с.

(2010) Условия зарождения жизни на
1(1): 39-47.
(2001) Феномен жизни: между равнове­

Земле. Биосфера,
Галимов Э. М

сием и нелинейностью. Происхождение и принци­

пы эволюции. М.:

URSS. 256

Галимов Э. М, Рыженко Б. Н

Несомненно, параллельно шла химическая эво­
люция Земли (Сшюп,

Литература

с.

(2008)

Разрешение К/Nа

биогеохимического парадокса. ДАН.

421

(№

3): 375-

377.
Гинецинский А. Г

(1964)

Физиологические механизмы

водно-солевого равновесия. М.; Л.: Наука.

Гладков Л. А" Курейчик В. В" Курейчик В. М

427 с.
(2006) Гене­

тические алгоритмы. М.: Физматлит.

20 с.
(1998) Древнейшие аннелидоморфы из
верхнего рифея Тиммана. ДАН. 359 (№ 3): 369-372.
Дарвин Ч (1991) Происхождение видов путем естест­
венного отбора. СПб.: Наука. 539 с.
МаринаА. С., КутинаА.В., НаточинЮ.В. (2011) Сти­
Гниловская М Б.

муляция эксенатидом выведения осмотически свобод­
ной воды почкой крыс при гипергидратации. ДАН,

37 (4): 568-570.
Меншуткин В. В. (2010)

Искусство моделирования (эко­

логия, физиология, эволюция). СПб; Петрозаводск.

416

с.


Ю. В. Наточuн. Катионы околоклеточной среды

Меншуткин В. В., Наточин Ю. В.
моделирование

процесса

(2008)

эволюции:

Имитационное
от

органиче­

ских макромолекул к протоклетке и клетке животных.

Журн. эвол. биохим. и физиол.

Меншуткин В. В., НаточинЮ. В.

44 (№ 4): 435-442.
(2011) Квантовые про­

цессы в эволюции регуляции живых систем (мате­
матическое моделирование). Журн. эвол. биохим. фи­
зиол.

(№

47

Наточин Ю.

3): 260-266.
В. (2009) Возникновение

мембран// Про­

блемы происхождения жизни. М.: ПИН РАН. С.

215-

228.
Наточин Ю. В.

(2005)

Роль ионов натрия как стимула в

эволщции клеток и многоклеточных животных. Па­

леонтол. журн. №

Наточин Ю. В.

4: 19-24.
(2006) Физико-химические

доминанты

физиологической эволюции: от протоклетки к чело­
веку.

Рос.

физиолог.

92(№

1): 57-72.

журн.

им. И. М. Сеченова.

Наточин Ю. В., Рыженко Б. Н., Галимов Э. М

(2008)

Роль солевого состава (К/Nа) водной среды в биоло­
гической эволюции// Проблемы зарождения эволю­
ции биосферы/ Под ред. Э. М. Галимова. М.: Книж­

ный дом <<.Тlиброком»!URSS. С.
Орбели Л. А.

(1961)

403-408.

Основные задачи и методы эволюци­

онной физиологии

// Л. А. Орбели.
1. С. 59--68.

Избранные труды.

Л.: Изд. АН СССР. Т.
Проссер Л.
ных. Т.

Розанов А.

(1977) Сравнительная
1. М.: Мир. 608 с.
Ю. (2003) Ископаемые

физиология живот­

бактерии, седимен­

тогенез и ранние стадии эволюции биосферы
леонтол. журн. №
Розанов А. Ю.

6.

С.

//

Па­

41-49.

(2009) Псевдоморфозы по микробам в
// Проблемы происхождения жизни.
М.: ПИН РАН. С. 158-165.
Салоп Л. И. (1982) Геологическое развитие Земли в до­
кембрии. Л.: Недра. 343 с.
Северцов А. Н. (1939) Морфологические закономерности
эволюции. Собр. соч. Т. 5. М., Л.: Изд-во АН СССР.
610 с.
Спирин А. С., Гаврилова Л. П. (1971) Рибосома. М.: Наука.
256 с.
Трахтенброд В. А., Бардзинь Я. М ( 1970) Конечные ав­
томаты (поведение и синтез). Наука. 400 с.
Холленд Х (1989) Химическая эволюция океанов и ат­
мосферы. М., Мир. 552 с.
метеоритах

229

Шахматова Е. И., Орлова О. Г, Рыбальченко О. В., На­

точин Ю. В. (2010) K+/Na+ в колониях молочнокис­
лых бактерий

Lactobacillus fermentum 94С. Журн.
46. № 2. С. 162-163.
Пlмальгаузен И. И (1940) Пути и закономерности эволю­
ционного процесса. М.; Л.: Изд-во АН СССР. 231 с.
Brake S. S., Hasiotis S. Т., Danally Н. К, Connors К. А. (2002)
Eukariotis stromatolite builders in acid mine drainage:
implications for Precambrian iron formation and oxygenation of the atmosphere? // Geology. V. 30. № 7.
Р. 599--602.
Brooks J. J., Logan G. А., Buick R., Summons R. Е. (1999)
Archean molecular fossils and the early rise of eukariotes // Science. V. 285. Р. 1033-1036.
Douzery Е. J., Snell Е. А., Bapteste Е., Delsuc F., Philippe Н.
(2004) The timing of eukaryotic evolution: Does а relaxed molecular clock reconcile proteins and fossils?
Proc. Nat. Acad. Sci. USA. V. 101. Р. 15386--15391.
Hansma Н. G. (2010) PossiЫe origin of life between mica
sheets. J. Theor. Biol. 266: 175-188.
Komosinski М, Adamatzky А. (2006) Artifical Life Models
in Software. NY. Springer. 289 р.
Maden В. Е. Н., Monro R. Е. (1968) Ribosome-catalyzed
peptidyl transfer // Eur. J. Biochem. № 6. Р. 309-316.
Monro R. Е., Marcker К А. (1967) Ribosome - catalyzed
reaction of puromycin ioth а formylmethionine-containly oligonucleotide // J. Mol. Biol. V. 25. Р. 347-350.
Mulkidjanian А. У, Bychkov А. Уи" Dibrova D. V, Galperin М У, Koonin Е. V (2012) Origin offirst ce11s at terrestrial, anoxic geothermal fields. PNAS. doi/10.1073/
pnas.1117774109
Natochin Уи. V (2009) Тhе Evolution of evolutionary physiology. Neuroscience & Behav. Physiol. V. 39. № 7.
Р. 709-716.
Natochin Уи. V, Janacek К., Rybova R. (1965) The swelling
of frog Ыadder cells produced Ьу oxytocin. J. Endocrin.
33: 171-177.
Nealson К. Н., Conrad Р G. (1999) Life: past, present and
future. Philos R. Trans Soc. Lond. В. Sci. 354(1392):
1923-1939.
Rivera М С., Lake J. А. (2004) The ring of life provides
evidence for а genome fusion origin of eukaryotes. Nature. 431(7005):134-137.
Traut R. R., Monro R. Е. (1964) Тhе puromycin reaction and
its relation to protein synthesis. J. Mol. Biol. № 1О: 63-72.
эвол. биохим. и физиол. Т.


ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТЬ ДЕТЕРМИНИЗМА
И МНОЖЕСТВЕННОСТИ

-

НЕОБХОДИМОЕ УСЛОВИЕ

СУЩЕСТВОВАНИЯ БИОСФЕРЫ

В. И. Баранов, Л. А. Грибов, И. В. Михайлов
Институт геохимии и аналитической химии им. В. И Вернадского РАН

l_gribov@тail.ru

Обсуждаются особенности формирования мира биомолекул как стадии общего эволюционного процесса,
приведшего к возникновению биосферы. Современная теория молекулярных процессов позволяет естествен­
ным образом объяснить некоторые ключевые наблюдаемые особенности формирования биосферы на первых
этапах появления молекулярного мира. Уже при усложнении молекулярных объектов начинают проявляться

важнейшие свойства, которые в дальнейшем становятся доминирующими в гораздо более сложных образова­
ниях: вирусы, клетки, бактерии и т. д. Показано, что

(1)

явления рождения и уничтожения (жизнь и смерть)

находятся во взаимодополняющих (по Бору) отношениях и принципиальны для самого факта существования
биосистемы;

(2)

детерминизм (генетический код) и разнообразие форм жизни также находятся во взаимодо­

полняющем соотношении;

первая стадия эволюции сопровождается ростом энтропии и описывается вто­

(3)

рым законом термодинамики;

(5)

(4)

самоорганизация и потребление негэнтропии

-

вторая стадия эволюции и

общее требование сохранения высокой энтропии системы выполняется при наличии наряду с преимущест­

венным путем эволюции множества менее вероятных.

Введение

~ биомолекулы ~ конденсированное вещест­
во и т. д. Для этого имеются веские основания.

Феномен жизни давно привлекает внимание

Есть некоторые прямые экспериментальные

ученых разных направлений; достаточно сослать­

подтверждения (реликтовое излучение) того, что

ся на классическую работу Э. Шредингера

(Schro-

все началось с так называемого Большого взрыва

Отправляясь только от фундамен­

и появления электромагнитного поля. Экспери­

dinger, 1944).
тальных

положений

физики,

нельзя,

конечно,

ментальный факт, сопровождающийся сейчас хо­

объяснить все разнообразие того, что обычно свя­

рошо

зывается с понятием «жизнь» (особенно ее выс­

большой плотности энергии в электромагнитном

ших форм). Однако этапы эволюции, приведшие в

излучении

конечном

тожения элементарных частиц.

счете

к

возникновению

жизни,

явно

шли от простого к сложному и с неизбежностью
включали

стадию

появления

принципиально не­

развитой

теорией,

возникает

показывает,

процесс

рождения

Следующий этап развития материи
зование

ядер

и

появление

что

и

-

при

унич­

обра­

электронно-ядерной

обходимых для жизни свойств уже на уровне

плазмы

микромира.

физической теорией. При охлаждении плазмы об­

Современная наука выделяет в общей стреле
эволюции

следующие

стадии:

электромагнитное

также обосновывается современной

-

разуются атомы.

Неизбежность

поле ~ элементарные частицы ~ атомы ~ про­

структур

стейшие молекулы ~ многоатомные молекулы ~

ются

-

образования

молекул,

плотные

более

в тех случаях,

сгустки

атомов,

Работа выполнена при поддержке Программы фундаменталь­
ных исследований Президиума РАН №

25

«Происхождение

биосферы и эволюция геобиологических систем».

(Жислин,

1960;

Шерешевский,

Жислин,

1973),

1971;

что

когда име­

также

современной теоретической физикой.

сложных

доказана

Показано

Антонец, Жислин,

находящиеся

близко

друг к другу совокупности ядер и электронов при


232

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

наличии только кулоновского взаимодействия мо­

ской науки. Одних уже известных первых прин­

гут образовывать стационарные системы, которые

ципов не хватает.

•

Ясно, что на уровне существования только

получили название молекул.

Обратим внимание на очень интересное, но

атомов и простейших молекул феномен жизни

далеко не всегда отмечаемое обстоятельство. До

возникнуть не мог. Необходимо появление гораз­

этого момента установлена, если так можно ска­

до более крупных образований. При этом прежде

зать,

всего требуется объяснить некоторые важнейшие

непрерывная

связь,

что

которая

появление

мерная

и

логическая

приводит к

заключению

молекулярного

эволюционная

Астрофизические

теоретическая

мира есть

стадия

развития

наблюдения

том,

для понимания эволюции живой природы законо­

законо­

мерности. Сформулируем те из них, которые же­

о

материи.

минувшего

века

позволили обнаружить в открытом космосе боль­

лательно обосновать в первую очередь.

1.

что мы называем жизнью, только в крупных

шое число свободных молекул разного строения,

молекулах. Или, другими словами, необходи­

в том числе и аминокислот. Всего на сегодняшний

день известно больше

до

300

мость

соединений размером

теоретические

кими логическими

построениями.

Речь

идет о

3.

Между тем, по теоретическим оценкам, чис­
ло различных

структур

для
8

аксиомам

строения органических соединений

-

валентности. Простая совокупность атомов с брут­

то-формулой С 6 Н 6 уже может существовать в виде
более сотни (верхняя оценка

217)

структур: бен­

зол, призман, бициклопропенил, бензвален и др.
Именно это разнообразие и не может пока пред­

скачкообразно

воз­

Определяющие

сам

факт

жизни

реакции

Сложные внутримолекулярные процессы, на­

центра.

5.

В биомолекулах, в частности при образова­
нии такой важной (базовой) молекулы как
ДНК, важнейшую роль играют водородные

связи. Можно говорить, что наличие большо­
го числа водородных связей является .одним
из необходимых компонент биомолекулярной

теории
правилам

должен

приемника внешней энергии и реакционного

совокупности

бутлеровской

не

пример фотосинтез, связаны с разделением

3040 атомов огромно - до 10 и более. Так для со­
вокупности атомов C 11 H12N202 уже получается
10
более 10 структур, не противоречащих фунда­
ментальным

объектов

дениях.

4.

1960; Жислин, 1971; Антонец, Жис­
Шерешевский, 1973), совокупности электро­

нов и ядер.

усложнения

дят при невысоких энергетических возбуж­

лину (Жислин,
лин,

молеку­

(химические реакции репликации) происхо­

ществования сложных молекул, но она не позво­

могут образоваться из устойчивой, согласно Жис­

числа

растающих затрат внешней энергии.

том, что физика может предсказать сам факт су­

ляет указать, какие конкретно структуры молекул

Процесс

требовать радикальных,

вот дальше в общефизической теории

сейчас существует пробел, незаполненный ника­

увеличения

чество.

2.

ментами.

Но

просто

ложнения для того, чтобы получить новое ка­

построения

четко коррелируют с разнообразными экспери­

не

лярных объектов, но их существенного ус­

40 атомов.
Следовательно,

Появление характерных особенностей того,

системы.

6.

Возможность накопления энергии и скачко­
образного ее

выделения и,

следовательно,

скачка мощности.

В данной статье мы обсудим только некото­

рые из этих проблем.

сказать теоретическая физика, несмотря на всю
мощь

современной

квантовой

теории.

Здесь

приходится прибегать к другим областям науки,
в частности к опыту химии, и использовать та­

1.

Появление детерминизма
в молекулярном мире

кие общие закономерности как правила валент­
ности и др.

Отметим один принципиальный момент, на

Вполне вероятно, что-то еще очень важное

который обычно не обращают внимание. Выше

пока ускользнуло от взора современной физиче-

было указано, что сборка молекул из атомов воз-


В. И. Баранов и др. Дополнительность детерминизма и множественности и существование биосферы

Таблица 1
Изменение числа изомеров состава С 10 Н 16 О

Число
изомеров

Нет
Требование выполнения правила
Бредта

Удаление структур с заведомо

маловероятными фрагментами
Запрет ациклических структур
Отбор структур, содержащих
шестичленные циклы

Запрет группы -С=СЗапрет группы >С=С=С<

Обязательный фрагмент

-СНгОН
Наличие 2-х групп -СН 3

Обязательный фрагмент

-СНгСНз
Наличие сопряжения (С=С-С=С)

Обязательный фрагмент
>С=С-СНгОН
Запрет фрагмента >С=С-СН 3

Обязательный фрагмент

восходящая

имеющиеся

оценки

этого

периода.

Отсюда следует, что должен существовать какой­
Отсеяно

то отбор.
Наличие такого отбора явно просматривает­

452 458

о

437 360

15 098

417 896

19 464

387 062

30 834

ся, если обратиться к результатам генерации изо­

мерных форм по заданной брутто-формуле и на­
ложенным ограничениям. Соответствующая тео­

13 931

373 131

13 316
12 834

615
482

1125

11 709

431

694

114

317

75

39

44

31

20

рия и компьютерная техника давно разработаны и
широко

используются

(Эляшберг,
табл.
ции

1.

1999).

в

экспертных

системах

Один из результатов показан в

Хорошо видно, что если процесс генера­

структур

идет

так,

что

новые

изомерные

формы образуются не просто из атомов, а уже из
достаточно крупных и структурированных объек­
тов,

то

разнообразие

получаемых

форм

резко

уменьшается. Другими словами, процесс «моле­

кулообразования» должен быть существенно бо­
лее быстрый (более высокая вероятность), чем
при генерации структур просто из атомов, и дол­

жен иметь ярко выраженный детерминированный

характер (уменьшение вариабельности

-

числа

возможных структур). Современные методы по­

24

4

(С) 2 С=С(С)2

велико, что от первичного взрыва до человека
пройдет целая вечность, на порядки величин пре-

при наложении структурных ограничений

Вид оrраничения

233

зволяют

даже

смоделировать

эту особенность.

Ниже мы рассмотрим, как это отражается на по­

16

ведении

энтропии,

а

здесь

только

укажем,

что

степень разнообразия растет не так быстро, как
можна тогда, когда подходящая совокупность ато­

это было бы при равновероятном образовании

мов группируется в достаточно малом простран­

изомерных молекулярных форм из сгустка плаз­

стве. Это соответствует плотной электронно-ядер­

мы. Это, в свою очередь, уменьшает интенсив­

ной плазме. Переход в молекулярное состояние

ность потока негэнтропии и приближает законо­

начинается только тогда, когда температура плаз­

мерность изменения энтропии к отвечающей ли­

мы уменьшается. Следовательно, не только не вво­

нейным процессам.

дится внешняя энергия в систему, но наоборот

Другой иллюстрацией наличия такого отбора

-

энергия удаляется из области пространства, где

является

происходит «молекулообразование».

вращений молекул. Она обусловлена различием

неравновероятность

структурных

пре­

Уже при рассмотрении этапа генерации мо­

величин необходимых деформаций при переходе

лекулярных структур с учетом их многообразия

в другие структурные формы, поскольку вероят­

при одном и том же атомном составе возникает

ность

реакционного
2

перехода

пропорциональна

вопрос: является ли появление любой из струк­

величине ехр(-Ь ), где Ь

тур результатом случайности или уже на ранней

имного смещения нормальных координат

стадии

щие

к

проявляются

закономерности,

детерминированности

приводя­

развития

всего

процесса?
В самом деле, ясно, что при равновероятных

2

-

квадрат модуля вза­

Q1

и

Q2

комбинирующих изомерных состояний, т. е. ми­

нимумов потенциальных ям этих состояний (Гри­

бов,

Баранов, Дементьев,

можно

ранжировать

2006).

возможные

В результате

пути

превраще­

путях генерации молекулярных образований из

ний одной изомерной формы молекулы в другую.

сгустков плазмы время образования «полезных

Пример показан на рис.

для жизни» молекулярных структур будет столь

Михайлов,

2008).

1

(Грибов, Дементьев,


Глава

234

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

l)•······t
i "'

t

2)~-А"" , ~
~

Рис.

1.

1 .....

•

3)

~
• 1

/
~-

."v

'-5)

Пути взаимопревращения изомерных структур

1-7

7)

с общей брутто-формулой СаНв. Степень жирности стрелок ха­

рактеризует величину вероятности перехода

Как известно, все процессы в молекулах сво­

2.

•

внутримолекулярные, при которых только по­

пример,

глощается

превращения).

или

излучается

энергия

в

виде

3.

электромагнитных волн (потока квантов);

•
•

При обычных оптических процессах перехо­
ды между такими точками не происходят (на­

дятся всего к трем типам:

не

происходят

изомер-изомерные

Химическому превращению, т. е. такому про­

процессы структурной изомеризации;

цессу, когда одна форма молекулы переходит

реакции синтеза (присоединения) и разложе­

в другую или слабо связанный комплекс пре­

ния.

вращается в устойчивую структуру (реакция

присоединения), сопоставляется переход от

Нам важны сейчас реакции присоединения.
Молекулярные
ложняясь,

и

нового мира

структуры,

привели

появлению

ус-

качественно

мира живых существ. Поэтому

-

принципиально

к

постепенно

важно

попытаться

выяснить,

ка­

кие важнейшие свойства уже сравнительно про­
стых

молекул

структур

могли

при

дальнейшем

привести

к

усложнении

появлению

первых

одной точки к другой в пространстве состоя­

ний. Вероятность такого перехода (который
связывается с мигрирующим волновым паке­

том)

максимальна

при

резонансе

уровней

энергии комбинирующих подструктур и оп­
ределяется соответствующим матричным эле­

ментом их взаимодействия.

признаков жизненных процессов. Этому и посвя­
щена настоящая статья.

Все последующие выводы основаны на тео­

2.

Следствия теории химических

рии молекулярных процессов, детальное изложе­

превращений

ние которой дано в монографии (Грибов, Бара­

молекул при биохимических

нов,

2006).

Эта теория базируется на небольшом

-

роль больших

процессах

числе фундаментальных положений. Перечислим
некоторые.

1.

На основании положений общей теории хи­

Локализованная в ограниченном пространстве

мических реакций можно сделать ряд выводов о

совокупность

появлении

атомов

может

находиться

в

стационарных состояниях, отвечающих струк­

турным изомерным формам (долгоживущие

свойств,

проявляющихся

только

в

крупных молекулах.

Во-первых, реакционное превращение моле­

состояния или слабо связанные комплексы).

кулярной

Эти состояния характеризуются точками в

молекулярного мира (усложнение) в результате

пространстве, представленном в нормальных

таких

координатах.

резонансных взаимодействий состояний подсистем.

системы

процессов

и увеличение многообразия

возникает

всегда как

следствие


В. И. Баранов и др. Дополнительность детерминизма и множественности и существование биосферы

Е

з

1

а

ь~

N

N-1

~

235

~

,...

с

Q
Рис.

2.

Накопление и выделение энергии в результате цепочки структурных превращений молекулярной системы. Яма с
номером

N отвечает

реакции разложения. Резонирующие уровни показаны более жирными линиями

Наиболее вероятна такая ситуация для крупных

сохранения энергии нарушаться не может. Про­

систем с большой плотностью уровней энергии.

тиворечие легко снимается, если учесть возмож­

Процесс идет по многим каналам, среди которых

ность накопления энергии в молекулярной системе

есть «вьщеленные» с наибольшей степенью ми­

за счет, например, цепочки изомерных превраще­

грации заселенности уровней. Само молекулярное

ний с получением в конце процесса структурной

превращение

является

безызлучательным

про­

формы с более высокой энергией

(«энергетиче­

цессом и не требует затрат энергии. Оно может

ски возбужденной») даже в основном состоянии

проходить

по сравнению с исходной (рис.

через

низковозбужденные

состояния

2,

структурные

(например, при оптическом возбуждении в ИК и

формы а, Ь,

видимом диапазонах света). Подчеркнем, модели­

воздействие (как своеобразный «спусковой крю­

... , z, 1).

Тогда относительно малое

рование показывает, что переходы осуществляют­

чою>) инициирует процесс последующих преоб­

ся через низкие по энергии состояния путем тун­

разований

нелирования, а не «перевала через барьер», как

с

выделением

на

конечной

стадии

большой энергии не за счет поглощенной энергии

часто считается. Здесь главным фактором, опре­

слабого воздействия

деляющим скорость (вероятность) реакции, явля­

энергии, предварительно запасенной в молеку­

ется «ширина» барьера, а не его высота. Энергия

лярной системе (рис.

активации не есть энергия высоты барьера

.. " N; ЛЕ > hv ).

-

она

( hv ),
2,

а за счет внутренней

структурные формы

1, 2,

Внутренняя энергия молекул накапливается

существенно меньше.

Во-вторых, при многоуровневом резонансе,

за счет химических процессов, приводящих к об­

что весьма типично именно для сложных молеку­

разованию нужной молекулярной структуры (а, Ь,

лярных систем, в которых высока плотность уров­

... , z, 1).

ней энергии, вероятность реакции увеличивается.

ходит постепенно, поэтому поток энергии при та­

Характерным для молекулярного мира явля­

ких процессах мал (малая мощность). Высвобож­

ется то, что существенный результат получается,

дение энергии быстрое, кратковременное. Поэто­

сплошь и рядом, при слабых энергетических воз­

му достигается большой энергетический эффект.

действиях. Более того, можно сказать, что многие
природные процессы идут с выигрышем энергии.

Накопление внутренней энергии проис­

В качестве наглядной модели, поясняющей

сказанное выше, выберем систему

Например, энергии поглощаемых глазом свето­

вых квантов явно не достаточно, чтобы вызвать
передачу соответствующих сигналов в нервной
системе,

приводящих

к

возникновению

соответствующих образов.

в

мозгу

Понятно, что закон

где А

-

онный

светоакцепторная группа,
центр,

R=COOH.

например,

R -

реакци­

карбоксильная группа

Эта система за счет последовательной


236

Глава

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

111.

миграции двойной связи, т. е. цепочки реакций,

кам,

может перейти в изомерную форму с двойной

тосинтеза является наличие воды и подходящих

свчью,

реакционным

растворенных в ней веществ. Это обеспечивает

Последователь­

создание резервуара «строительного материала»

расположенной рядом

центром

с

( A-{CHJ" -CH=CH-R ).

реакционном центре. Важным для фо­

-

ная цепочка реакций всегда идет в направлении

и его подвод. Как известно, в сухом растении

наиболее

фотосинтез не идет. При этом неизбежно возни­

глубокой

1 --t 2 --t ... --t N).
процесс

ямы

В

(рис.

превращения

2,

результате

осуществляется

передачи полученного сигнала (погло­

щенного кванта света) по цепи к реакционному

центру. Наиболее глубокая потенциальная яма,
отвечающая

конечному

состоянию

системы,

по­

лучится для бимолекулярной реакции разложе­
ния. Крайне важно, что процесс такой миграции
не зависит от длины цепи

-

все заселение пере­

носится в состояния конечной ямы

в реакци­

-

онный центр. В результате реакции разложения

реакционного центра (например, для

лекулы СО 2 ) выделится запас внутренней энергии.
как

правило,

ной среде.
Для осуществления такой передачи сигнала
возбуждения от группы-акцептора к реакционно­
му центру во внутримолекулярном пространстве

необходима

цепочка

изомерных

превращений.

Причем цепочка тем больше, чем дальше друг от
друга расположены в молекуле акцептор внешне­

го воздействия и реакционный центр.

R=COOH

реакция декарбоксилирования с образованием мо­

Поскольку,

кает большое количество промежуточных про­
дуктов, т. е. процесс должен происходить в слож­

Возможна ли «силикатная

3.

ЖИЗНЬ»?

рассматриваемые

процессы происходят в жидкой среде, и, следова­

Близкое структурное сходство некоторых ор­

тельно, есть «резервуар», содержащий различные

ганических и кремнийорганических соединений

молекулы и осуществляющий их «подвод» в нуж­

(например,

парафинов

и

силанов)

и

сходство

ное место, то возможно восстановление исходной

электронного

молекулярной

ния, что отражается и в сходстве их атомных ор­

структуры

запас

внутренней

когда при реакции

разложения

энергии (N --t ... --t
В

случае,

и

строения

общая энергия системы резко падает (очень глу­
бокая яма), процесс структурных превращений

и

крем-

моменты порождают мысль о возможности того,

что можно назвать «силикатной жизнью».
В

связи с новыми взглядами на механизм

всегда развивается в одном направлении (Гри­

элементарного

бов, Баранов,

появилась

терминированность

углерода

биталей, давно отмечено исследователями. Эти

1).

2006).

атомов

Обнаруживается явная де­
процесса

передачи

сигнала

и энергии.

при

возможность

химических
рассмотреть

реакциях
некоторые

факторы, влияющие на ход химических реакций,
ранее

Таким образом, рассматриваемая модельная

акта

ускользавшие

от

внимания

при

сопоставлении геометрических форм

простом

органиче­

система способна принять сигнал в виде светово­

ских и кремнийорганических молекул. Конечно,

го кванта

хорошо было известно и то, что для взрыва смеси

передать его в форме электронно­

hv ,

колебательного

возмущения

(вибронный

меха­

метана и кислорода требуется существенное ло­

низм) на некоторое расстояние и преобразовать в

кальное

химический сигнал с выделением малой молеку­

реакция окисления

лы и энергии ЛЕ

SiH4

в смеси с

а

аналогичная

02

идет уже при

гораздо более низких температурах. Тем не менее,

> hv .

Характерным примером природного явления,
отвечающего

повышение температуры,

такому модельному

примеру,

явля­

ется фотосинтез. Хорошо известно, что при фото­

идея «силикатной жизни» снова и снова обсужда­

ется в литературе. Обсудим эту проблему.
Простейшая

теория

химических

реакций

синтезе поглощение световой энергии осуществ­

(включая и реакции структурной изомеризации)

ляется в одном молекулярном фрагменте

основана на

-

фото­

модели

перевала

через

потенциаль­

акцепторе, достаточно локализованном в объеме

ный барьер, разделяющий комбинирующие со­

молекулы, а реакция идет в другом, удаленном на

стояния (химические формы) молекулярных объ­

значительное

ектов. Путь реакции отвечает геодезической кри-

расстояние

по

молекулярным

мер-


237

В. И Баранов и др. Дополнительность детерминизма и множественности и существование биосферы

вой, соединяющей минимумы энергетических ям

BU12

ров). Энергия возбуждения (активации) реакции
определяется

расстоянием

по

шкале

энергии

НЕ12

~

BU13

~

BUc13

~

от

минимума ямы исходной молекулярной структу­

ры до седловой точки потенциального барьера.
Видно, что в такой модели эффект массы вообще

отсутствует. Простейший способ учета этого эф­
фекта

заключается

энергию

активации

в
не

том,

чтобы

отсчитывать

BU12·D3

от минимума энергетиче­

N

D

ской ямы, а от энергии нулевых колебаний. Заме­
атома на более тяжелый даже при полной неиз­

D

менности электронного состояния приведет к то­

му, что частоты колебаний либо уменьшатся, либо

останутся (некоторые) неизменными. В результа­

В более сложной модели учитывается поло­

реакций

к

изменениям

статистической

суммы по состояниям. Для моделей, учитываю­

N

~

D D

D

D D

.._....

D&D
D

Е!!!!-

о'-=

~

!!ЕЕ!

D-E!!!!__/

~

о~=

D'=-=<~

AM-D,

__/D
D

D'--

AM·D,

тельных уровней, что приводит в теории темпера­
турных

D

~

АМ

уменьшаться.

жение не только нулевого, но и других колеба­

ок:У'

..........

тивации реакции должна всегда увеличиваться по

-

"#

Do

ется при таком замещении и поэтому энергия ак­

сравнению со случаем «легкой» модификации, а

~

D D

&~

те нулевой колебательный уровень всегда снижа­

~

~

~

D

BUc1З-D 6

~

.._....
.._....

N'

тим теперь, что замена в молекуле хотя бы одного

скорость реакции

~

~

двух квантовых под структур (структурных изоме­

!!EE!~D

~

DD
14с-=-=

АМ-"С

14С!!!!!!-

~

щих и туннельные переходы, это может привести
к исчезновению или появлению квантового резо­

Рис. З.

нанса состояний и, соответственно, также к изме­

Изомерные превращения ряда молекул: аллен ~
~ метилацетилен (АМ), бутен-1 ~ бутен-2

(BU12),

гексен-1 ~ гексен-2 (НЕ12), бутен-1 ~ бутен-3 для

нению скорости реакции.

«линейной»

(BUc13) форм и
(BU12-0 3, ВU13-Ов,
14
BUc13-Ов, АМ-01, АМ-0 2 , АМ-0 3 , АМ- С)

Во всех традиционных моделях принимаются

(BU13)

и «изогнутой»

их изотопоэамещенных вариантов

во внимание лишь энергетические факторы.
Рассмотрим еще один важнейший фактор, ко­
ного

торый ранее не обсуждался.
Следствием изложенных выше основных по­

преобразования

(BU12-D 3)

BU12

дейтерозамещение

приводит к уменьшению величины а

ложений общей теории химических превращений

на порядок, а для

является то, что наряду с чисто энергетическими

BUcl3-D 6)

характеристиками надо учитывать еще и измене­

личению. Отметим также, что нет прямой зави­

ния форм колебаний при изменении масс атомов

симости величины эффекта от «степеню> изотопо­

даже при сохранении изоэлектронности. Проще

замещения,

всего это можно показать на примере дейтероза­

преобразования АМ, когда одно- и двукратное

мещения.

дейтерирование приводит к очень сильному и ко­

-

BU13

и BUclЗ

(BU13-D 6

и

к аналогичному по значению уве­

что

хорошо

видно,

например,

для

Результаты, иллюстрирующие изменения при

личественно одинаковому эффекту (~ 1О\ а при

изотопозамещении вероятностей безызлучатель­

трехкратном дейтерировании эффект практически

ных переходов, показанных на рис.
ны в табл.

2.

3,

представле­

Видно, что величины а могут ме­

отсутствует. Как было показано ранее методами
компьютерного эксперимента,

при таких измене­

няться очень сильно, иногда на порядки, причем

ниях величин молекулярных параметров кинетика

изотопозамещение

«разнонаправ­

химического процесса структурного превращения

ленные» эффекты. Так, например, для структур-

может существенно меняться, приводя не только

может

давать


238

Глава

111. Теоретические

и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

Таблица2
Влияние изотопозамещения на величины частот

Соотношения норм вектора Ь ( \\Ь\\

квантовых биений а, определяющих вероятности

,

Таблица

(N -

изомерных превращений молекул

количество элементов Ь;

3

его структуры

),

заданной величины),

интегралов наложения колебательных волновых функ­
Изомерные переходы*

ций

WA

А

в

Юв

BU12

BU12-D3

10

BU13

BU13-D 6

10-1

BUclЗ

BUcl3-D6

10-1

АМ

АМ-D1

10-3

АМ

АМ-D 2

10-3

АМ

АМ-D 3

1

АМ

АМ-14С

10- 1

Обозначения см. на рис.

*
-

«инверсии»

лучаемых

Изомерные

переходы*

3.

ских превращений

(Gribov, Baranov, Zavalii, 2005).

Изотопные эффекты при реакциях с дейтеро­
замещением

Н---+

D,

конечно,

большие, чем при замещении

12

С

значительно

---+

14

С, но и в

этом случае они достигают порядка величин по

частоте квантовых биений резонирующих уров­
ней, а соответственно, и вероятностей безызлу­
чательных переходов. Получающиеся эффекты в
некоторых случаях существенно превосходят те,

в

BU12

BU13

20~22

BU12

НЕ12

20~20

BU12

BUc13

BUl2

BUl2-Dз

изменениями положений уровней

при

сохранении

условий

резонанса

важнейшую роль играет вектор сдвига Ь. Причи­
ны отличий векторов сдвига Ь для разных изо­
мерных превращений вполне ясны из выражения

Ь = Q01iPq, где q -

вектор изменений геомет­

рии в естественных координатах (изменения рас­
стояний между атомами, валентных углов и т. д. ),

а

Qi, LP -

и

матрицы амплитуд нулевых колебаний

сопряженных

импульсов

исходного

изомера.

Это различие либо величин изменений геометрии

q,

либо форм колебаний, характеризуемых мат-

рицей

LP,

либо и тех и других одновременно.

В случае изотопозамещения, при котором вектор

q

вообще не меняется, вторая причина изменения

вектора Ь и, как следствие, вероятности перехода

является единственной.

104

104

7~5

10

10

8~12

7~6

2

102

8~8

7~6

10

10

6~6

10-1

10-1

8~

20~23
18~21

Wв

7~7

8~7

18

?.5

!:!А_

(Svv)в

15

12~

10

10

Хорошо известно, что при изотопозамещении

формы нормальных колебаний (особенно при за­
мещении

могут сильно меняться (Воль­

H-+D)

кенштейн, Грибов, Ельяшевич, Степанов,

1972).

Это и приводит к тому, что меняется вектор Ь и,
следовательно,

величины

интеграла

наложения

колебательных функций Svv, частоты квантовых
биений а и вероятности структурных преобразо­
ваний (в частности, для приведенных в табл.

2

примеров).

Действительно (см. табл.

3),

го молекулярного превращения
мещение

энергии.

Даже

20~

Ь;

(Sv.)A

* Обозначения см. на рис. 3.

которые возникают при учете только факторов,
связанных с

J<;,b; <5

А

по­

в результате фотохимиче­

NA~Nв

[[ь[[А ~ [[ьffв

BUclЗ BUc13-Dб

соотношения количеств

продуктов

и частот квантовых биений а для разных изомерных превращений молекул

к количественным, но и к качественным измене­
ниям

Svv

(BU12-D 3)

для структурно­

BU12

дейтероза­

приводит к таким изменени­

ям форм колебаний, что реализуется первый из
отмеченных

выше

длина вектора Ь

,

механизмов

-

изменяется

что и приводит к уменьшению

а на порядок. Для молекулярного превращения

BUclЗ при дейтерировании
но

разнонаправленное

(BUc13-D 6)

действие

характер­

одновременно

обоих механизмов: хотя норма вектора Ь сущест­
венно

увеличивается,

что

должно

приводить

к

уменьшению интеграла перекрывания, изменение

компонент вектора Ь из-за изменения форм коле­

баний столь значительно, что в итоге

Svv и ll

увеличиваются на порядок. Это сложное влияние

изменений форм нормальных колебаний на ко­
личественные

характеристики,

определяющие

вероятность процесса структурного превращения
молекул,

и

приводит к

тому,

что

изменение

ха­

рактеристик процесса может иметь разный знак,


В. И Баранов и др. Дополнительность детерминизма и множественности и существование биосферы

239

а кинетический изотопный эффект может быть

многостадийным и в высокой степени самосогла­

«разнонаправленным». Заметим, что по тем же

сованным, то вывод о том, что появление «сили­

причинам изменение вероятности может быть и

катной жизни» является крайне маловероятным,

пренебрежимо

становится неизбежным.

малым

даже

при

значительных

изотопных изменениях в молекуле, как, например,

это имеет место для изомерного перехода АМ при

замещении трех атомов Н на
Разумеется,

эффект,

D

(см. табл.

в целом,

2).

уменьшается

при изотопозамещении с незначительными изме­

нениями масс атомов из-за меньших изменений

Н*

форм колебаний, например 12 С ~ С по сравне­
нию с Н ~ D, хотя и в этом случае он может быть
14

Н;

значительным.

Проведенный анализ показывает, что в тео­

Рис.

4.

рии структурных превращений молекул при ис­

Структурная формула молекулы С4Н10 с обозначе­
ниями атомов

следовании даже простейшего изотопного эффек­
та необходимо учитывать не только влияющий на

4.

него энергетический фактор, но и вероятностный,
обусловленный

изменениями

вероятностей

бе­

времени при эволюции

зызлучательных переходов из-за изменений форм

нормальных колебаний.
приводить

к

весьма

Второй

фактор

значительным

по

Энтропия и стрела
биосферы. Детерминизм

может

и множественность

величине

Усложнение молекул приводит к росту разно­

эффектам, поскольку вероятность переходов мо­
жет изменяться на порядки величин, что, в свою

образия в системе и к появлению низкочастотных

очередь,

колебаний молекул. Это должно сопровождаться

только

может

приводить

количественным,

менениям

кинетики

но

к
и

процесса

существенным,

не

качественным,

из­

структурного

пре­

ростом

энтропии.

сложности

Лишь

молекулярных

затем

с

нарастанием

структур

появляются

эффекты, которые и принято называть самоорга­

вращения.

Вернемся теперь к вопросу, поставленному в

низацией. Обычно такой процесс самоорганиза­

самом начале раздела. Сравним формы колебаний

ции связывается с появлением отрицательных по­

молекулы С 4 Н 10 (рис.

и модельной структуры

токов энтропии (негэнтропия) и в общем виде

отличающейся от С4Н10 только заменой

описывается в терминах неравновесной нелиней­

Si4H 10 ,

4)

при полной неизменности

ной термодинамики. Обратим внимание, однако,

геометрического и электронного строения первой

на то, что такое описание не позволяет выделить

масс атомов С на

Si

(сохранены все колебательные координаты и си­

эволюционный путь наиболее вероятного разви­

ловые постоянные). Проведенные расчеты пока­

тия. Между тем в природе это явно прослежива­

зали, что при простом замещении, таком как С на

ется. Далее, бросается в глаза устойчивость био­

уже радикально меняются формы нормальных

сферы при непрерывном и быстром исчезновении

Si,

колебаний, а значит и волновые функции.

и

воспроизведении отдельных ее составляющих.

АЬ initio расчеты ИК-спектров молекул С4Н10
Si4H 10 демонстрируют различия и в распределе­

Поэтому в дальнейшем будем пользоваться тер­

нии электронной плотности, что и находит свое

важно то, что главным признаком феномена жиз­

отражение

ни является не просто акт синтеза какой-то более

и

в

значениях

силовых

постоянных

и

смещениях частот Х-Н и Н-Х-Н колебаний.
Если теперь учесть все сказанное выше о ве­

минами «рождение» и «смерты>. Принципиально

сложной

структуры

из

набора

составляющих

(самоорганизация), а то, что такая более сложная

роятностях химических реакций и их зависимо­

структура

сти от форм колебаний преобразующихся при ре­

разложения две одинаковые более простые (реп­

акциях структур, и тот факт, что базовый для все­

ликация). Конечно, каждая из пары образовав­

го феномена жизни процесс репликации является

шихся при репликации структур должна быть

способна

производить

в

результате


240

Глава

111. Теоретические и

экспериментальные исследования предбиологических химических систем

среды как раз и

определяется равновесием рож­

дения и смерти. Поэтому в любой математической

,

модели необходимо учитывать эти два факто­
ра,

2
~

находящиеся

во

взаимодополняющих

соот­

ношениях. В точном соответствии с принципом

..

a3,s

4 (CAB•D)=F(CAD•C)

дополнительности Бора (Бор,

5 (ACD•B)=F (CDB•A)

Бор,

1961;

1971),

уклонение в любую из крайностей приводит к
исчезновению жизни как явления.

Введем, пользуясь описанием причинно-след­

6

(АСОВ)

(CABD)

ственных связей как импликаций, а также воз­
можностью сформировать на этой основе адек­
ватную систему в простейшем случае линейных

дифференциальных уравнений с постоянными
коэффициентами, следующую модель процесса

(рис.

5).

Первым на рис.

5

обозначено состояние сис­

темы как исходного (конечного) резервуара, со­
держащего одновременно некоторые химические

объекты А, В, С и

D,

из которых в виде их комби­

наций могут формироваться более сложные со­
единения. Точки между буквенными символами
Рис.

5.

Схематическое изображение состояний модельной
системы и их возможных превращений. Вероятно­

сти превращений обозначены как

означают логическое умножение. В состояниях
и

3в

образовались структуры АВ и

a;,j

2

системе в результате реакций присоединения

CD

соответственно,

но при этом сохранились и индивидуальные объ­
более сложной, чем те, которые имеются в ис­

екты (С и

ходном наборе.

Дальнейшее усложнение структур за счет присое­

Сам процесс усложнения структур

(самоор­

Dв

состоянии

2иАи

В в состоянии

3).

динения третьего компонента приводит к состоя­

ганизация) распространен и в неживой природе

ниям

(например, появление крупных кристаллов), но

ются

самопроизвольной репликации нет.

одного состава. Возможный для этих состояний

Непрерывный процесс появления в результа­
те химических реакций и стадии репликации пар

сложных структур неизбежно должен привести к
исчерпыванию исходных простых форм вещества

4

и

5.

Наконец, в состояниях

синтезированными

две

6

и

разные

7

оказыва­

структуры

изомер-изомерный переход, при котором образу­

ются слабосвязанные комплексы

[ АВ · · · АВ) или

[CD···CD], приводит к узловому состоянию 8.

и к исчезновению стрелы передачи информации.

При последующем распаде комплексов (димеров)

Термином «стрела передачи информацию> мы бу­

система оказывается в состояниях

дем характеризовать процесс

ветствующих удвоению количества структур АВ

передачи наследст­

CD,

венных признаков от объектов-родителей к по­

или

томкам. Легко заключить, что такая стрела может

сформировавшихся в состояниях

длительно существовать только при наличии фе­

щий затем распад АВ и

номена смерти,

-

реплицированных

в данном случае, разложения
пар

на

исходные

составляю­

щие. Математически это можно изобразить вве­

стояние

9

или

1О,

соот­

т. е. происходит репликация соединений,

1

CD

2

и

3.

Следую­

и возвращение в со­

согласуются со сказанным выше о не­

обходимости смерти и являются условиями воз­
никновения стационарности.

дением соответствующей обратной связи. Именно

Важной особенностью рассматриваемой мо­

единство рождения и смерти и обеспечивает су­

дели является возможность репликации (удвоения

ществование самого феномена жизни.

числа) как структур АВ, так и структур

Наблюдаемое в природе равновесие и неиз­
менность по составу биосферы и окружающей

CD.

Это

означает, что допустимы два пути возможной эво­
люции

путем

итеративного

размножения

упоря-


В. И Баранов и др. Дополнительность детерминизма и множественности и существование биосферы

241

дочения, возникшего в виде более сложных, чем

ранее соединений. При установившемся

исходные, соединений АВ или

нарном) режиме на этом участке соответствую­

CD.

Все описанные стадии вполне возможны с
точки зрения теории химических реакций. Конечно,

(стацио­

щие концентрации будут связаны с вероятностями
превращений:

эту схему можно либо упростить, либо усложнить.
Однако первое привело бы к потере представления
о последовательных химических превращениях в

ходе процесса, а второе

-

к излишней детализа­

ции, не повлияв при этом на общие выводы.

Тогда для отношения числа реплицированных
структур АВ к числу реплицированных структур

Приписав всем возможным импликациям свои

CD справедливо выражение

вероятности а1,2, а 1 , 3 и т. д., получим следующую

систему уравнений,

отвечающую

!!:i_ = _a_s._9 . _а_1о_,1

рассматривае­

мой цепочке превращений:

dn
-dt1

Это означает, что отношение п9 / п10

= -а1 ' 2n1

-а, 3п1

,

+ ag ',119 + а,о ,1n10'

прямо

пропорционально отношению вероятностей появ­

ления состояний

и

9

1О

и обратно пропорцио­

нально отношению вероятностей их исчезнове­

ния. Например, если для состояния
появления в

( lXs,9

2 раза

=2l4;,ю ),

вероятность

больше, чем для состояния

1О

а вероятность смерти, наоборот,

в 2 раза меньше ( а10, 1
ном

9

режиме

= 2~. 1 ),

концентрация

структур АВ будет в

4 раза

то в стационар­

реплицированных

больше концентрации

реплицированных структур

CD.

Поскольку все

ве.riичины aiJ связаны с вероятностями химиче­
ских реакций, то можно сделать вывод о том, что
некоторые сочетания значений этих вероятностей
могут

приводить

к

существенному

выделению

предпочтительного пути воспроизведения.

Обсудим результаты модельных расчетов.

Первый модельный расчет (рис.

6)

отвечает

примерному равенству вероятностей развития со­
бытий на всех стадиях. Поэтому заметного пре­
имущества нет

ни у

одного

из

двух возможных

эволюционных путей.
Рисунок
Здесь под nk можно понимать относительную

концентрацию

соединения

(или

соединений),

11рисутствующих в k-ом состоянии системы, или

условную заселенность k-го состояния. Решение
пой системы уравнений при начальных условиях

11 1(t = О)

=1и

nk(t = О)

11роследить развитие

=О

для всех

k i- 1 позволяет

всего процесса во

времени

11ас

представляет

участок

8~(9,10)~1,

отве­

•шющий собственно за репликацию появившихся

демонстрирует,

что

произойдет,

если мы рассмотрим ситуацию, когда lXs,9

и

~. 1

< аю, 1 .

> lXs,10

Это означает, что соединение АВ

воспроизводится быстрее и является более устой­
чивым, чем соединение

CD.

Остальные вероятно­

сти превращений те же, что в первом расчете.

Видно, что эволюция по пути
~

8~ 9

вплоть до установления стационарного режима.

Особый интерес в схеме превращений для

7

1~ 2 ~ 4 ~ 6 ~

является подавляющей.

При более быстром воспроизводстве струк­
тур

CD,

обладающих при этом меньшим време­

нем жизни, получится картина, подобная пока­
занной на рис.

8.


242

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

%засел.

%засел.

,.

0.9

0.9

о.в~

о.в~

0.7 ~

0.7 ~

0.6

0.6

0.5

0.5

0.4

0.4

0.3

о.з

0.2

0.2

5
Рис.

10

15

20

25

п10

5
Рис.

8.

ствующих в k-ом состоянии системы соединений

(nk)

...

-

t, усл.ед.

Зависимости относительных концентраций присут­

6.

__ ... ""- ----------... "
20

15

10

пе

t, усл.ед.

25

Зависимости относительных концентраций присутст­
вующих в k-ом состоянии системы соединений

от времени при близких значениях всех вероят­

< а8 , 10

времени для случая, когда а8 , 9

ностей ац

(nk)

от

< а10, 1

и а9 •1

тересный вопрос. Речь идет о поведении энтро­

%засел.

пии. Воспользуемся определением энтропии как
0.9

меры

вырождения

системы

в

некотором

состоя­

0.8 ~

нии. В данном случае в силу особенностей поста­

0.7 ~

новки задачи и уже упомянутой выше проблемы

0.6 ~

передачи информации изучим поведение энтро­
пии информации. Как известно, между энтропией

0.5 -;

в обычном понимании и энтропией информации

~.

0.4

имеется пропорциональная связь.

о.з

В нашем случае значение энтропии информа­
ции естественно определить как

H(n,t) = (ln2)-

1

l:>k lnn; 1
k

5
Рис.

7.

10

15

25 t, усл.ед.

20

при условии, что

вующих в k-ом состоянии системы соединений (пk) от
времени для случая, когда а 8 • 9

> а8 , 10

< а10, 1

и а9 ,1

L

nk

=

1 , где

nk -

заселенности

k

Зависимости относительных концентраций присутст­

состояний. На рис.

энтропии Н(п,

t)

9

представлены зависимости

от времени для двух вариантов

развития событий, отвечающих рис.
Если теперь считать, что в процессе случай­

6 и рис. 7.
1, а все
nk(k*- 1) =О. По­

В начальный момент времени п 1 =

ного перебора возможных сочетаний имеющихся

другие значения заселенностей

в наличии исходных химических структур (в на­

этому Н(п,

шей модели их роли играют объекты А, В, С и

котором выделенный канал заселенностей отсут­

D)

возникло выгодное сочетание вероятностей раз­

ствует (рис.

t =О)= О.

6),

Отвечающая процессу, при

пунктирная кривая на рис.

9

пока­

множения некоторой более сложной, чем исход­

зывает, что вначале значение энтропии быстро

ные,

можно

увеличивается, затем проходит через некоторый

связать с появлением генетического кода, то даль­

максимум и далее становится постоянным. Эта

низкоэнтропийной

структуры,

что

нейшее накопление воспроизводящихся объектов

область постоянства соответствует установивше­

будет

муся стационарному режиму. Возникшее разно­

преимущественно

отвечать

такому

коду.

Появится выделенный канал эволюции.
Приведенные выше результаты расчетов ки­
нетики реакций позволяют рассмотреть один ин-

образие по nk (вырождение) сохраняется, поэтому
Н(п,

t) = const >О.

Такой ход значения энтропии

понятен: заселенность п 1 резко падает, все

nk

ста-


В. И. Баранов и др. Дополнительность детерминизма и множественности и существование биосферы

....

H(n,t)

,

nk > О. Поэтому можно сделать вывод о том, что
феномен жизни возможен не просто как результат

',-~~---------------------

3

243

самоорганизации,

но

еще

и

химических процессов, что

2.5

многостадийности

и является характер­

ным во всех биохимических реакциях, в том чис­
2

ле и реакциях репликации.

Возвращаясь к формуле для отношения n9/n 10 ,

1.5
---рис.

--рис.

6
7

отметим, что возрастание относительной концен­
трации структур, реплицирующихся по выделен­
ному

0.5

каналу,

по

сравнению

с

концентрациями

конкурирующих структур может стать еще более
выраженным при наличии дополнительных менее

5
Рис.

9.

10

20

15

25

Зависимость энтропии информации Н(п,

t, усл.ед.

t) от вре­

мени. Сплошная кривая соответствует случаю, когда

а8 ,9

> а8 ,10

и а9 ,1

< а10 , 1

(рис. 7), пунктирная -

мерному равенству всех вероятностей a;J (рис.

при-

6)

вероятных каналов репликации (в нашем случае
это

соответствовало

добавлению

возможности

размножения структур третьего типа). Таким об­

разом, наличие нескольких путей эволюции при
определенных условиях может не только не ме­

шать, но и способствовать выделению преиму­

новятся отличными от нуля и при близких значе­
ниях заданных вероятностей превращений в уста­
новившемся режиме

не

сильно

отличаются друг

ОТ друга.

щественного направления. Важно отметить, что

увеличение комбинаторных возможностей реп­
ликаторов при их усложнении приводит не толь­

ко к возрастанию числа альтернативных путей

Сrшошная кривая на рис.

9 отвечает случаю по­
(рис. 7): fk) »nk (k;r.9).

развития, но и к более вероятному появлению

Качественная закономерность прежняя, но силь­

зрения внешних условий (температуры, свойств

ное возрастание

среды, характеристик излучения и т. п.). Други­

явления выделенного канала

с

остальными

заселенности п 9 по

приводит

нию величины Н(п,

t)

к

сравнению

существенному паде­

на участке стационарности.

В целом получается, что вначале, когда еще толь­

среди этих путей особенно выгодного с точки

ми

репликации,

энтропия

всегда

возрастает.

сложность

мира

жизни

является

ры в целом.

ко начинается накопление структур АВ в резуль­
тате

словами,

также необходимым условием развития биосфе­
Усложним

моделируемую

систему,

считая,

что имеется уже не два пути эволюции, а множе­

Дальнейшее нарастание количества структур АВ

ство (десятки, сотни и более). По-прежнему со­

приводит уже к понижению (причем существен­

храним один выделенный путь, а для всех осталь­

ному) значения энтропии. Можно сделать вывод о

ных примем, что вероятности развития процессов

том,

по этим путям приблизительно

что

начальная

стадия

процесса

генерации

одинаковы, но

структур АВ (самоорганизация) подчиняется за­

всегда меньшие, чем по выделенному. Для харак­

кону возрастания энтропии и может происходить

теристики изменения энтропии введем отношение

в замкнутых системах. Дальнейшее нарастание

дS = Smax
- S
где S~v
Smax '
"~
00

структур АВ возможно только в открытых систе­
мах при обязательном воздействии внешней сре­

ды и потреблении энтропии.
Принципиально важно еще и следующее. Эн­

S

ние энтропии, а

t ~ оо .

максимальное значе-

-

значение энтропии при

дS

характеризует величину

00

Видно, что

-

t

тропия возрастает и значение ее стремится, в ко­

падения значения энтропии при

нечном счете, к постоянной величине Н(п,

нению с максимальным значением,

=

const >О (!)

t)

=

только тогда, когда весь процесс

перехода от начала

(A•B•C•D)

~ оо

по срав­

достигнутым

в начальный период.
Рисунки

к (АВ•АВ) совер­

1О

и

11

показывают, как меняется

шается через много стадий, причем смерть со­

энтропия при возрастании числа путей эволю­

стояния (АВ•АВ) и обратная связь с

ции

(A•B•C•D)

являются необходимым условием и того, что все

N.

Общий характер зависимости энтропии от

времени и переход через максимум от числа путей


Глава

244

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

s

потоки

компенсируют

друг

друга,

хотя

иниции­

рующие их факторы различны.

N =11

Учтем теперь, что в линейном приближении
величина потока энтропии (скорость ее производ­

dS
- )

ства

растет с ростом степени неоднородно­

dt

сти (гра,r 1 иента неоднородности

N=1

вии с выражением

ds = L-,
as

-

дх

dt

as )

-

дх

где

в соответст-

L -

характе­

ристика термодинамических сил. Чем быстрее
меняется энтропия, т. е. быстрее идет процесс са­
о

Рис.

5

10.

15

10

Зависимость энтропии

S

20

от времени

количествах путей эволюции

t

t,усл.ед.
при разных

моорганизации, тем больше должны быть вели­
чины

L

и

дS

-

дх

N

. Природа,

как известно, скачков «не

любит» и наиболее вероятны те процессы, в кото­

os

рых переход из одного состояния в другое проис­

0.4

ходит достаточно плавно. В нашем рассуждении

это означает, что
0.3

бS

не должно быть слишком

велико. В свою очередь, это возможно только то­
гда, когда имеется большое разнообразие путей
эволюции.

Сделанный выше на основе самых общих
представлений об энтропии и химических пре­

0.1
100

о

Рис.

11.

200

N

300

Зависимость величины падения энтропии
количествах путей эволюции

не зависит (рис.

1О).

11 ).

от

N

при возрастании числа путей эволюции

(т. е. при росте разнообразия биообъектов), а сле­

меняется

линейной термодинамике таких процессов под­

С ростом числа

тверждается результатами экспериментов по изо­

путей она вначале резко уменьшается, а потом
стремится к некоторому постоянству. Это очень

топному фракционированию элементов и соот­
ветствующих теоретических расчетов (Галимов,

Ширинский,

важно.

Уменьшение энтропии во времени после про­
хождения

пии б S

довательно, и приближении в результате этого к

Величина же б S

весьма существенно (рис.

oS

вращениях вывод об уменьшении «скачка» энтро-

максимума

понятно:

возникает

доста­

ков,

1975; Galimov, 1985; Галимов, Поля­
1990; Галимов, 2001; Galimov, 2004). Это рас­

пределение согласуется с тем, которое предсказы­

точно устойчивое количество более сложных, чем

вается расчетами /3-факторов, базирующихся на

исходные, структур АВ. Это всегда есть необхо­

законах равновесной термодинамики.

димое условие, определяющее саму возможность

Обратим внимание еще на следующее. Об­

самоорганизации. Перейти в состояние АВ вся

щим законом является то, что любое развитие и

исходная система

не может, так как то­

появление нового идет через флуктуации и воз­

~О и любые процессы прекратятся. Нуж­

можно только при их достаточно высоком уровне,

на «смерть», чтобы установилось равновесие и

а следовательно в системах с большим запасом

гда

S

(A•B•C•D)

именно за счет

энтропии. Правда, условие это необходимое, но

появления череды «отцов» и «детей». Интенсив­

не достаточное. Надо еще, чтобы некоторые из

ность самоорганизации определяется потоком не­

флуктуаций были способны к самонарастанию.

гэнтропии от

Например, флуктуации в идеальном газе при вы­

система существовала при

t

~ оо

(A•B•C•D) к АВ, а интенсивность
дезорганизации обратным потоком от АВ к
(A•B•C•D). При установившемся равновесии эти

сокой температуре могут быть очень велики, но к
новому качеству они не приводят.


В. И Баранов и др. Дополнительность детерминизма и множественности и существование биосферы

245

Еще один очень характерный пример: репли­
кация гена идет аналогично раскрытию застежки­

молнии (рис.

12).

При этом выполняется как прин­

цип близкодействия, так и требование высокой эн­
тропии. В самом деле, в ансамбле одновременно
присутствует множество объектов с разными ста­
диями образования генерируемых структур.
Все перечисленное явно указьшает на то, что
мы встречаемся с одним из проявлений принципа

дополнительности Бора (Бор,

1961;

Бор,

1971).

В данном случае эта дополнительность может быть

сформулирована следующим образом: определяе­
мая генетическим кодом детерминированность раз­

вития

биосферы

и

разнообразие

составляющих

биосферу объектов находятся во взаимодополняю­
щих соотношениях. Исчезновение одной из частей

этой пары с неизбежностью ведет к исчезновению
биосферы и самого феномена жизни. Необходим
хорошо согласованный баланс всех образующих

биосферу компонент, которые друг по отношению к
другу должны находиться в состоянии устойчивого
равновесия. Человечество, по-видимому, инстинк­

тивно чувствует необходимость сохранения этого

равновесия, все в большей степени обращая внима­

Рис.

12.

Эффект «застежки-молнии» при репликации гена

ние на решение экологических проблем.

Литература

Заключение
Конкретизируем некоторые общие выводы.

•

Главным признаком жизни является эффект
репликации

-

знаков

отца к

«от

передачи наследственных при­
сыну»,

и

появление

соот­

ветствующей стрелы времени.

•

Явления рождения и уничтожения (жизнь и

Бору) отношениях и принципиальны для са­

мого факта существования биосистемы.
Детерминизм (генетический код) и разнооб­
разие форм жизни также находятся во взаи­

Первая стадия эволюции сопровождается рос­
том энтропии и описывается вторым законом

Самоорганизация и потребление негэнтро­
пии

-

вторая стадия эволюции.

Общее требование сохранения высокой эн­
тропии системы выполняется при наличии на­
ряду

с

преимущественным

множества менее вероятных.

системы п частиц

//

2. С. 235-245.
Бор Н. (1961) Атомная

путем

гамильтониана

(1973)

квантовой

Теор. и матем. физика. Т.

16.

физика и человеческое познание.

152 с.
[Bohr N. (1958) Atomic physics and human knowledge. N. У.: John Wiley & Sons, 101 р.]
Бор Н. (1971) Избранные научные труды. М.: Наука.
т. 2, 676 с.
Волькенштейн М В.,
Степанов Б. И

Грибов Л. А.,

(1972)

ред. физ.-мат. лит. изд-ва Наука.

(2001)

эволюции

Ельяшевич М А.,

Колебания молекул. М.: Глав.

700

с.

Феномен жизни: между равнове­

сием и нелинейностью. Происхождение и принци­

пы эволюции. М.:

URSS. 256

Галимов Э. М, Поляков В. Б.

термодинамики.

•

спектре

№

Галимов Э. М

модополняющем соотношении.

•

О дискретном

М.: Издательство иностранной литературы,

смерть) находятся во взаимодополняющих (по

•

Антонец МА., Жислин ГМ, Шерешевский П. А.

ски

упорядоченном

с.

(1990)

О термодинамиче­

распределении

изотопов

рода в биогенных геохимических объектах
химия. №

9.

с.

угле­

Гео­

1232-1240.

Галuмов Э. М, Ширинский В. Г
распределение

//

изотопов

(1975)

углерода

Упорядоченное
в

индивидуаль­

ных соединениях и компонентах липидной фракции
организмов// Геохимия. №

4.

С.

503-528.


Глава

246

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

Грибов Л. А., Баранов В. И

(2006)

Теория и методы рас­

чета молекулярных процессов: спектры, химические

'f

превращения и молекулярная логика. М.: КомКни­
га/URSS.

480 с.
(2006)

К вопросу о теории процессов в реакционных цен­

трах многоатомных молекул

8.

с.

//

Изв. Акад. наук, сер.

1267-1273.

Грибов Л. А., Дементьев В. А., Михайлов И. В.

(2008)

Матрицы смежности и графы химических пре­

вращений// Журн.
с.

структ.

химии.

Т.

49.

№

2.

211-214.

Жислин Г М

( 1960)

Исследование спектра оператора

Шредингера для систем многих частиц// Тр. Моск.
матем. общества. №

Жислин ГМ

(1971)

№

3.

//

Теор. и матем. физика. Т.

7.

С.

332-341.
Эляшберг М Е. (1999)

Экспертные системы для установ­

ления структуры органических молекул спектральны­

Грибов Л. А., Баранов В. И., Дементьев В. А.

хим. №

лекулярных ионов

9.

С.

81-120.

О конечности дискретного спектра

оператора энергии отрицательных атомарных и мо-

ми методами //Успехи химии. Т.

68. № 7. С. 579-б04.
(2004) Phenomenon ofLife: Between Equilibrium and Non-Linearity // Origins ofLife and Evolution ofthe Bioshere. V. 34. No 6. Р. 599-бlЗ.
Galiтov Е. М (1985) Тhе Biological Fractionation of Isotopes. N. У.; Toronto etc.: Academic Press. 262 р.
Gribov L. А., Baranov V. !., Zavalii М V. (2005) Computer
modelling of photochemical processes // Russian Journal of Physical Chemistry. V. 79. Р. Sl54-S160.
SchrOdinger Е. (1944) What is Life? The Physical Aspect
of the Living Cell. Cambridge University Press. (Шре­
дингер Э. (1972) Что такое жизнь с точки зрения
физики? 2-е изд. М.: Атомиздат. 88 с.)
Galiтov Е. М


ПЕРВИЧНЫХ НОСИТЕЛЯХ СЕЛЕКТИВНЫХ ФУНКЦИЙ

0

В. А. Аветисов
Институт химической физики им. Н. Н. Семенова РАН.

avetisov@chph. ras. ru

Статья посвящена обсуждению эволюционной роли и физических свойств первичных носителей селек­
тивных функций

-

«молекулярных машин», способных осуществлять точные операции с объектами атомного

масштаба на фоне тепловых флуктуаций. Это одна из центральных проблем теории предбиологической эво­
люции. Тезис о том, что основное содержание предбиологической эволюции заключается в создании прецизи­
онной технологии конструирования сложных молекулярных структур как основы формирования операцио­
нальных систем химической природы, является в данной статье исходным. Он следует из ограничений, поро­
ждаемых сложностью систем, вовлекаемых в процессы естественного отбора. Эти же ограничения позволяют

сформулировать ряд общих требований к физическим свойствам первичных носителей селективных функций.
Второй тезис статьи заключается в том, что биологические объекты являются «автономными агентами»,

т.е. операциональными системами с функциональным замыканием специфическая структура

-

специфиче­

ская функция, и ему подчинены структурно-химические особенности биологических носителей селективных

функций (например, гомохиральность ДНК, РНК и белков). Однако их динамические свойства могут быть
вполне общими для носителей специфических функций типа молекулярных машин. Исследованию этого во­
проса посвящена вторая часть статьи, показывающая, что в динамическом отношении молекулярные машины

(в частности, белковые молекулы) устроены весьма специальным образом. Их пространства состояний и энер­

гетические ландшафты обладают иерархической упорядоченностью таксономического типа со свойством
масштабного самоподобия. Такая упорядоченность, как предполагается, может быть положена в основу поис­
ка физических механизмов образования первичных носителей селективных функций в статистически контро­
лируемых условиях.

ми, которые обнаруживаются в объектах, относи­

Введение

мых нами самими к так называемой «живой при­

Проблема возникновения жизни все еще да­

роде». Этого, как выясняется, уже достаточно для

лека от своего решения. Ее современное состоя­

появления нетривиальных, с точки зрения физи­

ние можно скорее охарактеризовать 1<ак поиск тех

ки, вопросов.

«правильных» вопросов, которые, возможно, при­

ведут 1< приемлемым сценариям (см. например,
( Origiп of Life апd Evolиtioп of the Вiosphere, 2007;
Zhиravlev, Avetisov, 2006-2011)). Данная статья по­

Прежде всего, очертим ту «сцену», на кото­

рой поставлены вопросы данной статьи. Начнем с

того, что молекулярные носители «биологической
информации» и «биологических функций» (ДНК,
1

священа одной из центральных тем современной

РНК и белки ) есть специфические последова­

дискуссии в этой области (см., например,

тельности. Поясним смысл этого термина. Мы

l.'t

al., 2012;

Fernaпdo,

Rowe, 2008))-

(Vasas

содержани­

называем

последовательность

(в

более

общем

ию предбиологической эволюции, имея в виду

смысле, стрУJ<туру) специфической, если вероят­

возникновение не самого феномена жизни, пока

ность

нс

поддающегося

определению,

ее появления при полностью

случайной

а молекулярных

структур, с теми вполне физическими, вполне на­
блюдаемыми и вполне определяемыми свойства-

В данной статье термин «белки» понимается как функцио­
нальные белки, т. е. «ферменты».


248

Глава

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

111.

(некоррелированной)

сборке

исчезающе

Примером является гомохиральность

'

2

-

мала.

дезокси-

мих вопросов необходимо определить, что такое
«исчезающе

малая

вероятность»,

«селективная

рибоза и рибоза в ДНК и РНК имеют D-конфи­

функция», и в каком смысле тут понимается «пред­

гурацию, а аминокислотные остатки в белковой

биология».

цепи

L-конфигурацию. Свойство гомохираль­

-

ности важно для всего механизма биологической

«Исчезающе малые

1.

репликации. Комплементарное соответствие, ле­
жащее в основе считывания и трансляции генети­

вероятности», «селективные

ческой информации, генетический код, да и сами

функции» и «nредбиология»

пространственные структуры ДНК, РНК и белков
невозможны без гомохиральности. При сборке

На самом деле, в том, что в «живой природе»

ДНК, РНК и белков хиральная конфигурация звень­

мир специфических структур существует в окру­

одной

жении селективных функций, нет никакой избы­

ошибки на длину цепи. Поэтому в «живой природе»

точности. За этим стоят принципиальные физиче­

гомохиральные последовательности существуют в

ские ограничения и эти ограничения определяют

среде

такие

ев контролируется очень точно, меньше

(энантио )селективных

функций. С другой

понятия,

как

«исчезающе

мер) сами являются гомохиральными последова­

гия». Обсудим эти ограничения, удерживая в поле

тельностями,

зрения логику работ

этом

смысле (энантио)селек­

функция»

«предбиоло­

(Eigen et al., 1988;

тивные функции существуют в среде гомохираль­

Гольданский,

ных последовательностей. Заметим, что ДНК, РНК

сти, в технические детали.

1996)

и

вероят­

стороны, носители таких функций (белки, напри­

и в

«селективная

малая

носты>,

Аветисов,

и не вдаваясь, по возможно­

и белки есть специфические последовательности

1.1.

и в отношении чередования звеньев полимерной

цепи

оснований (А,

-

T(U), G,

лотных остатков (см., например,

С) и аминокис­

вероятностях»

(Pande, 1994)).

В действительности, уже одного этого факта дос­
таточно, чтобы поставить вопрос о взаимоотно­

шениях между специфическими структурами и
селективными функциями. В частности, могли ли
процессы отбора специфических структур осуще­
ствляться без селективных функций? Или могли
ли носители селективных функций быть не спе­

цифическими структурами? Такие вопросы пред­
ставляют очевидный интерес для изучения тех

Об «исчезающе малых

Начнем с банальных вещей. Рассмотрим по­
следовательности длиной

вых»

(L)

и «правых»

(D)

N,

например, из «ле­

звеньев. Число всех воз­

можных последовательностей равно 2N. Выберем
определенную последовательность, скажем, гомо­

последовательность из L-звеньев. Далее, предста­

вим процесс

сборки

такой

последовательности

как пошаговый случайный процесс с выбором на
каждом шаге звена из двух возможных вариантов

(L

и

D).

Если выбор звена полностью случаен,

стадий эволюции, которые принято относить к

т. е. (условная) вероятность появления

«предбиологии».

на каждом шаге равна

1/2,

LиD

звена

то вероятность собрать

Итак, нас будут интересовать отношения ме­

гомо-последовательность в одной попытке равна

жду специфическими структурами и селективны­

тN. Пусть число генерируемых последовательно-

ми функциями в предбиологии. Это, однако, еще

стей может достигать числа Авогадро ~ 10 24 . Тогда,

не вопрос, а лишь желание. Для постановки са-

при случайной сборке доля гомо-последователь­
ностей среди всех прочих будет превышать мас­

Сейчас, в отличие от того, что активно обсуждалось, скажем,
еще

15

лет назад, вопрос о возникновении свойства гомохи­

ральности, как правило, скромно замалчивается. Мы наме­

ренно обратились к этому вопросу, напоминая тем самым,
что,

во-первых,

он так и

остался нерешенным и, во-вторых,

что гораздо важнее, длительные и безуспешные попытки его
решения оказались весьма ценными и привели к тем общим
для эволюционной теории вопросам, некоторые из которых

обсуждаются в данной статье.

штаб

флуктуации

числа

последовательностей

(~ 10 12) при N < 40. Иначе говоря, пока длина по­
следовательностей N не превышает нескольких
десятков звеньев, любая наперед назначенная по­
следовательность может быть физически реализо­
вана. О селективности сборки, т. е. преимущест­

венном выборе определенного звена на каждом


В. А. Аветисов. О первичных носителях селективных функций

249

шаге сборки цепи, тут можно не заботиться. Если

рождения жизни, означает лишь то, что любая

в системе «лабораторного масштаба» созданы ус-

случайная реализация обязана тут быть в той или

ловия для самой сборки, то любая назначенная

иной мере удачной.

последовательность длиной в пару-тройку десят-

ков звеньев будет обнаружена «почти наверное».

Что есть «селективная

1.2.

В этом смысле, никакая последовательность дли­

ной

N < 40

любой особенной структуры (не важно, в чем
именно эта особенность заключается, в гомохиральности, чередовании звеньев разного типа или

в чем-то еще) не требует селективных функций.
В ходе эволюции такие структуры вполне могли
возникать статистически.

Понятно, что с ростом числа попыток (мас­

штаба вовлеченных в сборку ресурсов), ограни­
чение на сложность структур (длину последова­

тельности) при их неселективной сборке слабеет.
Тем не менее, это ограничение остается, и оно ос­

тается сильным для любой физической системы.

Например, даже когда в процесс сборки 2-бук­
венных последовательностей вовлечены ресурсы

«космологического» масштаба, скажем, -10 по­
N""' 75. Веро­
50

пыток, все будет ограничено длиной

ятность обнаружить любую наперед заданную по­
следовательность длиной в

чезающе малой (<10-

25

длинах,

функция»?

не является «специфической». Сборка

скажем,

в

).

100

звеньев будет ис­

О существенно больших

несколько

сотен

или

Рассуждения выше показывают, что отбор
«специфических
большого

числа

структур»

из

альтернатив

комбинаторно

может

осуществ­

ляться только «селективными функциями», реа­
лизующими точную сборку самих структур. Но

что есть «селективная функция»? Можно ли что­
то сказать о точности, с которой должны осуще­

ствляться

операции,

чтобы

структуры,

вероят­

ность случайного появления которых «исчезающе

мала», появлялись с физически осмысленной ве­
роятностью? Исчерпывающий ответ на этот во­

прос бьm получен в работе

(Eigen et а/., 1988)

из

анализа модели «естественного отбора» последо­
вательностей. Работа

(Eigen et а/., 1988)

имеет

фундаментальное значение для теории эволюции
и является исходной для вопросов данной статьи.

Остановимся на ней подробнее.
Модель естественного отбора, рассмотренная
в

(Eigen et а/., 1988), -

это типичная эволюцион-

пая модель, определяемая уравнениями вида

тысяч

звеньев, и говорить не приходится.

Это ограничение принципиальное, поскольку
масштабы Вселенной не позволяют реализовать

число попыток радикально больше, чем (условно)

1050 . И в этом смысле все эволюционно реализо­
ванные последовательности в ДНК, РНК и белках
являются «специфическими». Живое, и это факт,
существует там, где доля физически реализуемых
последовательностей среди всех возможных аль-

тернатив исчезающе мала

з

.

Природа лишена тут

возможности «перебора» всех вариантов. Число
попыток,

имеющихся

в

ее

распоряжении,

на­

столько мало в сравнении с числом альтернатив,

(1)
где

S;, i = 1, 2, ... , п,

есть численность структуры

го вида, например, 2-буквенной последовательно­
сти,

п

-

число

ее

альтернативных

вариантов.

Производство структур поддерживает набор се­
лективных функций, которые в модели задаются
константами скорости репродукции и «естествен-

ной гибели», k( и k;- соответственно, (условной)
вероятностью

w; точной сборки структуры i-го

что «Запоминание случайного выбора», к которо­
му так часто апеллируют в различных теориях за-

i-

w ji

вида и вероятностью

появления структуры

j-го вида при сборке структуры i-го вида с ошиб­
ками. Такие события учитывает последняя сумма
Заметим, что вопрос о возникновении жизни как природного

феномена возникает только в космологических теориях с
«конечной Вселенной», таких, например, как теория Большо­

го Взрыва. В «бесконечной Вселенной» феномен жизни явля­
ется ее атрибутом по определению, и можно ставить вопрос

только о появлении жизни, например, на Земле. Но это уже
другая тема.

в правой части уравнений

(1 ).

При этом считает­

ся, что появление ошибочных копий есть стати­

стически независимые

случайные

события,

за­

данные распределениями с конечной дисперсией.

Поэтому модель

(1 ),

с физической точки зрения,


250

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

относится к моделям типа «реакция-диффузия».

цессов приводит к сильным ограничениям на точ­

В этом легко убедиться, переписав уравнения

ность операций, которая требуется для «естест­

( 1)

'f

венного отбора» специфических структур.

в виде

Технические детали решения системы урав­
нений

(2) можно найти в оригинальной работе
(Eigen et а/., 1988), а здесь мы поясним только са­
мо поведение модели (2). Вначале рассмотрим
(2)

роль кинетической части, представленной <<реак­
циями». Выключим диффузионную часть, пред­
положив, что воспроизводство объектов осущест-

Первое слагаемое в правой части уравнений

описывает «реакции», а второе слагаемое
фузию»

пространстве

(2)

«диф­

вляется абсолютно точно

( W; = 1, wii = О). В этом

случае модель ведет себя просто

-

за счет «попу­

последовательностей.

ляционного давления» будет отобран «ВИД» (по­

Помимо репродукции и «естественной гибели», в

следовательность) с наибольшей «жизнеспособ-

число

в

-

реакций

включено

также

неселективное

«популяционное давление» (параметр

kpop ),

со­

храняющее общую численность последователь­
ностей постоянной.

Главная (и единственная) особенность моде­
ли

(2)

заключена в высокой размерности простран­

ства последовательностей, на котором развивается

стохастическая эволюционная траектория4 . Это
важно, поскольку свойства стохастических траек­
торий существенно зависят от размерности про­

странства. В частности, в одномерном или двух­

мерном (евклидовом) пространстве все траекто­
рии случайного блуждания возвратные. Однако в
пространствах высокой размерности вероятность

вернуться остается физически значимой только
для небольших уклонений от начальной точки, и

чем

больше

размерность

пространства,

тем

меньше должно быть уклонение. В терминах эво­
люционной модели

(2)

«возвращение» понимает­

ся как появление точной реплики в результате че­
реды

ошибочных репродукций.

Невозвратность

почти всех траекторий случайного блуждания в
пространстве высокой размерности означает, что
если при репродукции достаточно длинной по­

следовательности

в

ней накопилось небольшое

число ошибок, то вероятность появления ее точ­
ной копии даже на очень длинной (физически,

бесконечно длинной) линии потомков будет «ис­
чезающе малой». В действительности, именно это

фундаментальное свойство стохастических про-

ностью» (наибольшим значением (ki+ -k;) ). Да­
же очень небольшое превышение жизнеспособ­
ности одного вида над всеми остальными приве­
дет к полному вытеснению из ареала всех осталь­
5

ных видов • Необходимо сказать, что в литературе
можно встретить утверждение, что репродуктив­

ные процессы автокаталитического типа способ­
ны «превращать абсолютно невозможные собы­

тия (вероятность 10(вероятность

множество вершин N-мерного метрического гиперкуба

1)» (см.,
2008)),

Варфоломеев,
ще

малых

)

т. е. у проблемы «исчезаю­

вероятностей»

имеется

тривиальное

кинетическое решение. Это элементарное заблу­
ждение. Оно основано на рассмотрении только

что описанной ситуации, когда функции, осуще­
ствляющие нужные для отбора операции (напри­
мер,

каталитические

функции),

обладают

или

автокаталитические

«абсолютной

селективно­

стью». Для понимания механизмов эволюции, од­

нако, содержателен анализ другой ситуации, когда
возможны ошибки, т. е. когда селективность функ­

ций не абсолютна, и анализ только такой ситуа­
ции

раскрывает

отношения

между

сложностью

структур и селективностью функций.

Рассмотрим теперь свойства модели

(2)

тересует, насколько неточными могут быть репро­
дуктивные функции, чтобы отбор определенных
вариантов (из комбинаторно большого числа аль­
тернатив) все еще мог осуществляться. Оказыва­
что

точность

выполнения

операций

не

должна быть ниже некоторого критического зна-

(N -

длина последовательностей), наделенное расстоянием Хем­
минга.

с

«диффузионной» частью. Напомним, что нас ин­

ется,
Для последовательностей эволюционное пространство есть

в абсолютно достоверные
например, (Vaifoloтeev, 2007;

100

Демонстрация дарвиновской идеи естественного отбора.


В. А. Аветисов. О первичных носителях селективных функций

чения, названного в

(Eigen et а/., 1988)

251

«барьером

Подчеркнем еще раз, что речь тут идет о точ­

ошибою>. В противном случае, возникает случай­

ности операций, а не о скорости их выполнения.

ная генерация произвольных вариантов, и вероят­

В частности, если говорить о носителях катали­

ность появления любой наперед назначенной по­

тических функций (с прицелом на ферментатив­

следовательности становится «исчезающе малой».

ный катализ, как часто и бывает в различных сце­

В эволюционных пространствах высокой размер­

нариях предбиологической эволюции), то речь,

ности переход от режима «естественного отбора»

прежде всего, должна идти

к режиму «случайной генерацию> происходит скач­

тализа, а не о каталитической активности как та­

кообразно и имеет характер критического явле­

ковой. Обсуждение тут каталитической активности,

ния, названного в

(Eigen et а/" 1988) «катастрофой
6
ошибою> . Отметим, что когда число альтернатив

например, протеиноидов Фокса лишено всякого

становится порядка числа Авогадро, критическое

белки и РНК как «первичные» молекулярные ма­

поведение уже имеет место.

шины

«Барьер ошибою> определяется простым ус­

содержания.

С

также

другой

о селективности ка­

стороны,

представляется

рассматривать

сомнительным,

по­

скольку РНК и белки, как отмечалось выше, есть

ловием: среднее число ошибок при сборке струк­

«специфические последовательности», для сбор­

туры не должно превышать

(по порядку вели­

ки которых нужны те же молекулярные машины.

чины), т. е. каждая из собираемых структур, в

Вопрос о физических свойствах «первичных» мо­

среднем, должна иметь не более одного «ошибоч­

лекулярных машин, которые, с одной стороны,

ного» элемента. Физическая причина такого огра­

должны бьmи выполнять функции так точно, как

1

в пространствах вы­

это требовалось для отбора специфических струк­

сокой размерности вероятность «вернуться» оста­

тур в предбиологии, а с другой стороны, могли

ется физически значимой только для небольших

возникать и существовать в абиогенных условиях

уклонений от начальной точки.

и в этом смысле должны были не быть специфи­

ничения пояснялась выше

-

Заметим, что точность сборки ДНК, РНК и

ческими структурами, в действительности, весьма

белков в клетке удовлетворяет этому требованию.

нетривиальный, поскольку, на самом деле, у нас

Она выше «барьера ошибою>. В ходе эволюции

нет тут прямых прототипов. И если все-таки об­

природе действительно пришлось иметь дело с

ращаться именно к белкам и РНК, то прежде сле­

«катастрофой ошибок». Когда число альтернатив

дует

комбинаторно велико, и их «случайный перебор»

рассматриваться как прототипы «первичных» но­

невозможен, для эволюционного развития требует­

сителей селективных функций.

определить,

в

отношении

чего

они

могут

ся высокая точность всех необходимых операций.
Предбиологическая эволюция, мы полагаем,
заключалась, прежде всего,

О физических свойствах

2.

в создании прецизи­

онной технологии манипулирования на атомно­

«Первичных» носителей

молекулярном уровне и образовании на этой ос­

селективных функций

нове операциональных систем. Дальнейшая эво­
к

То, что «первичные» носители селективных

появлению первых биологических объектов как

функций должны были обладать нетривиальными

автономных носителей системных функций. В этом

физическими свойствами, можно увидеть уже из

люция таких систем привела,

в конце концов,

контексте вопрос о физических свойствах и струк­

простых физических соображений (Аветисов, Голь­

турных прототипах «первичных» носителей селек­

данский,

тивных функций, первичных «молекулярных ма­
шин», способных осуществлять точные операции
на

молекулярном

уровне,

представляется

одним

из центральных вопросов теории предбиологиче­
ской эволюции.

Имеется глубокая аналогия между катастрофой ошибок в

эволюционных системах и фазовыми переходами в физиче­
ских системах

(Leuthiiusser. 1987; Tarazona, 1992).

1996; Avetisov, Goldanskii, 1996).

Пусть для сборки структуры необходимо сде­
лать

N

операций

( N » 1 ), q

есть (условная) ве-

роятность ошибки в одной операции,
роятность

правильного

Введем параметр

1- q -

выполнения

операции.

r = ((1- q )- q) = 1- 2q , характе­

ризующий точность операций. Согласно

etal., 1988),

ве­

среднее число ошибок

(qN)

(Eigen

при сбор-


Глава

252

....

111. Теоретические и экспериментальные

При сборке «сложных» структур

71)

~

исследования предбиологических химических систем

( N > 200 )

энергия

дискриминации селективных функций должна бьrгь

х

«11

::r

61)

~

51)

значительно больше kT ( ЛЕ ~ 5 + 7 kT) (см. рис. 1).

~

"

Иначе говоря, носители селективных функ­
ций должны быть способны обеспечить точную

ID

s
s
::r

4.0

ж:

s
s

ориентацию

область перехода
(пред6иолоrическая эвотоция)

«11

молекулярных

рыве химической связи и, следовательно, должны

зл

~

взаимодействующих

фрагментов, например, при образовании или раз­

обладать свойствами, так сказать, «твердой мате­

а.

:i::

u

рии»

21)

~
о:

s

1.0

"

"
ж:

энергии

дискриминации

растет

лога­

рифмически медленно, так что один и тот же тип

о.о

11)

от сотен и более ограничение снизу на

N

величину

а.

Отметим, что для числа опе­

(solid matter).

раций

so

о

100 ISO 200 2SO 300

эsо

400 450

soo

обеспечить

N

сложность структур

носителей селективных функций мог, в принципе,
эволюционный

отбор

«больших»,

«очень больших», «гигантских» и даже «суперги­
Рис.

1.

Зависимость критической точности сборки от слож­

гантских» систем, сборка которых требует сотни

ности структур,

(белки), тысячи (РНК), миллионы (ДНК), милли­

представленная

гии дискриминации

изменением энер­

с ростом длины собираемой

последовательности. Затемненная область отвеча­

арды и даже триллионы (клетка) операций. В этом

ет точности выше барьера ошибок

смысле эволюция от «больших» операциональ­
ных систем к «гигантским» и «супергигантским»

ке структуры не должно превышать единицы. От­

не нуждается в радикальной смене типа носите­

сюда

лей селективных функций.

следует

простое

ограничение

на

точность

Однако для промежуточных структур (услов­

операций:

(3)
Положим, что вероятность ошибки определя­

ется больцмановским фактором:

q=

но, от

50 звеньев

и до

100-150 звеньев)

возникают

диаметрально противоположные требования к но­

сителям селективных функций. С одной стороны,
энергия дискриминации должна быть сушествен­

ехр( - E 1/(kT))
exp(-E1/(kT))+exp(-E2 /(kT))'

r=tь(:}

но выше

kT

и,

следовательно, носители таких

функций также должны были обладать свойства­
ми «твердой материю>. Но при этом, поскольку в
этом интервале

энергия дискриминации

N

ЛЕ

быстро растет с ростом

N,

ладать

свойствами

«мягкой

Е 1 и Е2 -«активационные барьеры» включения в

matter),

чтобы иметь возможность сушественно

структуру ошибочного и правильного элемента со­

менять селективную способность при усложне­

ответственно. Энергия дискриминации ЛЕ = Е1 - Е2

нии структур. С физической точки зрения это оз­

где k -

константа Больцмана, Т -

характеризует
Условие

(3)

носитель

температура,

селективной

функции.

ограничивает снизу энергию дискри­

минации с тем, чтобы избежать «катастрофы оши­
бою>, и тем самым определяет физические свойст­

что

вижность

материи»

флуктуационно-динамическая

«первичных»

носителей

(soft

под­

селективных

функций должна была обладать свойством много­
масштабности,

которая

могла

обеспечить

их

функциональную избыточность и эволюционную

ва носителя.

Рассмотрим теперь, как должна меняться энер­
гия дискриминации с ростом сложности структур

при условии

начает,

и

они должны бьmи об­

(3)

(рис.

1).

Напомним, что для сборки

«простых» структур (условно,

N < 50)

селективные

функции не требуются. Любая «простая» структура
может быть реализована даже при случайной сборке.

адаптивность

в

условиях

предбиологического

развития. Заметим, что функциональная избыточ­
ность и эволюционная адаптивность носителей

селективных функций, вообще говоря, не являют­
ся необходимыми на стадии биологической эво­
люции,

однако

они

не

ограничивают

эволюцию


В. А. Аветисов. О первичных носителях селективных функций

253

Эти простые соображения наводят на мысль,

2009; Avetisov et а!., 2009а; Avetisov et а!" 2009Ь; Аветисов и др" 2009; Аветисов
и др., 2011)). Мы ограничимся здесь лишь одним

что те свойства «первичных» носителей, которые

из последних эпизодов, главным образом, для ил­

были необходимы на предбиологической стадии

люстрации

эволюции, но не обязательны на биологической

макромолекулярной и супрамолекулярной приро­

стадии

ды,

операциональных систем в направлении роста их

функциональной сложности.

эволюции,

могли,

тем

не

менее,

быть

тисов, Бикулов,

нетривиальности

особенно

характерных

«сложных

для

систем»

предбиологии.

унаследованы биологическими носителями. Под­

Имея дело с такими системами, природа, возмож­

черкнем, что здесь мы говорим не о химизме бел­

но, сталкивалась с теми же проблемами, что и

ков и РНК, а о тех их динамических свойствах,

теория, и решала их так же, как и теория.

которые

присущи

им

как

молекулярным

маши­

нам. Эти свойства могут оказаться «реликтовы­
ми»,

и

в

О флуктуационно-динамической

2. 1.

отношении только таких «реликтовых»

подвижности белка

свойств РНК и белки могут рассматриваться как
Говоря о флуктуационно-динамической под­

прототипы «первичных» носителей селективных

функций • При этом мы полагаем, что класс струк­

вижности белковой молекулы, можно представить

тур, обладающих подходящими динамическими

такую

7

свойствами, много шире, чем собственно РНК и
белки. Мы хотим подчеркнуть, что РНК и белки

-

последовательность

пример,

изменения

заряда,

событий

после,

присоединения

на­

моле­

кулы субстрата или ингибитора в активном цен­

это весьма специальное семейство молекулярных

тре белка (см" например, (Блюменфельд,

машин, реализующих вместе с ДНК функцио­

Наиболее сильные изменения электронной струк­

нальное замыкание

«специфическая

туры и геометрии активного центра и субстрата

структура» ~ «специфическая функция». Такое

происходят за время колебательной релаксации

замыкание является базовым для структурно-функ­

( r ~ io- 13 + io- 12 сек.). Такие практически мгно­

циональной организации клетки, но оно не обязано

венно

быть «первичной» функцией в предбиологии.

только

(Rosen, 1991)

реализующиеся

молекулу

изменения

субстрата

и

1977)).

затрагивают

непосредственно

В следующих разделах мы обсудим те струк­

контактирующие с ней атомные группы активного

турно-динамические свойства носителей специ­

центра белка. После окончания релаксации коле­

фических функций, которые были «вычисленьш

бательных степеней свободы субстрат и его бли­

из соответствующих свойств белков, и которые,

жайшее окружение оказываются в новом локально

как мы думаем, могут быть реликтовыми. Флук­

уравновешенном

туационно-динамическая подвижность белковых

белковой молекулы остается неизменной. Возникает

молекул, как выясняется, демонстрирует не толь­

стерическое

ко многомасштабность, но и «скрытую упорядо­

сацию белковой молекулы к новой равновесной

ченносты>

конфигурации. Такая релаксация должна прохо­

масштабное самоподобие, и этим

-

состоянии,

напряжение,

а

остальная

инициирующее

часть

релак­

нативные белки радикально отличаются от не­

дить через множество стадий, требующих коллек­

функциональных структур, подобных денатури­

тивных движений в условиях топологических и

рованному белку, случайной полимерной глобуле

энергетических ограничений различного масшта­

или протеиноиду Фокса.

ба. Поэтому локальное напряжение, вызванное в

Рамки данной статьи не позволяют изложить
все результаты этих длительных и оригинальных
в

техническом

отношении

теоретических

иссле­

дований (см.

(Avetisov et а!" 2002а; Avetisov et а!.,
2002Ь; Avetisov et а!., 2003; Аветисов и др" 2004;
Avetisov, Bikиlov, 2008; Аветисов и др., 2008; Аве-

активном

РНК и белков так же, как ·паровоз Черепанова от болида
формулы

I.

Функция, вообще говоря, одна и та же, но носи­

тели разные.

белка элементарным

химиче­

процесс взаимообусловленных движений отдель­
ных

атомов,

атомных групп

и даже

наноразмер­

ных фрагментов белковой молекулы.

Следует
ность

Первичные «молекулярные машины» могли отличаться от

центре

ским актом, инициирует нелокальный случайный

и

подчеркнуть,

нелокальность

что

многомасштаб­

релаксационных

процес­

сов вообще характерны для плотно уложенных
полимерных структур, в частности, и для случай­

ной полимерной глобулы, которая, заметим, никак


254

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

не относится к молекулярным машинам. Поэтому

Попробуем

реализовать

такую

программу.

можно думать, что в тех структурах, которые спо­

Пусть молекулярная структура состоит из

"°бны контролировать превращения в активном

ментов, каждый из которых имеет

центре на большой шкале временных и простран­

свободы.

ственных масштабов, от наносекунд и долей анг­

стояний структуры можно ввести

стрема и до секунд и нанометров, разномасштаб­

Евклида размерности М =

ные топологические

и

энергетические

ограниче­

ния для движений структуры должны быть как-то
«упорядочены».

Такая

упорядоченность

непо­

Для описания

т

N

эле­

степеней

конфигурационных

Nт

со­

пространство

и каждому конфи-

гурационному состоянию сопоставить М -мерный

вектор R={lJ. ...rм}. Потенциальную энергию Ф(R)

средственно в пространственной структуре белка

в конфигурационном состоянии

может быть и не видна, она, в известном смысле,

можно определить из межатомных взаимодействий.

«динамическая» и может обнаруживать себя толь­

Функция

ко в свойствах флуктуационно-динамической под­
вижности белковой молекулы как целого. Дело,
однако, в том, что всю картину многомасштабных,
взаимозависимых движений белковой молекулы,
имеющей тысячи степеней свободы, непосредст­

венно наблюдать нельзя. О ней можно только су­
дить по косвенным измерениям, наблюдая, на­
пример, за изменениями состояния молекулярного

или атомного «Зонда>> внутри белковой молекулы.
Интерпретация

таких

наблюдений

зависит

от

описания многомасштабных движений белковой
молекулы и их связи с теми локальными измене­

ниями, которые фиксируются прибором. Поэтому
роль теории тут оказывается определяющей. Тот
факт, что «скрытая» динамическая упорядочен­

ность белков оставалась скрытой столь длительное
время, объясняется просто тем, что не удавалось
построить

математическую

конструкцию,

подхо­

дящую для описания многомасштабной подвиж­
ности столь сложных молекулярных структур, как

белки. Построение такой конструкции

-

это спе­

циальная математическая задача, и тут мы отсы­

лаем читателя к оригинальным работам

(Avetisov
et а!., 2002а; Avetisov et а!., 2002Ь; Avetisov et а!.,
2003; Аветисов и др., 2004; Avetisov, Bikulov, 2008),
а ниже поясним только основные элементы этой
конструкции.

2. 2.

Ф(R)

в принципе,

R,

будет представлять собой много-

мерную гиперповерхность над пространством кон­

фигурационных состояний. Ее называют энерге­

тическим ландшафтом.
В тех случаях, когда число степеней свободы
рассматриваемой структуры не слишком велико,

вся эта программа может быть реализована если не
аналитически, то численно (см., например,

2004)

(Wales,

и цитируемую там литературу). Однако энер­

гетические

ландшафты

даже

небольших

белков

оказываются слишком сложными для такого описа­

ния. Число 10 100 дает вполне подходящее представ­
ление о числе локальных минимумов на энергети­

ческом ландшафте белка8 . Понятно, что полное
описание таких энергетических ландшафтов прин­
ципиально невозможно даже численно. Описание в
таких

случаях

нуждается,

конечно,

в

упрощении,

которое не обязано быть универсальным, но долж­
но быть релевантным объекту. И это одна из тех

теоретических проблем, с которыми тут приходится
иметь дело. Заметим, что вопросы предбиологиче­
ской эволюции, относящиеся к свойствам функ­

циональных носителей и эволюции на комбинатор­
но больших пространствах, в действительности,
порождают один и тот же тип задач

-

о стохасти­

ческом движении на многомерных сильно пересе­

ченных ландшафтах. В этом смысле математиче­
ская модель многомасштабной динамики белка мо­
жет рассматриваться и как модель эволюции (см.,

Проблемы теории

например, (Аветисов, Журавлев,

2007)).

Формально, для описания подвижности мо­

«Таксономическое» приближение

лекулярной структуры необходимо задать ее (кон-

2.3.

фигурационные) состояния, потенциальную энер-

Идеи, сделавшие возможным математическое

гию этих состояний и систему (динамических или

описание многомасштабной подвижности белковой

стохастических) уравнений, число которых определяется числом

степеней

свободы

структуры.

Число локальных минимумов

энергетических ландшафтов

Свойства решений системы уравнений и будут

глобулярных полимеров оценивается как

определять ее динамические свойства.

где

N-

число атомов.

-

ехр( sN)

, s-

О, 1 ,


В. А. Аветисов. О первичных носителях селективных функций

255

молекулы, органически выросли из представления

многомерных сильно пересеченных ландшафтов
древообразными графами

(Stillinger, Weber, 1984;
Becker, Karp/us, 1997; Wales, 1998). Такое представ­
ление основано на нескольких упрощающих шагах.

Первый шаг состоит в том, что множество

всех возможных конфигурационных состояний за­
меняется квазиравновесными конфигурациями, ко­
торым отвечают локальные минимумы энергетиче­

ского ландшафта. Физически это оправдано для

сильно пересеченных ландшафтов, на которых нет
«больших ДОЛИН», и ИЗ ПОЧТИ любого состояния

структура быстро «скатывается» в ближайший ло­
кальный минимум и находится в нем существенно
дольше

времени

флуктуационная

ставляется

«скатывания».
подвижность

скачкообразными

Соответственно,
структуры

переходами

Рис.

2.

Схематическое представление многомерных сильно
пересеченных энергетических ландшафтов (слева)

пред­

и

между

соответствующих

(справа)

(Wales et

а/.,

им

древообразных

графов

1998)

локальными энергетическими минимумами.

1

Заметим, что этот шаг все еще не упрощает

задачу, поскольку на энергетическом ландшафте
белка имеется (условно)

1О 100

локальных миниму-

мов. И для теории, и для самого белка, полное ис­
следование такого числа минимумов невозможно.

Следующий шаг заключается в том, что для
описания

столь

огромного

числа локальных ми­

нимумов прибегают к тому же приему, что и при

топографии природных ландшафтов. Используя
мов разбивают на иерархически вложенные друга
в друга «бассейны» минимумов

1984; Becker, Karplus, 1997) -

(Stillinge1; Wi?ber,

Рис.

вначале выделяют

каждом из них выделяют

меньшие бассейны, отделенные друг от друга бо­
лее низкими барьерами, в них, в свою очередь,

выделяют еще меньшие бассейны и т. д. Иерархи­
ческую структуру бассейнов принято изображать

в виде древообразного графа, «листья» которого
отвечают локальным минимумам ландшафта, а
узлы

ветвлений

соответствуют

«перевалам»

на

Правило

максимального

барьера

для

переходов

метрического треугольника для времен этих перехо­

дов (справа)

ходам через высокие энергетические барьеры на

затем в

3.

между состояниями (слева) и соотношение сторон

большие бассейны минимумов, отвечающие пере­

ландшафте,

з

2

1

эквипотенциальные сечения, множество миниму­

Переход от многомерной энергетической ги­
перповерхности к древообразному графу предпо­
лагает, что основной вклад в вероятность перехо­
да между двумя локальными минимумами вносит

только максимальный барьер, разделяющий эти
минимумы. В этом случае времена переходов ме­

жду любыми тремя

минимумами

подчиняются

так называемому сильному неравенству треуголь-

ландшафте, через которые осуществляется пере­

ника r 2 ,3 ~ max{r1,2,<i,з} (рис. 3). Сильное нера­

ход из одного локального минимума в другой.

венство

На рис.

2

схематически показаны некоторые

виды энергетических ландшафтов в представле­

нии древообразных графов .
9

Все, что излагается ниже, по существу, является обосновани­

ем того, что энергетические ландшафты белков имеют струк­
туру вида а) на рис.

2.

треугольника,

треугольника

в

отличие

•2,з ~ •1,2 +•1,з,

от

неравенства

разрешает только

равносторонние и равнобедренные треугольники
с

меньшим

основанием.

Расстояние,

которое

удовлетворяет сильному неравенству треугольни­
ка, называют ультраметрическим расстоянием, и

переход к «межбассейновой» картине переходов


256

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

многомерного

делать шаги разных масштабов, от малых до со­

евклидового пространства состояний ультрамет­

поставимых с размерами исследуемой области.

риуеским пространством.

Из-за

математически

означает

замену

Свойства ультраметрических пространств мы

неархимедовости

венных

чисел

для

использование

описания

вещест­

ультраметрического

поясним ниже, а сейчас выскажем одно сообра­

пространства также становится проблематичным.

жение.

Поскольку движение в ультраметрическом про­

Как указывалось

выше,

энергетические

ландшафты белков имеют столь огромное число

странстве нельзя описать с помощью малых пере­

локальных минимумов, что, образно говоря, белок

мещений, становится проблематичным и исполь­

может

их

зование дифференциального исчисления, а значит

часть. Для функциональных структур эта часть

и всех дифференциальных уравнений математи­

должна быть, в известном смысле, «репрезента­

ческой физики.

посетить

только

«исчезающе

малую»

тивной» и отражать важные для функционирова­

Для описания ультраметрических пространств

ния мелкомасштабные и крупномасштабные эле­

требуются числа, построенные по неархимедовой

менты

норме. В математике такая числовая норма, к сча­

ландшафтного

рельефа.

Иерархическая

бассейновая структура представляется едва ли не

стью, известна

единственным способом решения такой задачи

норма (Владимиров и др.,

для необозримых массивов, поскольку «репрезен­

определенных в отношении р-адической нормы,

-

это так называемая р-адическая

1994).

Множество чисел,

тативными» тут являются бассейны состояний,

образует поле р-адических чисел. Существует ма­

т. е. любое состояние, относящееся к репрезента­

тематический анализ на поле р-адических чисел, в

тивному

котором,

бассейну,

является

репрезентативным.

конечно,

нет

локальных

операторов

и

Для осуществления функции, структура не обяза­

строить дифференциальные уравнения нельзя, но

на тут «отыскивать» специальные состояния сре­

можно строить интегральные уравнения (Влади­

ди всех возможных, ей достаточно иметь дело

миров и др.,

1994).

Таким образом, бассейновое приближение, в

только с иерархическим деревом бассейнов, как

действительности,

своеобразным «каталогом» состояний.

выводит

описание динамики

белка не только за рамки традиционных физиче­

2.4.

ских моделей, но и за рамки традиционной ма­

Последствия

тематики. Понятно, что надо иметь очень сильную

Для осознания нетривиальности обсуждае­

мотивацию, чтобы идти на все эти «жертвы».

мой здесь задачи, необходимо сказать о тех ради­

В случае с белком цель, возможно, и оправдывает

кальных (для теории) последствиях, к которым

средства • Пока только ультраметрические конст­
10

приводит переход к иерархии бассейнов состоя­

рукции

ний и их ультраметрическому описанию. Эти по­

вительно

позволяют математически

точно

описывать

просто

свойства

и уди­

многомас­

следствия проще всего осознать, обратившись к

штабной флуктуационно-динамической подвиж­

аксиоме Архимеда. Согласно ей, любой отрезок

ности белков

меньшего отрезка. Иначе говоря, аксиома Архи­

(Avetisov et al., 2002; Аветисов и др.,
2004; Avetisov, Bikиlov, 2008; Аветисов, Бикулов,
2009). При этом, что важно, эти конструкции ока­

меда утверждает, что «длинный путь можно прой­

зываются универсальными для описания свойств,

ти малыми шагами». Интуитивно, движение так и

наблюдаемых в экспериментах разного типа.

можно перекрыть конечным числом наложений

Успешность применения ультраметрических

воспринимается.

Однако для ультраметрического расстояния

конструкций именно к белкам позволяет думать,

аксиома Архимеда не выполняется. Это прямое

что

иерархическая

упорядоченность,

возможно,

следствие сильного неравенства треугольника. В

есть один их базовых принципов структурно-ди­

ультраметрическом пространстве нельзя пройти

намической организации функциональных струк­

длинный путь, совершив серию малых перемеще­

тур. При этом, сами белки могут быть только

ний. Любое число шагов фиксированной длины, в

поздней эволюционной реализацией функциональ-

целом, составит путь длиной не больше одного
шага.

«Исследовать»

ультраметрическое

про­

странство «малыми шагами» нельзя, необходимо

10

Хотя история показывает, что цель никогда не оправдывает
средства.


В. А. Аветисов. О первичных носителях селективных функций

257

пых носителей, совместимой с функциональным
замыканием «специфическая функция» ~ «спе­
цифическая структура». Такое замыкание, по сути,
является

операциональным,

реализуется

в

среде

операциональных систем, и его нельзя перенести

в статистические условия предбиологии. Однако
оно, вообще говоря, и не требуется для появления
самих операциональных систем.

Покажем теперь, как иерархическая упорядо­
ченность белка «вычисляется» из наблюдаемых

1

свойств белковой подвижности. Основной мате­
матический инструмент таких вычислений

-

2

5

4

3

7

6

8

Wo

W1

Wz

Wz

W3

W3

113

W3

W]

Wo

Wz

Wz

W3

W3

W3

фузии, которое в нашем случае описывает много­

WJ

Wz

Wz

Wo

WI

W3

W3

W3

W3

масштабную динамику белка. Поскольку это но­

Wz

Wz

WI

Wo

W3

W3

W3

W3

W3

W3

W3

W3

Wo

W1

*'2

Wz

WQ

Wz

Wz

Wo

р-адическое уравнение ультраметрической .диф­

W=

вый в теоретической физике инструмент, вначале
поясним его конструкцию.

Уравнение для «межбассейновых»

2.5.

W3

WJ

W3

W3

W]

W3

*З

W3

W3

Wz

Wz

W3

W3

W3

W3

Wz

Wz

w,

Wl
Wo

переходов
Рис.4.

Не прибегая пока к р-адическим числам, за­

показана блочно-иерархическая кинетическая матрица, отвечающая таким переходам

пишем основное кинетическое уравнение для «меж­

бассейновых» переходов в стандартном виде:

том понимании, что путь перехода между любой

~;) =Wf(t),
где

(4)

вероятность найти систему в состоянии

кальном
времени

энергетическом

t,

парой «листьев» проходит через вершину мини­
мального поддерева, которому эти <<Листья» при­

вектор, i-я компонента которого есть

f(t) -

Переходы на регулярном (2-адическом) дереве. Внизу

минимуме)

i (i-м ло­
в

момент

а элементы кинетической матрицы

W

надлежат. Вершину поддерева можно ассоцииро­
вать с высотой барьера перехода, тогда времена

переходов (r;j -

wif 1 )

подчинены сильному нера­

венству треугольника. Марковский случайный про­

задают вероятности переходов (в единицу време­

цесс

ни) между состояниями (локальными минимума­

диффузией (см. например,

ми ландшафта). Матричному уравнению

(4)

отве­

такого

типа

называют

ультраметрической

(Hoffinann, Sibani, 1988;
Ogielski, Stein, 1985; Raтmal et al., 1986)).

чает система уравнений вида

ddlf; =
t

2. 6. р-Адическое уравнение

L:( w(i 1Л/1 -w(j1 i)f;),

(5)

правая часть которых описывает прямые и обрат­
ные переходы между i-м состоянием и всеми ос­

тальными (j-ми) состояниями. Матрица

блочно-иерархическую

структуру,

W

имеет

отражающую

тот факт, что переходы определяются бассейнами
состояний и эти бассейны вложены друг в друга

иерархическим образом (см. рис.
На кинетическое

W

ультраметрической диффузии

j7c-i

4).
уравнение (4)

с матрицей

блочно-иерархического вида можно смотреть

как на уравнение, описывающее случайные пере­

ходы между «листьям» древообразного графа, при

р-Адическое

уравнение

ультраметрической

диффузии строится как континуальный аналог ки­
нетического уравнения

(4),

в котором состояния па­

раметризованы р-адическими числами. Поясним,
как строится такое описание. Пусть имеется дис­

кретный набор состояний, перенумерованных на-

туральными числами i = 1,2, ... ,рг, где р:?: 2 фиксированное простое число. Множество нату­

ральных чисел

{i}

отобразим в множество рацио-

нальных чисел {x<i)} по правилу


Глава

258

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

систему в

области

В

ультраметрического

странства в момент времени

t.

про­

Ядро интегрального

оператора в уравнении (8), т. е. функция р(]х-у[р),

r

по
Введем расстояние между состояниями

i и j ,

существу,

описывает

энергетический

ланд­

шафт в терминах вероятностей переходов (в еди­

определив его как р-адическую норму разности ра­

ницу времени) между локальными минимумами.

циональных чисел x(i) и x(J) , d(i, j)

x(J) IP .

Масштабно-самоподобному ландшафту отвечает

Напомним, что р-адическая норма рационального

ядро вида p(I х - у IP) =1 х - у /;(а+\) , где параметр

=1 x(i) -

числах определяется следующим образом. Пред-

ставим рациональное число в виде х =

т

pr - , где
п

р

-

простое число,

r -

целое,

т

и

п

-

вза­

имно простые числа. По определению, р-адиче­

ская норма рационального числа х задается фор-

мулой

1

х /р =

p-r. р-Адическая норма удовлетво­

а

>О

масштабирует

иерархию

энергетических

барьеров, разделяющих бассейны состояний.
Имея в руках уравнение

(8),

покажем теперь,

что иерархически самоподобная структура бас­

сейнов состояний и энергетического ландшафта
белка порождает именно те нетривиальные свой­
ства,

которые

демонстрирует

реальная

подвиж­

ность белковой молекулы. Как отмечалось выше,

ряет сильному неравенству треугольника и есте­

мы рассмотрим только один из эпизодов этих ис­

ственным образом группирует числа по норме.

следований (для более полного представления, см.

Именно это свойство р-адической нормы и делает

работы (Avetisov et al., 2002а; Avetisov et al., 2002Ь;
Avetisov et al., 2003; Аветисов и др., 2004; Avetisov,
Bikulov, 2008; Аветисов и др., 2008; Аветисов, Би­
кулов, 2009; Avetisov et al., 2009а; Avetisov et al.,
2009Ь; Аветисов и др., 2009; Аветисов и др., 2011)).

р-адические числа удобными для описания бас­
сейнов состояний.

Нас будет особенно интересовать са.моподоб­
ная структура вложенных друг в друга бассейнов
состояний.

Такая структура отображается регу­

лярно ветвящимися графами (см. граф вида а) на
рис.

2).

В этом случае элементы матрицы

оп­

W

ределяются только ультраметрическим расстояни-

ем w(i 1 j) = P(I x(i) -x(j) /р) между соответствую­
щими состояниями, и кинетическое уравнение

(4)

можно записать в виде

df(x,t) = LP(lx-ylP)[f(y,t)-f(x,t)J.
dt
у;.сх

(7)

2. 7.

Эксперимент

Свойства белковой подвижности, о которых
пойдет речь ниже,

были установлены группой

Дж. Фриедриха

(J. Friedrich) (Leeson, Wiersma,
1995; Schlichter et al., 2000; Schlichter, Friedrich,
2001; Herenyi et al., 2004; Ponkratov et al., 2004;
Berlin et а!., 2007). Флуктуационная подвижность
белка исследовалась при гелиевой температуре

путем измерения спектра поглощения хромофорной
Построение р-адического уравнения ультра­

метки, расположенной в активном центре глобу­

метрической диффузии завершается переходом от

лярного

уравнения

масштабов от 1 мин до 104 минут. Частота погло­

(7)

к его континуальному аналогу на

поле р-адических чисел

Qp:

белка,

на

большой

шкале

временных

щения метки в оптическом диапазоне очень чув­
ствительна

к

пространственному

расположению

окружающих ее атомов. По оценкам

et al., 2000),
где х Е QP, t Е R

и интегрирование ведется по

(Schlichter

смещения ближайших к метке атомов

на расстояние порядка ~ 10-2 А могут приводить к
смещению частоты поглощения метки на величи­

мере Хаара dpx на QP . Вещественнозначная (не­

отрицательная) функция

f (х, t): QP х R ~ R

ет

плотности

име-

ну порядка ~О, 1-1 Гц. При низких температурах
характерные времена между случайными скачка­
ми частоты поглощения метки достаточно велики,

смысл

Интеграл

распределения

f f (х, t) d Р х
8

вероятности.

есть вероятность найти

но спектр поглощения образца на

3-4

порядка

шире линии поглощения метки. Для того, чтобы


В. А. Аветисов. О первичных носителях селективных функций

1.0

«увидеть» частотные скачки, применяют следую­

о

40min
• Sh
д 20.5 h
• 70h
• 120.5 h
v 265h

щий технически прием. Используя импульсную
монохроматическую накачку на некоторой часто­

те поглощения, в метках инициируют необрати­
мый (на временах наблюдений) фотопереход, в

результате чего в спектре поглощения образца об­
разуется спектральный провал с характерной ши­
риной порядка ширины линии поглощения метки.
В том случае, когда частота поглощения меток

259

:!!

~
1:>

0.1

случайно меняется из-за перестроек окружения,
спектральный провал уширяется, «расплываясь»

v

вдоль частотной прямой. Это явление и называет­

ся спектральной диффузией.

10

Свойства спектральной диффузии в белках
характеризовались

зависимостью

трального провала

o-v

ширины

спек-

от времени «старения» tag

и времени «ожидания»

100
tw/min

1000

10000

1.0

tw . Временем старения

11

tag назвали интервал между моментом приготов­

-"

ления образца (когда температура и спектр по­
глощения образца считаются установившимися) и
моментом

выжигания

Время ожидания

tw

спектрального

провала.

" .........

" .......

......" " ...

отсчитывалось сразу после

выжигания спектрального провала.

Зависимости а-v ( tag ,tw) были получены для
различных глобулярных белков, различных органи­
ческих матриц, в которые помещались белковые

.

..."......" ...."

."...............

""

1

0.4

L,,,.~--------..w..-...__. . . . . . ._.. ____.._.___
1

10

100

молекулы, при различных температурах и темпера­

турных циклах (см. обзор

(Berlin etal., 2007)).

Для

сравнения брались нативные белки, денатуриро­

Рис.

5.

Вверху

показаны

уширению

экспериментальных данных

спектрального

провала

в

по

координатах

ванные белки и органические стекла. Типичные за-

log-log.

висимости a-v (tag ,tw) в нативных белках пред­

Степенная зависимость crv(tw) ~ t~.27 показана пря­

ставлены на рис.

5.

Время

старения

указано

вверху слева.

мой. Внизу показано старение спектральной диффузии,

Для всех исследованных образ­

определенное для времени ожидания tw = 104 мин

цов свойства спектральной диффузии демонстри­

в координатах

руют физическое богатство и замечательную уни­

log-log.

Пунктирной прямой показа­

на степенная зависимость av(tag) ~ t~~щ

версальность.

Форма линии спектрального провала. Почти во

всем временном окне наблюдения, от tw~

до

tw ~ 104 мин,

10 мин

форма линии спектрального про­

вала достаточно хорошо описывается гауссовским

провала растет со временем ожидания

пенному закону
зателем

а=

tw

посте­

crv(tw) ~ t~ с характерным пока­

0,27 ± 0,03.

Таким образом, спек­

распределением. Поэтому спектральная диффузия

тральная диффузия в нативных белках резко от­

в белках может пониматься как одномерный гаус­

личается как от броуновского движения, для ко­

совский случайный процесс.

торого показатель а строго равен

Уширение спектрального провала. В натив­

ных белках гауссова ширина

crv

спектрального

Здесь используется терминология оригинальных публикаций.

так и от

спектральной диффузии в системах, подобных стек­
лам, для которых

2001)
11

0,5,

o-v(tw) ~ lntw (Schlichter et а!.,

В денатурированных белках уширение спек­

трального провала подчиняется как раз логариф-


260

Глава

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

мическому закону

uv(tw) ~ Intw (Ponkratov et а/.,

2004).
r

зию, таким образом, следует понимать как одно­
мерный гауссовский случайный процесс, времен­

спек-

жiя серия которого задается скопления.ми нулей

тральная диффузия в нативных белках зависит от

стохастической траектории белка. Подчеркнем,

времени старения тоже. Чем больше время старения

что сама спектральная диффузия (за которой на­

Помимо эПIХ

tag,

свойств,

оказалось,

что

тем медленнее протекает спектральная диффу­

зия (см. рис.

5

слева). В нативных белках старение

тоже подчиняется степенному закону O"v(tag) ~ t~; и
тоже с универсальным показателем Ь =

0,07 ± 0,01.

Покажем теперь, что все эти необычные свой­

блюдают) развивается вдоль частотной прямой, а
стохастическая траектория белка (о которой хо­
тят что-то узнать) развивается в многомерном
пространстве конфигурационных состояний, ко­
торое в «бассейновом» приближении описывает­
ся ультраметрическим пространством.

ства, на самом деле, порождаются самоподобной

Пусть спектральная диффузия есть марков­

иерархией бассейнов состояний и энергетическо­

ский случайный процесс с независимыми прира­
щениями:

го ландшафта белка.

п(т)

v(т)=v+ Iлv;,

2.8.

Теория

Вначале проясним, как случайные изменения
частоты

чайными

(9)

i~l

поглощения

метки

изменениями

соотносятся

со

слу­

конфигурационных

со­

где

v-

среднее по ансамблю значение частоты

(частота

выжигания

спектрального

провала)

и

Л V; есть случайные изменения частоты поглоще­

стояний белковой молекулы. Для понимания этой

ния

связи просто сопоставим число состояний бли­

динамической траектории белка в «нули». Для

жайшего окружения метки и число состояний бел­

простоты будем считать, что Л V; может прини­

ка. Оценку первой величины можно получить из

отношения ширины спектра поглощения образца

(~10 3 GHz) к ширине отдельной линии поглоще­
ния метки (~0,1 GHz). Это дает около 104 ~ 2 13

метки,

возникающие

мать значения
величина

r(т)

±Л

в

моменты

с вероятностью

0,5.

попадания

Случайная

есть число попаданий динамиче­

ской траектории белка в «нулю> за интервал вре­

линий в спектре образца, т. е. окружение метки

мени т = [tag, tag + tw

имеет десяток степеней свободы с несколькими

чайного процесса

состояниями по каждой из них. В отличие от

ния

J. Дисперсия О"; (tag, tw)

(9)

слу­

растет со временем ожида­

tw так же, как среднее значение п(т):

этого, белок имеет сотни степеней свободы и
число состояний белковой молекулы выражается

такими числами, как, например, 2 100 . Сопоставляя
13
100
числа 2
и 2
, при всеи условности этих оце-

,,-; (10 , ,lw) =

«(~ Л vJ) д,)"

=

v

=Л·(п(т))п =Л·n(tag•tw).

нок, определенно можно утверждать, что «почти

все» переходы между конфигурационными состоя­
ниями белка не затрагивают ближайшего окру­
жения метки. Иначе говоря, случайные скачки

частоты поглощения метки есть редкие события

Поэтому все, что нужно,

-

(10)

это найти для

ультраметрической диффузии среднее число «ну-

лей» за интервал времени т = [tag, tag + tw

J. Ма­

среди переходов между конфигурационными со­

тематически строгое исследование этой задачи

стояниями

дано в (Аветисов и др.,

белка.

Такие

редкие

события

обу­

словлены переходами в очень определенные со­
стояния,

которые

мы

назвали

«нулями»

стохас­

тической траектории белка, а временную после­
довательность

посещений

таких

состояний

-

«скоплениями нулей» . Спектральную диффу-

12

12

Эти термины заимствованы из классической задачи о распре­
делении «нулей» броуновской траектории.

2009).

Мы ограничимся

здесь более прозрачным физическим рассмот­
рением.

Пусть стохастические траектории белка опи­

сываются уравнением ультраметрической диф­
фузии


В. А. Аветисов. О первичных носителях селективных функций

Здесь обозначения такие же, как и в уравнении

(8).

Собирая теперь

(10), (13)

Вид ядра интегрального оператора в пра-

вой части

( 11) отражает

иерархическую структуру

261
и

и пренебре-

(15)

1

гая членами порядка ~ t а , получаем

и масштабное самоподобие энергетического ланд­

шафта 13 • Параметр а ядра интегрального операто­
ра в

( 11) масштабирует иерархию

времен переходов

между бассейнами состояний белковой молекулы.
Используя

(11),

Из

запишем уравнение для вероятно­

(16)

нетрудно

получить

степенные

ап­

сти найти белковую молекулу в каком-либо из <<НУ-

проксимации, использованные на рис.

лей» в момент времени t, S(t) = f

ставления экспериментальных данных. Для этого

J\x\po>l

f(x,t)dpx:

для пред­

необходимо учесть, что вероятность обнаружить
белковую молекулу в конфигурационном состоя­

дS(t) = -B(a)S(t) + G(t).

(12)

дt

нии, отвечающем одному из «нулей», уменьша1

J х l~(a+\) f(x,t)dpx,

Здесь G(t) =

5

В(а) -

1

\x\p>I

ется со временем старения как s(tag) ~ (tag )--;_;.
Тогда, нормируя распределение числа попаданий

коэффициент, зависящий только от а

.

Величину

G(t) можно понимать как среднее по ансамблю

P(n(r))

на часть траекторий, стартующих из «ну-

ля» в момент выжигания спектрального провала,

число попаданий в «нули» за единицу времени.

и переопределяя выражения

Тогда уравнение для среднего числа «нулей» на

трудно

интервале времени

старения спектральной диффузии в виде степен­

r = [tag, tag

+ tw] можно запи­

ных законов (см.

сать в виде

et al.,

(10), (13)

и

(15),

не­

получить степенные законы уширения и

(Avetisov, Bikulov, 2008; Avetisov

2009Ь)):

tag+fw

n(tag•tw) =

f

G(t)dt =

(ag

O"v

t )~

(t

ag' w

-~а-1

t 2a(2a-1)t~
ag

w

(17)

.

tag+fw

=В(а)

f

S(t)dt+[S(tag +tw)-S(tag)].

(13)

Эти зависимости показаны на рис.

6

(для

сравнения с экспериментальными данными см.

Для решения этого уравнения достаточно оп­

ределить функцию

S(t) .

Она может быть вычис-

лена из решения задачи Коши для уравнения

(11)

5).
Таким образом, столь необычные свойства

спектральной диффузии в белках, на самом деле,
определяются самой иерархической структурой и

и начального условия

f(x,O) = {

масштабным самоподобием энергетического ланд­

1,

шафта. Такое же результат удается получить и при

о,

описании аномальных свойств кинетики связыва­

ния СО миоглобином

В результате имеем

сов и др.,
00

1

S(t) = (1- р- )

LP-r exp(-part).

(14)

у=О

При

рис.

t >> 1 функция S(t) имеет простую оцен­
2004; Avetisov, Bikulov, 2008):

ку (Аветисов и др.,

(15)

2004).

(Avetisov et al., 2002;

Авети­

В этих экспериментах прямо ис­

следовалось влияние белковой подвижности на

кинетику ферментативной реакции

(Frauenfelder,

1987; Steinbach et al., 1991).
Все это дает серьезные основания полагать,
что конфигурационные состояния и энергетиче­

ские ландшафты белков и в самом деле обладают
иерархическим масштабным самоподобием, и на­
ши представления о белке, как прототипе молеку­

11

Отдельное теоретическое исследование показало, что только
ядро с такими свойствами отвечает наблюдаемым свойствам

белковой подвижности

(Avetisov et а/., 2003).

лярной машины, должны быть расширены суше­
ственным образом.


Глава

262

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем
химической природы. Для этого необходимо ре­

а)

шить очень непростую задачу

t

венную

a(fw) -

'N
.с

«молекулярную

-

создать искусст­

машину»,

не

используя

РНК и белки в качестве структурных прототипов,

t.;.21

причем такую, которая с физической точки зрения

--

С>

не была бы «артефактом», т. е. ее существование в

о

абиогенных условиях было бы хорошо обоснова­

•

но в терминах статистической физики. Но первый

••••
•
•

же вопрос, который тут возникает,

«Что такое

-

14

пока не имеет ясного ответа • Теоретическая фи­

0,1
10

-

молекулярная машина с точки зрения физики?»

100

1000

10000

fw (min)

зика «сложных систем» пока только формируется,
и то, как она иногда выглядит, показано в разде­

лах, посвященных описанию подвижности белко­

6)

вой молекулы.
Помимо ограничений, связанных с развитием

теоретической физики «сложных систем», отсут­
ствие видимого прогресса в решении проблемы
возникновения жизни, как представляется, в зна­

чительной степени обусловлено «химическимю> и

«биологическими»

стереотипами.

Добиологиче­

ский этап эволюции, как правило, понимается как
этап,

0,5 ----.--.--.-........__....,..,...,...,---...-.......--.............................
1
10
100

t. (h)
Рис.

6.

котором

возникли

все

«принципиально

единений, различных функциональных структур
макромолекулярного и супрамолекулярного уров­

Уширение (вверху) и старение (внизу) спектральной
диффузии, полученные согласно выражениям
(ЗН6) для значений параметров а=

на

важные» компоненты клетки, от органических со­

2,2

и л

= 0,3 GHz

ня типа «-аз» и «-ом» и до специальных функцио­
нальных модулей подобных трансляции, транс­
крипции, кодирования и т. д. Такое понимание со­

держания предбиологической эволюции, устойчиво
бытовавшее в ХХ столетии, теперь представляет­

Заключение

ся более чем сомнительным. Клетка

ни
В данной статье мы попытались показать,

была «упрощена»

2003)) -

(см.,

-

как бы она

например,

(Koonin,

является автономной операциональ­

почему природа, прежде чем войти в ту стадию

ной системой высокого уровня, в которой реали­

эволюции, которую принято ассоциировать с био­

зовано функциональное замыкание «специфиче­

логической эволюцией, должна была создать тех­

ская структура» ~ «специфическая функция».

нологию точного манипулирования на атомно-мо­

Такое замыкание нельзя перенести в статистиче­

лекулярном уровне. Для такой технологии нуж­

ски контролируемые условия (блестящее исследо­

ны бьши «инструментьш (носители селективных

вание этого вопроса дано, например, в

функций), выполняющие операции так точно, как

1991)).

это требуется для отбора «специфических струк­

рое действительно является базовым свойством

тур». Понятно, что если бы удалось показать, что

структурно-функциональной организации клетки,

такие функциональные структуры могли возни­

есть свойство операциональных систем опреде­

кать в абиогенных условиях, то многие принци­

ленного класса, и в силу тех фундаментальных

пиальные проблемы теории предбиологической

ограничений, которые обсуждались и в данной

эволюции если и не были бы сняты полностью,

статье, этот класс не мог быть «первичным».

то, по крайней мере, перешли бы в плоскость
формирования и развития операциональных систем

14

(Rosen,

Однако функциональное замыкание, кото­

Чего уж тут говорить о «жизни»!


263

В. А. Аветисов. О первичных носителях селективных функций

Мы полагаем, что предбиологический этап

эволюции

-

это этап переходных форм функцио­

нальных структур и операциональных систем, ко­

торые, вполне возможно, были полностью утили­
зированы в ходе дальнейшей эволюции. В этом

смысле биология не имеет «аналитического про­
должения» в предбиологию, и ни макромолеку­
лярные

компоненты

клетки,

ни

ее

структурно­

функциональная организация не являются про­
тотипами переходных форм.

Аветисов В. А"

Бикулов А. Х,

(2009)

ев С. К., Чертович А. В.
ческих

приложениях

матриц. ЖЭТФ,

Аветисов В. А.,

Васильев О. А.,

О некоторых физи­

случайных

Бикулов А. Х,

Зубарев А. П.

моделировании

«нано-машин». Вестник СамГТУ

1(22).

Аветисов В. А"

иерархических

136, 566-588.

О математическом

науки. №

Неча­

-

(2011)

молекулярных

серия физ-мат.

9-15.

С.

Бикулов А. Х,

Зубарев А. П.

(2008)

О распределении моментов времени первого воз­

вращения для ультраметрического случайного блу­

В общем, все это вполне банально. Ведь ни­
кто не обсуждает возможность образования пла­
нет в эпоху нарушения барионной асимметрии.

ждания. Вестник СамГУ

рия. №

8/1 (67).

С.

-

Естественнонаучная се­

8-21.

Аветисов В. А., Бикулов А. Х.,

Осипов В. А.

(2004)

Конечно, теория Большого взрыва, в которой на­

р-Адические модели ультраметрической диффузии

шлось место и для нарушения барионной асим­

в конформационной динамике макромолекул. Труды

метрии, и для формирования планет, опирается на

Математического

наблюдения, однако не только на них. Она опира­
ется на весьма нетривиальный анализ того, какой

из атрибутов наблюдаемой Вселенной является
действительно реликтовым. В той же ситуации

находится и наблюдатель живой природы. Но в
отличие от космологической теории, попытки по­
строить сценарий предбиологической эволюции,

института

245, 55-64.
Аветисов В. А., Гольданский В. И

166 (8), 873-891; AvetiMiпor symmetry
breaking at the molecular level, PNAS USA 93, 1143511442.
Аветисов В. А., Журавлев Ю. Н. (2007) Эволюционная
sov V А., Goldanskii V 1. (1996)

интерпретация р-адического

рической диффузии. ДАН,

добных коацерватам Опарина или протеиноидам

Блюменфельд Л. А.

Реликтовые свойства «живой природы» пред­

( 1977)

уравнения

ультрамет­

414(3), 309-312.

Проблемы

биологической

336.

физики. М: Наука. С.

Владимиров В. С., Волович И В., Зеленов Е. И
р-Адический

Фокса.

Физические

ганического мира. УФН,

как правило, основаны не на «реликтовых» свой­

структурах и функциях развитой формы жизни,

(1996)

аспекты нарушения зеркальной симметрии биоор­

ствах «живой природы», а либо на биологических

либо на малосодержательных ассоциациях, по­

им. В. А. Стеклова.

анализ

М: Физматлит. С.

и

математическая

(1994)
физика.

352.

неспецифической макромолекулярной структуры,

Origin of Life and Evolution of the Biosphere, 37 (2007), посвященный кон­
ференции Basic Questions about the Origin of Life,
Erice-Sicily, 2006.
Avetisov V А., Bikиlov А. Kh. (2008) Protein ultrametricity
and spectral diffusion in deeply frozen proteins. Biophysics Reviews and Letters, 3(3) 387-396.
Avetisov V А" Bikиlov А. Kh" Kozyrev S. V (2002а) Application of p-adic analysis to madel of breaking of replica
symmetry. J. Phys. А: Math. and Gen. 32, 8785-8791.

и может ли такая реализация быть «молекулярной

Avetisov V А,

машиной». Эти вопросы находятся сейчас в ста­

p-Adic models of ultrametric diffusion constrained Ьу hierarchical energy landscapes. J. Phys. А:
Math. andGen. 35, 177-189.
Avetisov V А" Bikиlov А. Kh., Nechaev S. К. (2009а) Random hierarchical matrices: from elements of p-adic
analysis to polymers on disordered trees. J. Phys. А:
Math. and Тheor. 42, 075001-075010.
Avetisov V А., Bikиlov А. Kh., Osipov V А. (2003) p-Adic
description of characteristic relaxation in complex systems. J. Phys. А: Math. and Gen. 36, 4239-4246.

стоит еще открыть. В отношении носителей се­

лективных функций, таким свойством может быть
«скрытая» упорядоченность белков, которая за­
ключена в иерархической структуре и масштаб­

ном самоподобии их энергетических ландшафтов.
И в контексте предбиологической эволюции пред­
ставляется важным понять, можно ли реализовать

иерархическую упорядоченность путем фолдинга

дии изучения.

Литература
Аветисов В. А" Бикулов А. Х

(2009)

Об ультраметрич­

ности флуктуационно динамической подвижности
белковых молекул. Труды математического инсти­
тута им. В. А. Стеклова,

265, 82-89.

Специальный выпуск журнала

(2002Ь)

Bikиlov А.

Kh., Kozyrev S. V, Osipov V А.


264 Глава 111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем
Avetisov V. А., Вikulov А. Kh., Zubarev А. Р. (2009Ь) First
passage times and number of retums for ultrametric
1 random walk. J. Phys. А: Math. Theor. 42, 085003085021.
Becker О. М, Karplus М (1997) Тhе topology of multidimensional protein energy surfaces: theory and application to peptide structure and kinetics. J. Chem. Phys.
106, 1495-1512.
Berlin Уи., Burin А., Friedrich J., Kohler J. (2007) Low
temperature spectroscopy of proteins. Phys. of Life
Rev. 4, 65-89.
Eigen М, McCaskil J., Schuster Р. J. (1988) Evolution of
quasi-spices. J. Phys. Chem. 92, 6881-6887.
Fernando С., Rowe J. (2008) The origin of autonomous
argents Ьу natural selection. Biosystems 91, 355-373.
Frauenfelder Н. (1987) Тhе connection between lowtemperature kinetics and life, in Protein Structures /
Eds. R. Austin et al. Springer-Verlag: New York. Р. 245261.
Herenyi L., Szigeti К., FidyJ., Temesvari Т., Schlichter J.,
Friedrich J. (2004) Aging dynamics in globular proteins: summary and analysis of experimental results
and simulation Ьу а modified trap model. Eur. Biophys.
J. 33, 68-75.
Hoffmann К. Н., Sibani Р (1988) Diffusion in hierarchies.
Phys. Rev. А, 38, 4261-4275.
Koonin Е. V. (2003) Comparative genomics, minimal genesets and the last universal common ancestor. Nat. Rev.
Microbiol. 1, 127-136.
Leeson D. Тh., Wiersma D. А. (1995) Looking into the energy landscape of myogloЬin. Nature Struct. Biol. 2,
848-851.
Leuthiiusser !. (1987) Statistical mechanics ofEigen's Evolution Model. J. Stat. Phys. 48, 343; Tarazona Р. (1992)
Error threshould for molecular quasispecies as phase
transition: From the landscapes to spin-glass models.
Phys. Rew. А 45, 6038-6050.
Ogielski А. Т., Stein D. L. (1985) Dynamics on ultrametric
spaces. Phys. Rev. Lett. 55, 1634-1637.
Pande V S., Grosberg А. У., Tanaka Т. {1994) Non-rendomness in protein sequences: evidence for а physical driven stage in evolution. PNAS USA 91 12972-12975.

Ponkratov V. V., Friedrich J., Burin А. L., Berlin Уи. А. (2004)
Physics of proteins at low temperature. J. Low Тетр.
Phys. 137, 289-317.
Rammal R., Toulouse G., Virasoro МА. (1986) Ultrametricity for physicists. Rev. Mod. Phys. 58, 3, 765-788.
Rosen R. (1991) Life ltself, ColumЬia University Press: N.-Y.
Р. 281.
Schlichter J., Friedrich J. (2001) Chem J. Phys. 114, 87188722.
Sch/ichter J., Friedrich J., Herenyi L., Fidy J. (2000) Protein dynamics at low temperatures. J. Chem. Phys. 112,
3045-3050.
Steinbach Р. J., Ansari А., Berendzen J., Braunstein D.,
Chu К., Cowen В., Ehrernstein D., Frauenfelder G.,
Johnson J. В., Lamb D. С., Luck S., Nienhaus G. И.,
OrinosP., PhillipR., XieA., YoungR. (19~1) Ligand
binding to heme proteins: connections between dynamics and functions. Biochemistry 30, 3988-3997.
Stil/inger F Н., Weber Т. А. (1984) Packing structures and
transitions in liquids and solids. Science. 225, 983-1007.
Varfolomeev S. D. (2007) Mendeleev Commun. 17, 7; Вар­
фоломеев С. Д. и др. (2008) Проблемы возникнове­
ния и эволюции биосферы / ред. Э. М. Галимов. М.
С. 57.
Vasas V., Fernando С., Santos М, Kauffmann S., Szathmary Е. (2012) Evolution before genes. Biology Direct
7: 1doi1186/1745-6150-7-1.
Wales D. J. (2004) Energy Landscapes. Applications to
Clusters, Biomolecules and Glasses. Cambridge: Cambridge University Press. Р. 692.
Wa/es D. J., Miller М А., Walsh Т. R. (1998) Archetypal
energy landscapes. Nature, 394 758-761.
Zhuravlev Уи. N, Avetisov V. А. (2006) Тhе definition of
life in the context of its origin. Biogeosciences 3 281291; Zhuravlev Уи. N., Avetisov V А. (2008) Hierarchical scale-free representation of biological realm its origin and evolution. Biosphere Origin and Evolution, Eds. Dobretsov N. Kolchanov N., Rozanov А,
Zavarzin G. New York: Springer, 69-88; Zhuravlev Yu. N,
Avetisov V. А. (In Tech: 2011) Srtuctute-functional
analysis of transformation events. in Genetic Transformation, ed. М. Alvarez, 29-52.


НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ХИМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ,
РЕШАЕМЫЕ СРЕДСТВАМИ МОЛЕКУЛЯРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

В. А. Дементьев
Институт геохимии и анШtиmической химии им. В. И Вернадского РАН.

d_vasily@mail.ru

Показано, что объединение объектов микромира в ансамбли может сопровождаться самопроизволь­
ным ограничением степеней свободы ранее свободных объектов ради целостности всего ансамбля. Теряя не­
ограниченные возможности движения отдельных электронов и ядер атомов, настраивая высокую согласован­

ность их движений в пределах самопроизвольно наложенных ограничений, образующиеся ансамбли (моле­
кулы и супрамолекулы) приобретают новые возможности для построения ансамблей нового типа, обладающих
еще более богатыми эволюционными свойствами. В этом состоит цель и смысл химической эволюции. Этот
вывод, подтвержденный молекулярным моделированием, полностью согласуется с концепцией эволюции
Э. М. Галимова и придает этой концепции количественный характер. На определенном этапе усложнения объ­
ектов химическая эволюция постепенно перерастает в предбиологическую, что показано на примере механиз­
ма ферментативных реакций.

теории сложных молекулярных систем. Построе­

Введение

на

последовательная

количественная

квантовая

Проблемы добиологической и ранней биоло­

теория

гической эволюции мира органических молекул

щения,

исследуются, в основном, биофизическими мето­

молекулярных пространствах, процессов создания

дами. Обзор полученных в этих исследованиях

и передачи химической информации с помощью

результатов можно найти, например, в фундамен­

механизмов изомер-изомерных переходов в круп­

тальном
штейн,

труде

М. В. Волькенштейна

(Волькен­

элементарного
а

также

акта химического

процессов

миграции

ных органических молекулах (Грибов,

превра­

энергии

2006).

в

Тео­

Там же приводятся данные, кото­

рия доведена до стадии конструирования хорошо

рые могут быть проинтерпретированы в рамках

параметризованных моделей и вычислительных

общих моделей физики молекул. Обращает не се­

алгоритмов, что позволяет отвечать количествен­

бя внимание тот факт, что все накопленные таким

но на очень непростые вопросы:

1988).

образом данные получили пока лишь качествен­

•

ное объяснение, что предлагаемые и обсуждаемые
теории носят характер пусть обоснованных, но

ского вещества, требующего описания в рамках

физические

условия

прохождения

предполагаемой реакции?

•

Какие промежуточные ненаблюдаемые в экс­
перименте продукты участвуют в процессе?

предположений. Это связано с принципиальной
сложностью самого явления эволюции органиче­

Каковы

•

Какова кинетика этого процесса?
Ясно, что возможность ставить такие вопро­

весьма сложных физических моделей. Такие мо­

сы и отвечать на них в

дели не допускают количественной проработки, а

числительных

натурный химический эксперимент, который мог

расширению

бы подтвердить предполагаемые механизмы дли­

средств молекулярного моделирования.

тельной эволюции, практически невозможно даже
но ставить.

В настоящее время положение может и долж­

но измениться в связи с прогрессом в физической

ходе компьютерных вы­

экспериментов

уже

имеющихся

ведет

к

резкому

возможностей

и

Вот реальная ситуация, случившаяся недавно
на конференции по молекулярному моделирова­
нию.

Прослушав доклад о распознавании экс­

пертной системой пространственной структуры


266

Глава

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

сложного природного органического соединения,

числениям. Но и в этом пункте предлагаемая ме­

академик Э. М. Галимов задал вопрос: может ли

тодика существенно упрощает и облегчает работу

'Jlакая система прояснить историю возникновения

исследователя, поскольку в ней нужно построить

данного вещества в природных условиях? Бьm

лишь

колебательные

модели

соединений,

а не

дан ответ: нет, не может, поскольку физические

весь квантовый ряд моделей. Что же касается вы­

приборы собирают, а экспертная система интер­

числений, то они проводятся автоматически с по­

претирует сигналы, связанные лишь с нынешним

мощью

фиксированным состоянием молекулы.

Сегодня

циально для этой цели в рамках работ по Про­

же

на

грамме Президиума РАН №

появилась

возможность

не

ставить

этом

сервисных

программ,

построенных

спе­

24.

точку. Экспертная система может вьщать инфор­
мацию

о

структурных

взаимоотношениях

всех

фрагментов распознанного соединения. Исследо­
ватель

может

предположить

историю

1.

создания

диагностики химических

сложной молекулы из этих фрагментов. А с по­

превращений, основанная на

мощью оценки вероятностей всех промежуточных

последовательных квантовых

реакций методами, описанными в (Грибов, Бара­
нов,

2006),

Упрощенная методика

представлениях

теперь можно проверить правдоподоб­

ность всех сделанных предположений и отобрать
В процессе разработки данной методики ис­

наиболее реалистичные пути частной эволюции,
приводящей к синтезу данного вещества в при­

пользованы следующие положения последователь­

ной квантовой теории (Грибов, Баранов,

родных условиях.

Имеется заметное ограничение на возможно­

1.

2006).

Акт химического превращения состоит в пе­

сти широкого использования теории (Грибов, Ба­

реходе молекулярной системы из одного ста­

ранов,

в решении вопросов, подобных это­

ционарного состояния

выдает

2006)

1в

новое стационарное

результаты

состояние П. Переход связан с выделением

лишь после построения хорошо параметризован­

кванта энергии. Никакие промежуточные со­

ных моделей молекул, участвующих в исследуе­

стояния между

му.

Теория

количественные

мом химическом превращении, и после проведе­

2.

промоделировать

Наиболее вероятен такой переход между

1и

П, когда имеется резонанс между этими со­

ния довольно сложных вычислений. При этом не­

обходимо

1 и 11 не рассматриваются.

стояниями. Тогда состояние системы является

многочисленные

электронные, колебательные и вибронные состоя­

вырожденным,

то

есть

ее

полная

волновая

промежуточных и конечных

функция есть смесь волновых функций обоих

молекулярных структур. Это большая творческая

состояний. Система периодически переходит

работа, не сводящаяся к использованию стандарт­

из состояния

ных сервисных программ.

танная или вынужденная потеря определен­

ния

всех исходных,

В данной работе ставится задача построения

ного

1

в П и назад в

кванта энергии

не

1,

пока спон­

закрепит

систему в

методики упрощенной диагностики химических

новом состоянии

превращений и приводятся примеры ее использо­

ния

вания при решении некоторых вопросов добиоло­

состоянии П* с конфигурацией состояния

гической и ранней биологической эволюции. Раз­

(переход состоялся). В возбужденном состоя­

рабатываемая методика, с одной стороны, полно­

нии со смешанной волновой функцией систе­

стью

ма совершает периодические квантовые бие­

опирается

на

последовательные

положения теории (Грибов, Баранов,

квантовые

2006)

1

1*

с конфигурацией состоя­

(переход не состоялся), либо в новом

ния между конфигурациями

и тем

1и

11

П. Эти биения

самым позволяет получать весьма правдоподоб­

можно наблюдать непосредственно в явлении,

ные результаты. С другой стороны, она требует

называемом

значительно

молекулы», либо опосредованно в фемтосе­

меньшей

вычислительной

работы.

Конечно, создание моделей участвующих в хими­
ческом превращении соединений является прин­
ципиально творческим актом, не сводимым к вы-

«спектроскопия

изолированной

кундной спектроскопии.

3.

Частота квантовых биений, а с ней вероят­
ность

и

скорость

химического

превращения


В. А. Дементьев. Вопросы химической эволюции, решаемые средствами молекулярного моделирования

определяются особенностями колебательных

ния

состояний системы в конфигурациях

а

момент импульса системы частиц. Это означает,

1 и 11,

сохраняются

энергия,

импульс

и

Последние

что в любом эксперименте, связанном с зондиро­
ванием молекулярного пространства, невозможно

ния через электронные энергии двух конфи­

обнаруживать произвольное сочетание положений

гураций системы. Колебательные же состоя­

и импульсов ядер в пределах вероятных областей

ния

пре­

их существования. Нативный вероятностный ха­

вращения через интеграл перекрывания коле­

рактер поведения ядер проявится в таком экспе­

бательных волновых функций двух конфигу­

рименте весьма определенным образом. Если в

электронными

определяют

состояниями.

достаточные

условия

раций системы.

случайном зондировании какое-то из ядер обна­

Химическое

превращение всегда осуществ­

ружено в определенной случайной точке про­

ляется локально, в соответствии с фундамен­

странства, то остальные ядра в данном экспери­

тальным принципом близкодействия, на ко­

менте проявят себя уже не в случайных положе­

тором основаны все природные закономерно­

ниях, а в строго определенных. Вероятностный

сти. Элементарный акт химического превра­

характер жизни ядерной системы молекулы про­

щения состоит в изменении местоположений

является лишь в том, что в двух последователь­

нескольких ядер атомов, которые в своих пе­

ных

ремещениях находят для себя новые локаль­

разные

ные

зондированиях
случайные

молекулы

будут

найдены

положения

всей

системы

в

ядер. Ядра в различные моменты времени со­

них. Электронные плотности молекулы при

вершают согласованные переходы из одной кон­

этом

новой ядерной

фигурации в другую, допустимую конкретным

конфигурации, давая после потери энергии

видом колебательной волновой функции в дан-

системой

пом стационарном состоянии. Квантовая приро-

потенциальные

ямы

приспосабливаются

новое

и

закрепляются

к

электронно-колебательное

состояние молекулярной системы.

да системы ядер не позволяет описать траекто­

К этим положениям мы добавили следующее
утверждение, справедливость которого специаль­
но

молекулы

определяют необходимые условия превраще­

не

4.

267

исследована

и

проиллюстрирована

в

рамках

рии таких перемещений, но сами движения ядер
в квантовой модели молекулы не отменяются.

Поэтому классическая картина колебаний ядер­
ной

данной работы.
Между строгой квантовой картиной коле­
бательного состояния молекулярной системы и

классической картиной колебаний ядер имеет­
ся глубокое содержательное соответствие, ко­
торое может быть выражено качественно и ко­

личественно. Это соответствие проявляется не

только для высоковозбужденных колебатель­

ствия), но четко

принципом

прослеживается,

соответ­

начиная с

Имеющееся у нас доказательство справедли­
этого

утверждения

должно

составлять

со­

держание специальной публикации, выходящей за
рамки Программы №

передает

жизнь

этой

системы до тех пор, пока мы не утверждаем, что

дельные

же

характеристики

таких

допустимых

перемещений всех ядер молекулы нами могут

быть очень хорошо предсказаны теорией, а так­
же зафиксированы в подходящем макроскопиче­
ском эксперименте.

Характеристики
ний

всех

ядер

допустимых

молекулы

перемеще­

одинаково

хорошо

описываются и квантовой, и классической мо­
делью молекулы. Требуется лишь наложить те

самых низших колебательных состояний.

вости

правильно

нам известны конкретные траектории ядер. От­

ных состояний молекул (в согласии с общим
квантово-механическим

системы

24.

Отметим лишь те моменты этого соответст­

ограничения на движения ядер, которые вытекают

из

законов

сохранения

энергии,

импульса и

мо­

мента импульса молекулы в ее стационарном со­

стоянии. Практически можно представлять себе
ясную

классическую

картину нормальных

коле­

вия, которые прямо используются в упрощенной

баний ядер молекулы, если дополнить эту картину

диагностике химических превращений.

дискретным характером энергетического колеба­

Строгая согласованность всех внутренних

тельного

спектра

молекулы,

а

также

зависимо­

молекулярных движений. Как в классической,

стью квантовых амплитуд колебаний от степени

так и в квантовой модели стационарного состоя-

возбуждения системы.


268

Глава

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

С учетом всех приведенных выше соображе­

не может быть решена систематическими стан­

упрощенная диагностика химических пре­

дартными методами. Однако при необходимости

вращений в изолированной молекулярной системе

дать более определенный ответ на вопрос, может

стромся следующим образом.

ли произойти данная реакция при данных услови­

ний

Для исследования процессов распростране­

ях возбуждения молекулярной системы, мы пред­

ния колебательной энергии по протяженной моле­

лагаем пользоваться упрощенным способом (Гри­

кулярной среде создается колебательная модель

бов, Дементьев, Михайлов,

этой среды. Это делается в рамках теории колеба­

вычислению

ний молекул (Грибов,

2008)

и разработанных нами

ниями

1 и 11

вектора

Он сводится к

2008).

расстояния

между

состоя­

в пространстве нормальных коорди­

программ визуального моделирования. На выходе

нат исследуемой молекулярной системы. Оценка

программ получается наглядная и в то же время

этого вектора проводится уже с помощью наших

количественная картина миграции колебательной

сервисных программ на базе приготовленных мо­

энергии вдоль молекулярного пространства.

делей состояний

Для исследования механизмов реакций раз­

1 и П.

В результате таких простых вычислительных

созда­

экспериментов можно сравнительно просто и бы­

ются две колебательные модели, описывающие

стро провести диагностику предполагаемой хи­

колебания системы в двух стационарных состоя­

мической реакции и ответить на вопрос, возмож­

ниях. Состояние

на ли такая реакция в заданных физических усло­

ложения,

присоединения

конфигурации
стояние

11

1

и

изомеризации

моделируется колебаниями в

<<ДО прохождения реакции».

Со­

моделируется колебаниями в конфигу­

виях.

Если

же

проводится

исследование

ряда

структурно родственных молекулярных систем, то

рации «после прохождения реакции». Программы

можно

визуального моделирования дают наглядную кар­

тельную оценку вероятностей прохождения за­

тину колебаний системы в состояниях 1и11. Зада­

данной реакции в сходных по структуре органи­

вая различные возбуждения,

ческих соединениях.

можно наблюдать

Некоторое

перемещения тех атомов, которые непосредствен­
но

участвуют

в

элементарном

акте реакции,

то

получить

и

полуколичественную

усложнение

моделей

относи­

требуется

для учета влияния окружающей среды, в которую

есть в реакционном центре молекулярной систе­

помещена

мы. Это сразу позволяет увидеть, есть ли у сис­

представляет собой принципиальной трудности

темы

для

возможность

одновременно

приблизить

нужные атомы к тем областям молекулярного
пространства, где они попадут в новые для них

исследуемая

программ

система,

визуального

однако

это

моделирования

не

коле­

баний молекул.

Конечно,

создание

моделей

колебательных

потенциальные ямы. Пользуясь значениями кван­

состояний сложных органических соединений яв­

товых амплитуд смещений всех ядер системы,

ляется творческим процессом. Здесь никакие про­

программы

граммы не могут заменить исследователя. Но на­

подсчитывают

значение

нормы

век­

тора расстояний между теми ядрами, которые

личие возможностей визуального

должны достаточно сблизиться для осуществле­

ния молекул и коллекции готовых колебательных

моделирова­

ния исследуемой реакции. Таким образом, ком­

моделей с надежными параметрами весьма об­

пьютерный эксперимент по наблюдению колеба­

легчают исследование элементарного акта хими­

ний молекул является не только качественным,

ческого превращения. Это и позволяет говорить
о появлении упрощенной диагностики реакций.

но и полуколичественным.

Отнесение проводимого эксперимента к кате­

О такой диагностике в научной литературе давно

что

шла речь, но предлагавшиеся ранее методики бы­

сближение атомов является необходимым, но не

ли неработоспособными, поскольку они строи­

достаточным

лись на чисто классических представлениях, что

гории

полуколичественных

условием

связано

с

осуществления

тем,

реакции.

Таким достаточным условием является отличная

принципиально

недопустимо

при

исследовании

от нуля величина интеграла перекрывания колеба­

поведения микросистем. Предлагаемая здесь ди­

тельных волновых функций двух стационарных

агностика базируется на сочетании классического

состояний. Вычисление таких многомерных инте­

анализа колебаний молекул с последовательным

гралов представляет собой сложную задачу, которая

квантовым рассмотрением процессов, и она пока-


В. А. Дементьев. Вопросы химической эволюции, решаемые средствами молекулярного моделирования

269

зала свою работоспособность. В данной работе в

ние ансамблем новых возможностей для даль­

качестве

нейшего

иллюстраций

предлагаются

такие ре-

зультаты, которые имеют отношение к проясне-

нию непростых вопросов эволюции мира органических молекул.

усложнения,

благоприятствующего

дальнейшей эволюции.

В этом положении нет тавтологии. В биофизике в отличие от физики уже принято говорить
не только о казуальности, управляющей химиче­

скими движениями вещества, но и о финализме,

2.

Согласованность

предполагающем цели движения и отбор средств

внутримолекулярных

достижения этих целей. Целью жизни как при­

движений есть важный фактор

родного феномена является сама жизнь, ее само­
воспроизведение. Целью эволюции является эво­

химической эволюции

люция, то есть такое развитие механизмов и форм
На семинаре по молекулярным основам эво­

люции живого вещества (Семинар,

2010),

бьто

жизни, которое обеспечивает появление все более
сложных

свойств

живого

вещества,

обеспечи-

высказано предположение, что природа знает об­

вающих наилучшие средства достижения целей

щий закон, по которому действуют движущие си­

живого вещества. На том ограниченном отрезке

лы эволюции. Если это так, то мы имеем объек-

времени, который отпущен природой живому ве­

тивную возможность выявить внутренние причи­

ществу в пределах Солнечной системы, цель жиз­

ны, понуждающие органический мир к развитию,

ни и ее эволюции состоит в появлении и развитии

а также конкретные физические и химические ме­

разума. Это единственный способ, которым при­

ханизмы, определяющие направление и скорость

рода может познать самое себя. В данной области

этого движения.

Вселенной живое и мыслящее вещество обречено

Позволим себе заметить, и это было сказано

в конце концов на гибель (Галимов,

2001).

Но это

что частично

не трагедия. В какой-то другой области Вселен­

этот закон уже выявлен. В монографии (Галимов,

ной эволюция вещества с неизбежностью приве­

уже сказано, что сущность эволюции за­

дет к возникновению и развитию жизни в тех же

ключена во все возрастающем упорядочении ве­

фундаментальных химических формах. И природа

щества. Механизм же упорядочения состоит в по­

будет непрерывно познавать себя и свои возмож­

следовательном ограничении степеней свободы

ности. То есть эволюция ради эволюции

природных объектов.

содержательный природный процесс.

нами на семинаре (Семинар,

2001)

2010),

-

это

Предлагаем как тезис для обсуждения сле­

Возвращаясь к физическому рассмотрению

дующее дополнение к данной формулировке. Это

явлений в ансамбле микрочастиц, мы замечаем,

дополнение носит описательный характер и осно­

что любой такой ансамбль даже на любой прими­

вано на тех качественных и количественных ре­

тивной стадии развития склонен к эволюции и

зультатах, которые уже накоплены в работах по

снабжен природой средствами реализации какой­

молекулярному

частности,

то эволюции. Мы замечаем также, что некоторые

упомянутая в предыдущем разделе и проиллюст­

общие признаки и закономерности эволюции при­

рированная

сущи любому ансамблю на любом этапе его эво­

моделированию.

ниже

строгая

В

согласованность

моле­

кулярных движений наглядно и предметно пока­

люционной истории.

зывает

примерами и

проявления

искомого

закона

движущих

Поясним это наглядными

по пути постараемся выявить дан­

ные признаки и закономерности.

сил эволюции.

Эволюция вещества как ансамбля микро­

Самый примитивный ансамбль

-

это множе­

частиц состоит в такой перестройке характера

ство протонов и электронов, движущихся в неог­

движений частиц, которая приводит к посте­

раниченном пространстве. Любая частица, распо­

пенному

лагая

приобретению

ансамблем

наследуе­

персонально

четырьмя

степенями механи­

мых новых свойств. Эти новые свойства отли­

ческой свободы (х, у, z и спин), может оказаться,

чаются большей сложностью. Но главное, что

где угодно, и двигаться, куда угодно. Это даже

отличает

рамках

не свобода, а сплошной хаос, вольница, в терми­

это приобрете-

нах художественной литературы. Самые слабые

эволюцию

от

движений

стагнации либо революции,

-

в


270

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

и наименее гибкие силы природы

это гравита­

-

столкновении

подходящими

скоростями.

Такую

ционные силы (не знают отталкивания, только

картину можно представить лишь умозрительно,

Щfитяжение).

ан­

она совершенно не адекватна природным процес­

самбль в компактное образование, сжать. Каждая

сам. Но теоретики упорно продолжают развивать

частица ансамбля теряет часть своей свободы, те­

модели таких невероятных явлений. Даже на кон­

перь

ференциях,

она не

Они

способны

собрать

может находиться,

где

этот

угодно,

хотя

формально сохраняет свои четыре степени меха­

№

24,

проводимых

в

рамках

Программы

приходилось слышать рассуждения о том,

нической свободы. Принеся эту жертву всему ан­

какова вероятность самопроизвольной сборки по­

самблю, частица приобретает реальную возмож­

липептидной цепи из набора нескольких десятков

ность столкнуться с другой частицей, обладая ог­

молекул аминокислот, случайно нашедших друг

ромной скоростью теплового движения. Случается

друга в космосе. Нет смысла оценивать количест­

катастрофический акт ядерного горения. Две час­

венно высокую степень «комбинаторной сложно­

тицы с их степенями свободы погибают, а возни­

стю> белка. Природа такими событиями не инте­

кает новая, более сложная ядерная частица. В дан­

ресуется,

ной микро-катастрофе мы наблюдаем смерть, ги­

ность путем таких оценок.

и

нам

не

поручает познавать

ее

слож­

бель одной формы вещества, а также, одновре­

Итак, скорее всего, два готовых атома водо­

менно, рождение новой формы вещества, наде­

рода случайно достигли Земли, стартовав из двух

ленной новыми эволюционными возможностями.

разных созвездий либо галактик. В одном единст­

Протон, случайно поймав в сферу своего влияния

венном акте столкновения двух уже сравнительно

электрон, был способен к образованию единст­

сложных частиц при случайном благоприятном

венной более сложной частицы

сочетании их скоростей два атома водорода гото­

-

атома водоро­

да. (Да, это самое распространенное сложное ве­

вы проявить свою склонность к дальнейшей эво­

щество во Вселенной, способное эволюциониро­

люции. Оба атома при этом жертвуют своей воз­

вать лишь от атома до молекулы водорода). А вот

можностью в дальнейшем оказаться в каких-то

новые, более сложные ядра, возникающие в по­

других галактиках,

жаре гравитационного коллапса, уже способны

идентичностью. Они приобретают новые, более

а также своей

эволюционировать до многочисленных изотопных

богатые

форм известных и неизвестных еще химических

участвовать в дальнейшем в более радикальном

элементов. Обратим внимание на то, что даже в

усложнении вещества. Теперь молекула водорода

таких

имеет

примитивных

актах

деструкции-конструк­

эволюционные

потенциальную

свойства,

собственной

возможность

возможность

вступать

в

ции природа действует весьма экономно, бережно

необозримое количество различных типов хими­

обращаясь с ценными эволюционными возмож­

ческих превращений ради дальнейшей химиче­

ностями вещества. В процессе ядерного горения

ской эволюции околоземного вещества. Заметим

новые тяжелые ядра появляются не в результате

также, что при возникновении новой молекулы

столкновения

протонов.

водорода из двух готовых атомов происходит вы­

Ядерные реакции синтеза тяжелых ядер происхо­

деление меньшей порции энтропии в окружаю­

дят в результате бомбардировки уже сложивших­

щее пространство, чем в случае случайной сборки

ся

молекулы из четырех элементарных частиц. Сум­

одновременно

многозарядных

ядер

десятков

сложными

же

ядрами.

Это убедительно показано в тех экспериментах,

марное

которые проводятся на ускорителях многозаряд­

одинаково,

ных ионов.

Рассмотрим еще один простой пример. Это

совсем маленький ансамбль из четырех микрочас­

выделение

процессе

но

в

энтропии

в

двух

реалистическом

мощность

процессах

постепенном

энтропийного

воздействия

природы на самое себя значительно ниже. Приро­
да поступает экономно и в этом плане.

тиц. Два протона и два электрона. Совершенно

Теперь о роли согласованности, упорядочен­

невероятно, чтобы эти четыре частицы, находив­

ности внутримолекулярных движений в механиз­

шиеся первоначально в четырех различных галак­

мах химической эволюции. Вот как выглядит ко­

тиках, случайно собрались одновременно в нашей

личественная картина этих движений в квантовой

Галактике вблизи нашего Солнца и вблизи плане­

модели молекулы водорода. Изменение расстоя­

ты Земля, случайно обладая при таком сложном

ния

между

протонами

по

сравнению

с

«равно-


В. А. Дементьев. Вопросы химической эволюции, решаемые средствами молекулярного моделирования

х 10

271

4

.......~~~......-~~__...,.~~~....-~~........~~~..-~~~

2,5.--~~_.,....~~

'

1

1

1

1

1

1

1

1

1

,

1

1

1

1

1

1

1

r

1

/

1
1
1
1

1

1

1

v-~з;------;------;------:------:------:------:----

-

1,5
1

Е

(J

цj

1

1

0,5

------L------L

v= О :

'

1

Ql--~~-L~~--'-~~~..[_~-==.....i.......,,:;:::__~~l--~._l_~~__JI--~~~

-0,4

--0,3

--0,2

о

-О, 1

О, 1

0,3

0,2

0,4

q, Angstrem
Рис.

1.

Уровни колебательной энергии молекулы водорода и соответствующие плотности вероятности колебательной ко­

ординаты

Символом Чао обозначена классическая амплитуда колебаний в состоянии с квантовым числом

q.

v = О.

Видно, что квантовые возможности смещения ядер из положения равновесия заметно превосходят классические.

При этом характер поведения системы за пределами потенциальной ямы очень слабо зависит от значения колеба­
тельного квантового числа

v.

Это обстоятельство заметно упрощает диагностику возможности перехода ядер из од­

ной потенциальной ямы в другую в предполагаемом процессе химического превращения

весным» описывается единственной внутренней

при любых движениях ядер молекулы ее центр

обобщенной координатой

масс обязан оставаться на месте. На эту особен­

q.

Плотности вероятно­

сти обнаружения некоторого значения
на рис.

q

показаны

ность

существования

ядер

атомов

в

молекуле

впервые обратил внимание Л. А. Грибов (Грибов,

1.

Эту картину в качественном варианте можно

найти в любом руководстве по квантовой механи­

2008,

с.

66).

Для настоящей работы важны два обстоятель­

ке. Здесь она специально представлена в количе­

ства, отображенные на рис.

ственном варианте, когда изображенные на ри­

уже на таком низком уровне организации химиче­

сунке уровни колебательной энергии в единицах

ского объекта проявляется изложенная в книге

см

-1

согласуются

со

спектральным

эксперимен-

(Галимов,

2001)

2.

Во-первых, даже

идея об упорядочении развиваю­

том. Что же касается экспериментов по зондиро­

щейся системы путем наложения ограничений на

ванию протонов, то прогноз его результатов пока­

ее степени свободы. Здесь два протона потеряли

зан на рис.

возможность двигаться, где угодно. Из их шести

2.

Самое замечательное в таком эксперимен­

пространственных

степеней

свободы

какие-то

те будет обнаружено, если рассеяние зондирую­

пропали. Появилась колебательная степень свобо­

щих частиц на протонах будут регистрировать

ды, отображаемая обобщенной нормальной коор­

два детектора, включенных в схему совпадений.

динатой

Окажется,

ном уровне рассмотрения это никакая не свобода,

что

два

протона

путешествуют

по

q.

Однако мы видим, что на неформаль­

дозволенным областям пространства строго со-

а обязанность двигаться строго синхронно.

На

1ласованным образом, что их координаты всегда

уровне

связаны соотношением х 1 = - х 2 (два таких со-

координату

1ласованных

маркированы

нью ограничений на возможные движения пары

кружками). Иначе и быть не может, поскольку

протонов, а не колебательной степенью свободы.

кармана гистограммы

содержательного рассмотрения

q

явлений

можно было бы назвать степе­


272

Глава

111. Теоретические и
100

экспериментальные исследования предбиологических химических систем

-------г-------r-------т-------т-------т-------,-------1

1
1
1

90

-------~------1
1
1

1
J

1
1

1

-------~------1

1

gj

u

-------+-------+-------+-------

-

-------~-----

40 -------~----- -

1

1

1

1
t

-------+-------+-------+-------

1
1
1

-------~1

1
1
1

1
1

-------~
1
1
1

-------~

-------г-----

-

1
1

-

1
1

1

1
1
1

1
1
1

1
1
t

1

1
1

-----~

-------+-------+-------+------- -

-----~

1

1

------т-------т-------т-------

1
1
1

-

1

:
1

:
1

1

1

1

t

_____ ,

-

1
1
1

1

------L-------~-------L-------

1
1

10 -------~----

1
t

1

1
1
1

-------~-----

1

-----~

------+-------+-------+------- -

1

20

1

1
1
1

1

1
1

с::

30

1

1

1

50

1
1
1

- ·-------+-------+-------+------- -

60 -------г----ф

1
1
1

-------~-------~-------~------1
1
1

1

(/)

1
1
1

1
1

80 -------~------70

t

1
1
1

G>

_

_ _ _ _ _ _J

1
1
1
1

----т-------;-------т----

-----,

0'--~~~__,__~.._1.1.......J'---''--'-+'-'~._1___.:~~~~~:~~~~~''~~•ч-iL.J-L-'--'--'-~•~___,:
0,4
0,6
-0,8
-0,6
-0,4 -0,2
о
0,2
х, Angstrem
Рис.

Гистограмма случаев обнаружения протонов на оси молекулы водорода при зондировании пространства некими

2.

микрочастицами в предполагаемом эксперименте с использование схемы совпадений. Температура Т= О К

Во-вторых, видно, что каждый из протонов имеет

гой стороны, при всех своих богатых возможно­

лишь ограниченные возможности, порядка

стях как-то

0,1 А,

изменять свое положение в рамках

оказаться в неком «чужом» пространстве, где он

пространства ± О, 1 А протон молекулы водоро­

мог бы встретить новый притягивающий центр и

да не сможет закрепиться в новой потенциаль­

закрепиться в новой потенциальной яме. Это но­

ной яме, если она уже насыщена другими час­

вые эволюционные возможности. И они не огра­

тицами. Такой запрет известен как принцип Пау­

ничиваются характером движения пары протонов.

ли, который тоже является следствием ограни­

Есть еще пара электронов, движения которых то­

чений на возможности согласованных движений

же строго согласованы. В тот момент, когда левый

в ансамбле микрочастиц. То есть возможности

протон сдвинулся влево на О, 1 А, а правый

дальнейшей эволюции системы ограничены и,

-

вправо на столько же, оба электрона собираются

скорее, детерминированы, канализированы, чем

где-то

случайны.

в

пространстве

между

двумя

протонами.

Иначе не возникнет сила, возвращающая прото­

Отмеченные

здесь

особенности

эволюции

плотность

можно проследить в любом ансамбле микрочас­

электронного облака в районе центра масс систе­

тиц, на любом этапе сложной эволюции химиче­

мы. Если в этот момент поблизости окажется ядро

ского мира. Приведенные простые примеры ил­

нов

назад.

Возникает

повышенная

или положительный ион кислорода, то он будет

люстрируют

притянут

любых

к

области

повышенной

электронной

сложность

проблем

постановки

химической

и

и

решения

биологической

плотности и может закрепиться в новой для него

эволюции. Эта сложность связана с необходимо­

потенциальной яме. Химия называет зто реакцией

стью учета всей эволюционной предыстории хи­

окисления. Возникшая новая молекула Н2О есть

мических объектов, которые участвуют в иссле­

продукт горения, деструкции вещества. Но она

дуемом локальном этапе эволюции. И можно от­

есть также новый объект химической эволюции,

метить, что наша предыдущая работа по данной

обладающий

Программе (Дементьев,

более

богатыми

эволюционными

2008),

посвященная алго­

возможностями, чем исходные объекты. Без воды

ритмической имитации процесса добиологическо­

невозможно представить себе эволюционную ис­

го возникновения генетического кода, удовлетво­

торию органического и живого вещества. С дру-

ряет этому требованию.


273

В. А. Дементьев. Вопросы химической эволюции, решаемые средствами молекулярного моделирования

Видно также,

насколько богатый материал,

моделированию,

как

'

'

•

\

'

l

1

1

\/

2

J

\ /\ ~/\С:Ь

~\Т.'\V~

построение

\

квантовой картины ядерных движений в молекуле

\

\

водорода.

\

Теперь перейдем к обсуждению результатов

.

,

/ '\

\

\

!

.

\

1

1

j

/

..' '.
.'
'
'

'

конкретных работ по молекулярному моделирова­

нию, связанных с тематикой Программы №

:'

1

\

люции, дают даже такие примитивные работы по
молекулярному

.

'

\

касающийся физической стороны химической эво­

''

24.

'

!'
//

3.

Вычислительные схемы

"

ь

/
Q

последовательной квантовой
Рис. З.

теории химических

Электронно-колебательные состояния химического
объекта в стационарных состояниях

превращений и упрощенной

1

и

2.

Показа­

ны колебательные волновые функции для двух ре­

диагностики реакций

зонансных

энергетических

уровней

системы.

На

более высоком энергетическом уровне перекрыва­

Выше

была описана

качественная

ние волновых функция в области поворотных точек

сторона

двух ям значительно больше, чем на нижнем уров­

последовательной квантовой теории химических

не. Поэтому вероятность перехода объекта из со­

превращений и предлагаемой здесь упрощенной

стояния

в

1

2

больше при возбуждении системы на

более высокий уровень. Этот результат согласуется

диагностики. В связи с тем, что в данной работе

с фундаментальным законом Аррениуса

получены некоторые новые результаты, имеющие

отношение к прояснению механизмов химической

перехода

эволюции, требуется более подробное описание

которые определяются как раз степенями возбуж­

использованных в работе инструментов. Такими

дения электронных и ядерных подсистем данного

инструментами являются написанные нами про­

объекта.

граммы. Однако рамки статьи не позволяют под­

1 -+ 2

в заданных физических условиях,

В теории выяснено, что электронные состоя­

робно описать все предложенные и использован­

ния

ные здесь весьма сложные алгоритмы. В качестве

превращения,

11аллиатива предлагаем рассмотреть основные вы­

ются характером колебательных волновых функ­

числительные схемы, положенные в основу этих

ций. Важнейшим параметром здесь является ин­

алгоритмов. Читатель, при необходимости, найдет

теграл

11х полное описание в материалах, размещенных

функций

11а сайте ГЕОХИ в вики-библиотеке

необходимо решить задачу обо всех колебатель­

LevML.

Ме-

1одика моделирования изложена в книге (Демен­

mьев,

2012).

1и2

определяют лишь необходимые условия
а

достаточные

перекрывания

1

и

2.

колебательных

ных состояниях

1

и

индивидуальных

2

и

систем

Q1, Q2

вычислительных схем.

теории (Грибов, Баранов,

ского объекта
вращения

(2).

-

до превращения

(1)

и после пре­

Оба состояния считаются стацио­

Способ перехода от

Q разработан
2006).

Q возникает

многомерный интеграл

координат

авторами

После перехода к

возможность вычислить

S перекрывания колеба­

тельных волновых функций. Вероятность перехо­

шрными. Необязательно основными. Это могут

да зависит от величины

iiыть возбужденные состояния. Важно, что в ста-

ЛЕ состояний 1и2.

1111онарном состоянии с объектом ничего сущест-

2.

нормальных

к единой системе

координатам

волновых

в системе нормальных ко­

1

рию квантовых биений, лежащую в основе всех

Теория рассматривает два состояния химиче­

определя­

Для нахождения этого интеграла

ординат, единой для

Прежде всего поясним более подробно тео­

условия

Основные

S

и от разности энергий

вычислительные

трудности

на

11~1111ого не происходит. Его энергия и полная вол-

этом пути связаны с вычислением многомерного

1101шя функция не меняются. Между состояния­

интеграла

''" 1

и

2

никаких промежуточных состояний не

ра~сматривается. Требуется оценить вероятность

S.

Но опыт показывает, что в органи­

ческих соединениях основной вклад в

S

дают

только некоторые избранные направления в про-


274

Глава

111. Теоретические и экспериментальные

Q.

странстве

Это и позволяет свести вычисления

исследования предбиологических химических систем

конечно долго, как и полагается квантовой систе­

к нахождению интеграла сравнительно низкой

ме. Есть определенная вероятность перехода сис­

мерности

темы в более низкое энергетическое состояние.

1

На

(3--4).
рис. 3 показана

схема вычислений для од-

номерного случая, когда колебания

ваются единственной координатой
вость конфигурации ядер

тенциальной ямой
та в состоянии

ямой

2

1.

1

и

описы­

и вынужденный, если так подействует на систе­

Устойчи­

му внешний мир. Однако возникает вопрос: в ка­

2

Q.

обеспечивается по­

кой конфигурации окажется система после пере­

Конфигурация ядер объек­

хода в более низкое энергетическое состояние?

1

обеспечивается потенциальной

Оказывается, что судьба объекта

2.

ится превращение

1 -4 2

(состо­

или нет) во многом оп­

ределяется расстоянием Ь между минимумами ям
и

2 вдоль

Это может быть спонтанный переход, а может быть

Q.

направления

Если состояния

l

и

1

2 от­

Ответ дает приведенная выше формула для Ч1.
Если система перешла на низкий уровень, когда

sin шt = 1, cos шt = О ,

то в эксперименте система

будет обнаружена в пространственной форме

Если же в момент перехода

стают далеко друг от друга, то никакое перекры­

вание между колебательными волновыми функ­
циями двух состояний невозможно, и переход ме­

На рисунке волновые функции изображены
так,

как

они

выглядят

симых моделях
зоваться

ния

S.

при

1 и 2.

в

изолированных,

незави­

И этой схемой можно поль­

вычислении

интеграла

перекрыва­

Однако такое изображение нельзя считать

адекватным происходящим в системе ядер и элек­

тронов событиям, если рассматриваемый уровень
энергии является общим для состояний
гда

квантовая

система

может

эксперимент обнаружит систему в форме

1 и 2.

находиться

в

Ко­

двух

состояниях с одинаковой полной энергией, но с

2.

О

, то

В лю­

бой промежуточный момент есть определенная
вероятность

жду состояниями также невозможен.

cos шt = 1, sin шt =

1.

обнаружить

потерявшую

энергию

систему либо в форме

1, либо в форме 2.
Важно, что частота w квантовых биений, то
есть переходов между формами системы 1 и 2 в ее
возбужденном состоянии, прямо зависит от вели­

чины интеграла перекрывания

Чем больше

S.

S,

тем короче промежуток времени между моментом

возбуждения системы в форме

l

и моментом, ко­

гда переход в нижнее состояние способен закре­
пить систему в пространственной форме
вращение

осуществилось,

2

(пре­

химическая реакция в

различными волновыми функциями, то она нахо­

системе произошла). При большом расстоянии Ь

дится в состоянии резонанса. Это вырожденное

между формами

состояние, когда система сама не знает в каждый

нии между знаками функций Ч1 1 и Ч1 2 , когда по­

момент времени, какая из волновых функций, Ч1 1
или Ч1 2 , полностью описывает вероятности нахо­

тенциальные

квантовых

l

и

ямы

2 либо

сильно

биений

мала.

при неудачном сочета­

перекрыты,

Может

частота

w

потребоваться

ждения всех частиц в пространстве. Такую ситуа­

очень большое время после момента возбуждения

цию адекватно описывает волновая функция Ч1,

системы в форме

являющаяся линейной комбинацией функций Ч1 1
и Ч1 2 • В теории (Грибов, Баранов,

2006)

показано,

что в такой ситуации возникают квантовые бие­
ния. Это означает, что выполняется соотношение

Ч1(t) 2
Здесь

w-

- (

Ч1f sin 2 wt + Ч1; cos 2 wt).

частота, с которой изменяются ко­

эффициенты в линейной комбинации функций Ч1 1

1,

прежде чем появится замет­

ная вероятность того, что система потеряет энер­

гию и закрепится в форме

2.

Скорее внешние

причины вынудят систему потерять энергию,

гда она находится еще в форме

1 (превращение

ко­

не

осуществилось, химическая реакция в системе не

произошла). Тогда в эксперименте можно никак

не заметить, что система способна приобрести

форму

2.

Можно ли увидеть квантовые биения в спе­

и Ч12.
зависимость

циально поставленном эксперименте? Можно, хо­

функции Ч1 от времени не говорит здесь о неста­

тя бы в некоторых специально поставленных экс­

Следует

заметить,

что

явная

ционарности состояния системы. Если на систему

ничто не действует извне после ее возбуждения на
данный энергетический уровень, то она может на­

ходиться в данном стационарном состоянии бес-

периментах.

Известны условия для двух таких

экспериментов.

1.

В

скоростной спектроскопии с

временным

разрешением ансамбль одинаковых молекул


275

В. А. Дементьев. Вопросы химической эволюции, решаемые средствами молекулярного моделирования

приводят одновременно в возбужденное со­

даже от самого себя. Постороннее вмешательство

стояние световой вспышкой. Все возбужден­

с дополнительным возбуждением системы здесь

ные

недопустимо.

состояния

всех

молекул

оказываются

Вернемся к обсуждению вычислительных схем

синхронизованными. Начинаются квантовые

2.

биения, если данные молекулы могут иметь

диагностики

химических

иные изомерные формы. Высвечивание воз­

последовательной квантовой диагностики выше

бужденных молекул приводит к появлению

описана

спектральных

полностью.

превращений.

Предлагаемая

Схема

упрощенная

изомер­

диагностика сводится к тому, чтобы визуально

ных форм, а не только признаков исходной

наблюдать поведение ядер органической молеку­

формы. Из-за квантовых биений эти признаки

лы вблизи точек поворота при нормальных коле­

также появляются и пропадают синхронно, и

баниях молекулы. Это дает возможность в расчете

периодичность процесса видна явно на фоне

оценить параметр Ь для выяснения возможности

общего экспоненциального убывания излу­

химического превращения. А визуальная картина

чаемого системой света.

сближения атомов, участвующих в предполагае­

признаков

этих

иных

В спектроскопии изолированной молекулы в

мой реакции, дает возможность представить себе

поле

степень перекрывания колебательных волновых

зрения

микроскопа

находится

молекула

исследуемого вещества, и ее непрерывно об­

функций двух форм химической системы. Причем

лучают подходящим лазером. Поглотив квант

для моделирования нет особой разницы между

лазерного света, молекула излучает свет иной

картинами

частоты,

и это

видно

в поле микроскопа как

изомер-изомерных

переходов

и

реак­

ций разложения-присоединения.

мерцание на темном фоне. Вдруг мерцание

Теперь перейдем к обсуждению результатов

прекращается, хотя возбуждающий лазер про­

конкретных работ по молекулярному моделиро­

должает светить. Но молекула перешла в иную

ванию, связанных с проблемой химической эво­

изомерную форму, неспособную теперь по­

люции.

глощать свет на частоте лазера. Через какой-то
промежуток времени квантовые биения пере­

4.

водят молекулу в первоначальную изомерную

Наблюдение

форму. Тогда мерцания возобновляются. И эту

распространения

картину возникающих и пропадающих мерца­

механического возмущения

ний можно наблюдать сколь угодно долго.

вдоль молекулярного

К сожалению, подобные эксперименты не­

пространства

возможны с ферментативными реакциями. Хоте­

лось бы увидеть, как в полости фермента субстрат

Химия имеет дело с объектами, погружен­

и продукт многократно превращаются один в дру­

ными в плотную окружающую среду. При любой

гого, пока система не закрепится в форме продук­

температуре Т

та. Тем самым бьшо бы получено прямое экспе­

ся

риментальное подтверждение того механизма, ко­

движения. Недавно появилась возможность де­

торый был открыт

Э. М. Галимовым, когда им

тально проследить за судьбой такого отдельного

были обнаружены особенности изотопного фрак-

механического возмущения либо серии последо­

>

О каждая молекула подвергает­

механическим ударам в

результате теплового

1щонирования в ферментативных реакциях. Одна­

вательных возмущений в молекулярной модели

ко невозможно приготовить ансамбль глобул фер­

практически неограниченной сложности. Прове­

ментов, заряженных субстратом, так, чтобы они

ден ряд компьютерных экспериментов с моделя­

оказались синхронизованы в исходном возбуж­

ми

ненном состоянии. Кроме того, как выяснилось в

2010).

описанных

зультаты.

здесь

компьютерных

экспериментах,

различной

структуры

(Грибов,

Дементьев,

Для данной работы важны следующие ре­

11роцесс превращения субстрата в продукт проис­

В анизотропных молекулярных пространст­

ходит в особых интимных условиях, когда фер­

вах локальное механическое возмущение распро­

мент обеспечивает почти абсолютную изоляцию

страняется по некоторым выделенным каналам в

реагирующей системы от окружающего мира, и

форме нерегулярных колебательных волн. Однако


276

Глава

111. Теоретические

и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

эти волны не случайны. Их всегда можно пред­

симо друг от друга. Удар же непосредственно по

ставить суммой нормальных колебаний, прису­

одной из систем сильных связей хорошо распро­

"щих данной молекулярной

страняется по этой системе, локализуется в ней, а

среде. То есть внут-

ренняя природа бегущих возмущений опять-таки

поэтому

определяется

хуже, чем в обычной протяженной молекуле.

строго

согласованными

ядерными

может

привески

к

ее

повреждению

не

движениями. Как следствие этого, энергия воз­

В ходе химической эволюции природа изо­

мущения не только рассеивается по всему моле­

брела супрамолекулы, обладающие высокой хи­

кулярному пространству,

кон­

мической эффективностью и способностью к са­

центрироваться в ограниченных областях. При

мосборке. Мы не проследили за историей такой

подходящих структурных особенностях это мо­

эволюции, это отдельная сложная задача. Но ме­

жет

тодами

приводить

к

но

иногда

инициации

турных превращений.

может

локальных

струк­

молекулярного моделирования прояснили

Изучение таких превра­

одну из причин высокой устойчивости этих хи­

щений является предметом механохимии. Важно,

мических систем, имеющих особую ценность для

что этот универсальный механизм объясняет та­

живого вещества и его эволюционной истории.

кое распространенное явление, как самодеструк­

Напомним, что ДНК является супрамолекулярной

ция длинных полимерных цепей. А это имеет

системой.

прямое отношение к процессам в живом вещест­

ве и к механизмам эволюции. Тепловое разруше­

4.2.

ние структур биополимеров ведет, с одной сто­

Компартментация как условие
протекания ферментативной

роны, к старению живого вещества, к порче хо­

реакции

рошо настроенной химической машины живого
Субстрат, попавший в полость активного цен­

организма. С другой стороны, это может приво­

тра фермента, образует с этой полостью супрамо­

дить к мутациям.

Еще более важен результат, связанный с ана­
лизом роли слабых связей между элементами мо­
лекулярных структур в судьбе тепловых механи­

ческих ударов. Выяснилось, что такие связи (во­
дородные и ван-дер-ваальсовы) практически не
передают энергию механического удара в систему

сильных химических связей. Отсюда выведены

два следствия, касающихся эволюции добиологи­

лекулярную систему. По данным биофизики, роль

фермента на раннем этапе реакции состоит в рас­

познавании

специфического

субстрата

(избира­

тельность) и в его однозначной ориентации отно­

сительно стенок полости (каталитическая функ­
ция). В большинстве ферментов эта полость до­
вольно глубока. В ряде ферментов она находится
в теле глобулы, под ее поверхностью, так что суб­

страт должен проникнуть в активный центр фер­

ческого и живого вещества.

мента с помощью конформационной подвижно­

4. 1.

Прочность супрамолекулярных
структур

сти поверхностных слоев третичной структуры

белка.

В полости субстрат взаимодействует со

стенками, образуя временные слабые связи ради

Академик А. И. Коновалов считает, что суп­

оптимальной ориентации молекул. Критерий оп­

рамолекулы являются мостиком между живой и

тимальности состоит в требовании минимального

неживой материей. Известна высокая устойчивость

расстояния небольшого числа атомов от их буду­

этих образований, поддерживающая их длитель­

щих

ную эффективную функциональность. Устойчивость

должны будут закрепиться в результате катализи­

объясняется обнаруженной нами слабой прово­

руемой таким образом реакции.

димостью

энергии

тепловых

ударов

системой

новых

потенциальных

ям,

в

которых

они

Заметим, что здесь создаются условия проте­

слабых связей, соединяющих разные части суп­

кания реакции в почти полной изоляции от окру­

рамолекулярной структуры. То есть участки про­

жающей среды, в которую погружен фермент. Эти

странства сильных связей, где и сосредоточена

условия были проанализированы в компьютерных

химическая функциональность, хорошо защище­

экспериментах по распространению механических

ны от взаимного влияния тех тепловых возмуще­

ударов в системе слабых связей. Как было сказа­

ний, которым подвергаются эти участки незави-

но выше, слабые связи практически неспособны


В. А. Дементьев. Вопросы химической эволюции, решаемые средствами молекулярного моделирования

277

передавать энергию механических возмущений в

учет окружающей среды серьезно повлияет

систему

Следова­

на прогноз. Можно считать, что здесь физи­

тельно, ни субстрат, ни продукты ферментативной

ческой теории химических процессов крупно

реакции в таких условиях не способны испыты­

повезло.

химических

связей

молекул.

вать воздействия тепловых ударов со стороны ок­

ружения и массивного тела самого фермента. От­

Последнее обстоятельство позволяет дать яс­

ную интерпретацию результатам работ

(Galimov,

сюда следуют выводы, которые до сих пор в био­

1985, 2006)

физике не были отмечены.

рования в продуктах биологического происхож­

1.

Ферментативная реакция проходит в строго

дения. В работе

стандартных

полной

суждаются такие особенности изотопного фрак­

изоляции реагентов. Поэтому результаты ре­

ционирования в продуктах ферментативных реак­

акции получаются стандартизованными. Те­

ций, которые нашли свое объяснение лишь с по­

перь не может вызывать удивления тот факт,

мощью предположения, что в процессе такой ре­

что

акции

при

условиях,

близких

к

ферментативном синтезе крупных

вещество

многократно

обнаружены и об­

переходит

из

на­

чальной формы в конечную, и назад. Это явление

ется ожидаемое разнообразие изомерных форм.

было названо микрообратимостью и противопос­

Природа вообще экономна в демонстрации

тавлено известной необратимости биосинтеза в

изомеров

целом.

требуются различные пути син­

-

для

получения

различных

изомеров

Но

ведь это

предположение буквально

совпадает с недавно выявленным в теории (Гри­

сложного соединения. В ферментативных ре­

бов, Баранов,

акциях условия синтеза всегда строго одина­

акта

ковы. Эти условия не могут быть нарушены

низм этот, как было сказано выше, состоит в кван­

вариациями интенсивности теплового движе­

товых

любого

2006)

механизмом элементарного

химического

биениях

превращения.

молекулярной

системы

Меха­

между

ния в живом веществе.

стационарными состояниями «до реакцию> и «по­

Фермент проявляет новую, ранее неотмечен­

сле реакции». Следовательно, теперь можно счи­

ную функцию. Глубокая полость, где разме­

тать, что особенности изотопного фракциониро­

щается

условия

вания прямо отражают физику химического пре­

компартментации для субстрата и продукта.

вращения. Дискуссия, вызванная предположением

Таким образом, эволюция живого вещества

о микрообратимости процессов в ферменте, про­

привела к появлению компартментации прак­

должается в научной периодике до последнего

тически

времени. Это было отмечено в работе

активный

на

всех

центр,

уровнях

создает

организации

орга­

стр.

1211).

(Galimov,

С учетом всего, сказанного вы­

низма как химической машины. Все жизнен­

2006,

но важные химические процессы в организме

ше, можно считать эту дискуссию завершенной.

проходят

условиях

Современная квантовая теория акта химического

изоляции друг от друга. Этому служат внеш­

превращения, примененная к проблеме механизма

няя оболочка организма или клетки, мембра­

ферментативной реакции, подтверждает справед­

ны клеточных органелл и,

ливость предположения о микрообратимости это­

в

сравнительно

строгих

наконец, на моле­

кулярном уровне это тело фермента, времен­

го процесса.

Заметим также, что субстрат до попадания в

но прячущее реагенты.

3.

(Galimov, 1985)

биологических молекул никогда не наблюда­

теза

2.

по изучению изотопного фракциони­

важно,

полость фермента находится в тепловом равнове­

что при исследовании механизма конкретной

сии с окружающей средой организма. В полости

ферментативной реакции можно строить бо­

реагенты оказываются в условиях изоляции. Они

лее простую модель, чем при учете воздейст­

не могут потерять свою полную энергию, пока не

вия окружающей среды. Ферментативная ре­

произойдет излучения кванта энергии при закре­

акция протекает в «вакууме». Следовательно,

плении состояния «после реакции». В процессе

Для

молекулярного

моделирования

создаются условия для прямого прогнозиро­

квантовых биений молекулярная система продол­

вания вероятности протекания реакции мето­

жает

дами

окружением. Поэтому можно сказать, что оправ­

последовательной

(Грибов,

Баранов,

2006)

квантовой

теории

без опасений, что

находиться

дано утверждение

в

температурном

равновесии

(Galimov, 1985, 2006)

с

о том, что


278

Глава

111. Теоретические

и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

условия ферментативной реакции близки к усло­

не интересовалась конкретной картиной внутри­

виям термодинамического равновесия.

молекулярных движений в молекуле, где различ­

В неферментативных реакциях химическое

ные нормальные колебания возбуждены до раз­

превращение происходит в условиях воздействия

личных значений колебательных квантовых чи­

окружающей среды. Конечно, и там происходят

сел

r

квантовые

биения.

Однако

тепловое

v >О.

движение

С помощью специально разработанных ком­

сбивает ход биений механическими ударами, за­

пьютерных

ставляя систему совершить вынужденный пере­

ментов, показавших,

ход в новое состояние, когда переход реализуется

при сложении нескольких нормальных колеба­

(или в прежнее состояние, когда реакция не со­

ний с высокими значениями

стоялась).

Под

провели

ряд

экспери­

что происходит в молекуле

v.

Оказалось, что

время

результаты наблюдений позволяют количественно
объяснить ряд биофизических явлений и пред­

нии квантовых биений существенно сокращается,

положить важность этих явлений в эволюцион­

тем

ной истории живого вещества.

реализуются

окружения

мы

существования молекулярной системы в состоя­

самым

воздействием

программ

совершенно

иные

усло­

вия изотопного фракционирования.

В работах по изучению изотопного фракцио­

5. 1.

нирования в продуктах ферментативных реакций

Механика суммарных колебаний
в молекулярной среде

не всегда наблюдаются данные, говорящие о про­

Результат сложения нормальных колебаний в

текании реакции в условиях полной термодина­

мической изоляции. Этот факт становится понят­

молекулярном

объекте существенно зависит от

ным, если учесть, что некоторые ферментативные

симметрии объекта. Вся физика твердого тела ба­

реакции проходят с участием кофакторов. Если

зируется на факте наличия трансляционной сим­

кофактор является частью тела фермента, то он

метрии в кристаллах. Там нормальные колебания

тем самым связывает реагирующую

систему и с

среды организуются в форме стоячих волн. Полу­

телом белка, и с окружением белка. И там, и там

чаются движения, периодические во времени и в

происходит тепловое движение, которое сбивает в

пространстве.

какой-то

поддается

мере

квантовые

биения

в

системе

и

Это

анализу

явление
и

сравнительно

позволяет

легко

прогнозировать

уменьшает время этих биений. Реакция в такой

такие физические проявления вещества, как теп­

системе протекает в условиях меньшей изоляции,

лоемкость. В биополимерах симметрия отсутст­

что сказывается на результатах изотопного фрак­

вует. Поэтому никакие стоячие волны в живом

ционирования.

веществе наблюдаться не могут. Поэтому резуль­
тат суммирования многих нормальных колебаний

5.

в сложной органической молекуле можно проана­

Эффекты одновременного

лизировать лишь численными методами. Предска­

возбуждения многих

зать физические и химические следствия одно­

нормальных колебаний

временного возбуждения нескольких колебаний

в крупной органической

до высоких значений квантовых чисел

v

также

можно только средствами молекулярного модели­

молекуле

рования. Наш опыт показывает, что это дает инте­

Известно, что в молекуле реализуются одно­

временно все нормальные колебания. Даже при

ресные результаты, ведущие к важным для био­
физики заключениям.

Известно, что при сложении колебаний с про­

Т = О возбуждены все нормальные колебания при
значениях квантовых чисел

v =О.

Этому соответ­

извольным

соотношением

частот

получается

ре­

ствует значительная колебательная энергия круп­

зультирующее непериодическое колебание. В слож­

ной органической молекулы. В веществе в усло­

ной органической молекуле складываются много­

виях термодинамического равновесия при Т > О

численные нормальные колебания, частоты кото­

колебательные уровни энергии ансамбля молекул

рых

заселены в соответствии с распределением Больц­

отношения частот бывают совершенно произволь­

мана. Однако молекулярная физика до сих пор

ными. В результате получаются движения, непе-

лежат

в

очень

широком

диапазоне,

причем


В. А. Дементьев. Вопросы химической эволюции, решаемые средствами молекулярного моделирования

279

риодические во времени и в пространстве. Для

энергии. Этим и объясняется частично тот факт,

нас важно, что амплитуды этих движений очень

что биохимические реакции протекают при очень

прихотливо зависят от времени. В естественных

низких температурах. Полное объяснение этого

колебательных координатах можно наблюдать та­

факта включает еще представление о туннельном

кие моменты, когда даже при сравнительно низких

механизме реакций и о роли снижения резонанс­

возбуждениях отдельных нормальных колебаний

ных уровней ангармоническим характером коле­

определенные

баний молекул.

колебательные

координаты

вдруг

приобретают большие энергии. В декартовых ко­

Теперь

становится ясно,

почему эволюция

ординатах тогда наблюдаются резкие сближения

живого вещества на самой ранней стадии пошла в

некоторых атомов в молекуле. Это дает возмож­

сторону отбора крупных жизненно важных моле­

прогнозировать

кул. Такие молекулы имеюг многочисленные уров­

явления, связанные с химическими превращения­

ни колебательной энергии, что облегчает возник­

ми в крупных органических молекулах.

новение квантовых

ность

понять,

диагностировать

и

Построена и эксплуатируется сервисная про­

грамма,

позволяющая

выбрать

из

списка

всех

формами

биений между различными

реагирующей

молекулярной

системы.

Такие молекулы могут легко запасать тепловую

нормальных колебаний некоторые колебания, за­

энергию

дать значения их колебательных квантовых чисел

ружением и затем тратить часть этой энергии на

в

термодинамическом равновесии

с

ок­

колебания.

активацию химического превращения. Кроме то­

Этот инструмент удобен для упрощенной диагно­

го, такие молекулы конформационно чрезвычайно

v>О

и

наблюдать

результирующие

стики реакций. Имеется возможность непосредст­

подвижны, что облегчает их адаптацию к услови­

венно наблюдать, насколько близко участвующие

ям протекания реакций. В частности, в сложном

в реакции атомы подходят к их новым положени­

акте ферментативной реакции молекулярная сис­

ям и насколько часто это случается. В фотохими­

тема должна проникнуть в полость фермента, там

ческой реакции можно выяснить, какие именно

пространственно сориентироваться, а после реак­

колебания в молекуле и насколько должны быть

ции продукт и фермент должны понять, что они

возбуждены излучением, чтобы реакция прошла с

теперь чужие. Без конформационной подвижно­

заметным квантовым выходом.

сти, без электрон-конформационного взаимодей­

Для биофизики, в частности для физики фер­
ментативных реакций, можно сделать такой вы­

ствия,

по Волькенштейну, такая приспособляе­

мость была бы совершенно неосуществима.

вод. Субстрат перед попаданием в полость фер­
мента

лой.

находится

Значит,

в

в

тепловом

молекуле

нормальные колебания с

равновесии

возбуждены

v >О.

со

сре­

какие-то

Вероятности этих

возбуждений следуют распределению Больцмана

6.

Сопоставление полученных

результатов с концепцией
эволюции Э. М. Галимова

11ри данной температуре. Это обеспечивает моле­

куле заметный запас полной колебательной энер-

В данной работе обсуждаются частные ре­

1·ии, поскольку молекула располагает множеством

зультаты компьютерных опытов, способные про­

нулевых вкладов в энергию (Ео = 1/2v см- 1 для од-

яснить некоторые механизмы химической эволю­

1юго нулевого колебания) и несколькими вклада­

ции. Однако совокупность этих частных результа­

ми повышенной энергии (Ev

тов позволяет усмотреть некоторые общие прави­

=

v (v + 1/2) см- для
1

каждого возбужденного колебания). Попав в по-

ла и движущие силы эволюции,

1юсть фермента, молекула не может потерять эту

на молекулярном уровне. Покажем, как эти пра­

111ергию, но не может и приобрести добавочную

вила, сформулированные на языке молекулярного

проявляющиеся

~1сханическую энергию теплового движения из-за

моделирования, согласуются с концепцией, изло­

слабых связей с телом фермента. Следовательно,

женной Э. М. Галимовым в книге (Галимов,

11от первоначальный запас колебательной энергии

и развитой им в выступлениях на конференциях, а

\tолекулы и

есть та энергия, которая может час-

также в работе

(Galimov, 2009).

2001)

Эта недавняя ра­

111чно потратиться на активацию реакции. И чем

бота имеет говорящее о многом название, которое

крупнее молекула субстрата, тем больше этот запас

по-русски звучит так: «Концепция удерживаемого


280

Глава

111. Теоретические

и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

упорядочения и механизм происхождения жизни,

для

связанный с молекулой АТФ».

Это будет превращением хаотической жидкости в

'1

предбиологической

химической

эволюции.

Названия этих двух работ, сколь бы емкими

кристалл льда с его малой структурной подвиж­

они ни бьmи, не исчерпывают сложного содержа­

ностью. Картину упорядочения молекул воды в

ния концепции. У концепции имеется несколько

малых масштабах можно дополнить более слож­

взаимосвязанных составляющих. Поэтому удобно

ными событиями при столкновении с молекула­

будет сравнивать

общие результаты

ми, содержащими углерод и азот. Тут может поя­

данной работы с этими отдельными положениями

некоторые

виться и аденозин. Но остановимся и лишь обра­

цельной концепции. Перечислим эти положения

тим внимание на то, что тяжелые ядра кислорода,

(они будут выделены полужирным шрифтом, что­

азота и углерода родились не в этой капле воды,

бы не вставлять непрерывно ссылки (Галимов,

они дети некоей сверхновой, в которой когда-то

и проверим, насколько ре­

давно гравитационные силы создали условия для

2001; Galimov, 2009))

ядерного горения и проявления глубоко спрятан­

зультаты данной работы с ними согласуются.

1.

Химическим системам предписано пове­

дение

ограничения

взаимодействий.
удерживаемого

и

возможных

Отсюда

вытекает

нарастающего

ных сил сильного ядерного взаимодействия. Вот

и

из этой согласованной несоизмеримости мировых

тенденция

констант и свойств элементарных частиц с неиз­

движений

упорядочения

в

бежностью вытекает прогноз: упорядочению ма­

химическом мире. Возникает вопрос: где это про­

терии, ее далеко идущей эволюции

писано и предписано? Ответ: в фундаментальных

гласованности всех ветвей и уровней эволюции

свойствах элементарных частиц и в значениях

быть. А дело появившихся в процессе эволюции

мировых физических констант.

В частности, в

ошеломляющей несоизмеримости электрической

физиков

-

быть. Со­

-

-

скрупулезно проверять, работает ли

это предписание, оправдывается ли этот прогноз в

и гравитационной силы, с которыми взаимодей­

разных

ствуют два электрона или протона. Отношение

работы показывают, что предписание работает на

электрической силы к гравитационной составляет
40
10 . Но именно эта несоизмеримость порождает

уровне,

-

на Земле. В космосе

ситуациях.

доступном

Результаты

молекулярному

данной

моделирова­

нию. Можно временно успокоиться.

2. Удерживаемый

согласованные ветви эволюции материи в космосе

и в крошечном его уголке

простых

тельный

характер

(sustained),
процессов

продолжи­

упорядочения

в

вещества обеспечивается в стационарных сис­

борьбе со случайными неравномерностями рас­

темах неравновесных процессов. При этом от­

пределения вещества в пространстве. Электриче­

клонение от равновесия должно быть неболь­

ских сил там не видно. На Земле, в капле воды, в

шим, а сами процессы

состоянии невесомости бушуют грозные электри­

независимыми от собственной продукции. Это

ческие

требование является трудным, противоречивым,

гравитация

создает

силы,

колоссальные

проявляя свою

структуры

мощь лишь

на ма­

-

линейными, то есть

лых межатомных и межмолекулярных расстояни­

но живое вещество прекрасно

ях.

выполнением,

А

предписанный

микрочастицам

квантово­

доказывая,

что

справляется
имеется

с

его

аттрактор

механический закон ограничивает их движения и

таких процессов. Аттрактором является само ста­

потенциальные

ционарное

возможности

электрических

сил

состояние

тех

открытых

неравновес­

устроить общий коллапс материи на микроскопи­

ных систем, которые проявляют признаки живого.

ческом уровне. Возникают химические структу­

Этот аттрактор проявляет замечательное свойст­

ры, более сложные, чем молекула воды. Хотя бы

во,

димеры, тримеры, тетрамеры и пентамеры воды.

При его достижении неравновесная система соз­

важность

которого

невозможно

переоценить.

Обратим внимание на явное ограничение в этом

дает минимальную энтропийную нагрузку на ок­

ряду олигомеров воды. Каждая индивидуальная

ружающий мир. В условиях совершенно испор­

молекула воды может быть непосредственно ко­

тившегося,

полностью

отдельная

хаотического

открытая

мира,

неравновесная

ника­

ординирована водородными связями только с че­

кая

тырьмя другими молекулами. Конечно, ассоциат

не смогла бы в нем существовать. По контрасту,

система

воды может разрастаться и дальше. Однако харак­

нелинейная система, если и имеет аттрактор, то

тер этого упорядочения уже не будет характерным

совершенно противоположного свойства. Таким


В. А. Дементьев. Вопросы химической эволюции, решаемые средствами молекулярного моделирования

281

аттрактором является как раз полный хаос. Все

ными ранее в данной работе, только покажем их с

сказанное в этом пункте имеет отношение к усло­

другой стороны.

виям устойчивого сушествования и воспроизве­
дения живого. Но не к эволюции. Используя фи­

3 .1.

В недрах сверхновой ядро средней массы

бомбардирует готовое тяжелое ядро. Часть прото­

гуры речи, удобные для использования понятия

нов и нейтронов снаряда могут застрять в тяже­

финализма в биологии, заметим, что эволюция

лом ядре. Получается более тяжелое ядро с более

остро заинтересована в продуктах эволюции. Что

богатыми потенциальными эволюционными спо­

она очень ценит и ловко использует удачные ходы

собностями. Проявятся эти способности потом, в

и продукты эволюции. Комбинаторный принцип

более холодном мире, где ядро спокойно оденется

эволюции позволяет ей быть очень экономной.

электронами и создаст тяжелый химический эле­

Это было здесь показано на примитивном приме­

мент с его переменной валентностью. Но пока на­

ре ядерного синтеза. Как в недрах сверхновой, так

блюдается упущение эволюционных возможно­

тяжелые

стей упорядочения ядерной материи. Новое ядро

атомные ядра получаются не из отдельных нукло­

ждет нового удара. Но, начиная с некоторой за­

нов, а при столкновениях уже готовых ядер сред­

метной массы, скажем с

ней массы. Но позвольте, если эволюция связана с

удар может не привести к усвоению этим ядром

преимущественным

нового набора нуклонов. Силы отталкивания про­

и

в

ускорителях

многозарядных

ионов

использованием

продуктов

90

а. е. м., следующий

эволюции, то ее результаты зависят от ее собст­

тонов

венной продуктивности.

щие ядро сильные взаимодействия между нукло­

Следовательно, эволю­

в

начинают превышать

нами.

цепции приходит к правдоподобному прогнозу,

может сушествовать ядро с массой

что нынешнее состояние эволюции, ускоренной

в макроскопическом масштабе космос не заметит

антропогенными процессами, может закончиться

появления нового химического элемента. Эволю­

переходом к нелинейному аттрактору, к хаосу. По­

ция останавливается. Но не уходит навсегда с об­

зволим себе усомниться в правдоподобии этого

щей сцены преобразования материи. Сравнитель­

прогноза на основании наблюдения за сегодняш­

но тяжелое ядро в уютных условиях прохладной

что-то

не

позволяет

проявиться

этому

-

стремле­

микроскопическом

цементирую­

ция это нелинейный процесс. Отсюда автор кон­

ним состоянием эволюции. Факты намекают

В

ядре

масштабе

11 О

времени

а. е. м., но

Земли входит в состав биологически важного со­

единения, в кодон чьей-то ДНК. Известно, что
~

2

нию к естественному аттрактору, к хаосу. Что-то

каждыи см

сдерживает семимильные шаги эволюции. Даже

вергается облучению двумя жесткими космиче­

поверхности живого организма под-

не шаги, поскольку эволюция способна за счет

скими частицами каждую минуту. Когда-то такая

использования собственных достижений и про­

частица попадет в данное ядро и вызовет измене­

дуктов

ние его порядкового номера в таблице Менделее­

совершать

резкие

скачки,

перепрыгивая

через возможные промежуточные виды и формы.

ва.

Что это за сдерживающий фактор? Автор концеп­

может дать такую мутацию, которая вызовет эво­

ции задает следующий законный вопрос.

3.

Есть ли

Тогда химически модифицированный кодон

люционный скачок. Положительный или отрица­

предел биологической эволю­

тельный в плане будушего упорядочения химиче­

ции? Дополним. Есть ли предел химической эво­

ского материала. Как повезет. Но это есть редкое

люции? Космологической? Социальной? Закон­

проявление все же продолжающейся эволюции на

ное расширение

ядерном уровне организации материи.

есть

подозрение,

люции

постановки
что

универсальны.

молекулярного

вопроса,

внутренние

поскольку

пружины

эво­

Наблюдение результатов

моделирования

позволяет

наме­

3.2. Атом

водорода охотно

объединяется с

другим атомом водорода. Таковы квантово-меха­
нические свойства протона и электрона. Им удоб­

тить ответ. На каждом отдельном историческом

но объединиться в коллектив из двух протонов и

отрезке

двух электронов. Но дальше

эволюционного

процесса

он

наталкива­

ется на почти абсолютный «стою>. Сигнал «стоп»

свойства

микрочастиц

-

«стоп». Эти же

запрещают

дальнейший

генерируется не пружинами эволюции. Он исхо­

ход эволюции в данном направлении. Металличе­

дит от того материала, над которым трудится эво­

ский водород

люция. Проиллюстрируем примерами, разобран-

чем реальность. Однако получившаяся молекула

-

это скорее техническая мечта,


282

Глава

водорода

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

является

ценным

материалом

для

эво­

в глубины крупной молекулы, чтобы все прочи­

люционного процесса в других направлениях. Хо­

тать. Это избыточная сложность биологических

тц. бы в таком. У этой молекулы есть развитая

структур.

электронная поверхность. В сущности вся элек­

информацию, а только лежащую на поверхности

тронная плотность

поверх­

молекулы. Поверхность большой молекулы тоже

ность. И там, где важны межмолекулярные ван­

большая. Не удастся прочесть химическую ин­

дер-ваальсовы

формацию

молекулы это и есть

силы,

водород

проявляет

себя

Ничего,

-

будем использовать не

всю

тоже ничего. Есть физическая ин­

очень активно и энергично. А отмеченная в дан­

формация, проявляющаяся как структура внешне­

ной работе подвижность протонов в молекуле во­

го

дорода позволяет ему легко вступать в акты хи­

плотность неподеленных пар валентных электро­

мического

другими

нов. Один вид информации будем использовать в

молекулами. Более того, даже утеряв свою моле­

налаживании ван-дер-ваальсовых связей, второй в

превращения,

соединения

с

электростатического

поля

молекулы

или

как

водород

формировании водородных связей. С помощью и

сохраняет свою эволюционную ценность. Как по­

того, и другого будем строить новые пригодные

казано в теории (Грибов, Баранов,

для эволюции объекты

кулярную

идентичность

в

таких

актах,

2006),

именно

супрамолекулы. А тут

-

перескоки протона из одной потенциальной ямы в

уж недалеко до ДНК и до субстрата, распятого в

другую составляют сущность многих реакций в

полости фермента именно такими легкими связя­

мире органических молекул. Тем самым новые

ми. Академик А. И. Коновалов сказал:

крупные

молекулы

органические

молекулы

теперь

продол­

-

«Супра­

это мостик между неживой и жи­

жают наметившуюся линию эволюции. Мы знаем,

вой

что эта линия является очень протяженной. Одна­

создается на молекулярном уровне, а считыва­

материей».

ко мы не наблюдаем органических молекул раз­

ется

мером с дом. В чем дело, отчего бы молекулам не

скольку прямо развивает концепцию. В данной

расти, приобретая все большую и большую эво­

работе бьшо проиллюстрировано, как с помощью

люционную ценность. Ответ дан в тексте данной

такого супрамолекулярного механизма обеспечи­

работы. Крупная органическая молекула обладает

вается

на

Он же сказал:

супрамолекулярном».

стандартизация

«Информация

Выделено,

низкоэнтропийных

по­

про­

очень большим запасом колебательной энергии

дуктов ферментативных реакций. Это есть эво­

даже при температуре Т = О К. Сложение множе­

люционный консерватизм. Очень хорошо. По­

ства нормальных колебаний приводит к хаотиче­

чему бы, двигаясь в этом направлении, не по­

скому брожению микроскопических областей ко­

строить живой организм из одних супрамолекул?

лебаний с большими амплитудами по всему моле­

Совершенный организм, где сплошная информа­

кулярному пространству. Возникает возможность

ция и никакой дезинформации. Тем более, что

для какой-то

экспериментально

валентной связи преодолеть свой

показано

-

супрамолекулы

предел диссоциации в ангармоническом колеба­

склонны

нии. Связь рвется, очень крупная молекула быст­

упорядочению химического мира. Но это было бы

ро погибает.

Ветвь эволюции

пресекается.

Но

к

самосборке,

к

самопроизвольному

нехорошо. Сверхупорядоченное вещество со стан­

ценный в эволюционном плане материал не про­

дартными структурными

падает. Только эволюция теперь вынуждена ис­

сталл не живет. Даже такой сложный, принципи­

пользовать этот материал на другом пути.

ально несимметричный объект, как белок, из-за

3.3.

Крупные

мулируют в

органические молекулы

своих структурах

акку­

-

это кристалл. А кри­

строгой стандартности структуры и конформации

огромные количе­

легко кристаллизуют ради рентгеновского струк­

ства информации (синоним низкой энтропийно­

турного анализа. Только вот в кристаллической

сти ). Очень ценное эволюционное качество. Как

форме белок не работает. Что же останавливает

же им не воспользоваться? Что делать? Ясно

эволюцию на этом благородном пути? В другой

-

соединять информацию с информацией, получая

форме этот вопрос прозвучал на конференции в

более ценную информацию. Правда, никакие хи­

рамках данной Программы, проведенной в Каза­

мические процессы не способны прочесть весь

ни. Из зала поступил вопрос: «Если супрамолеку­

объем информации, содержащийся в молекуляр­

лы такие прочные, то почему невозможен вечный

ной структуре. Просто невозможно проникнуть

организм?». Ответ получен в данной работе. Суп-


В. А. Дементьев. Вопросы химической эволюции, решаемые средствами молекулярного моделирования

283

рамолекулы хорошо защищают свои супраструк­

Мир рушится и погибает, а мы на этом фоне жи­

туры

вем и развиваемся. Значит, тому есть объективные

от

внешних

тепловых

ударов,

поскольку

проводниками

причины. Пока мы не можем написать уравнение

энергии этих ударов. Но крупные молекулы, вхо­

этого движения, подобно уравнению движения в

дящие в состав ассоциатов, также подвержены ко­

механике. Не можем, поскольку еще не изобрели

лебательной деструкции, как и свободные круп­

адекватной системы отсчета для описания движе­

ные молекулы. И даже за короткое время жизни

ний в пространстве жизни и не угадали закона

организма в его информационных хранилищах

всемирной

накапливаются ошибки, дезинформация. Проис­

эволюцию и говорить временно, что у эволюции

ходит старение и разрушение. А вот это и вправду

есть цель

хорошо. В нашей предыдущей работе по данной

полнить

Программе выяснено, что без разрушения, без

этой работы эволюция создает свои эволюцион­

разборки генетического материала,

ные ценности и экономно их использует. Не

легкие

связи

являются

плохими

невозможна

эволюции.

-

Остается

очеловечивать

сама эволюция, которая должна вы­

предписанную

ей

работу.

В

процессе

его повторная самопроизвольная сборка, невоз­

обязательно тут же использует найденные цен­

можно передавать вперед информацию о ценных

ности в создании соответствующих фенотипов,

в эволюционном плане структурах. Невозможен

откладывает это на потом.

В работе

генетический код. Эволюцию супрамолекул надо

было остановить. И она бьша остановлена. Одна­

(Galimov, 2009)

автор концепции ут­

верждает (в переводе с английского):

ко остался ценный продукт эволюции, обеспе­

«Продукт с эффективным эволюционным

чивший еще более стремительную эволюцию. Это

преимуществом это не тот, который более ста­

нашедшие друг друга нуклеотиды и полипептиды.

билен или дает больший выход, но который

К сожалению, пока молекулярное моделирование

обеспечивает связь с последующим упорядоче­

не добралось до постановки и решения актуаль­

нием. Это напоминает блуждания в лабиринте:

ной задачи: как эти два класса соединений распо­

правильный шаг не туда, где будешь чувство­

знали

вать себя комфортнее, но туда, где открывается

эволюционную

самоценность

биоза? Поэтому пункта

3.4

своего

сим­

пока не будет. Остает­

путь вперед к выходу».

ся повисшая в воздухе догадка, что подобные

Позволим себе последний аргумент в пользу

сигналы «стоп» ожидают эволюцию на любом из

нашей идеи о существовании цели эволюции. Бу­

ее путей и с любым материалом.

дем действовать заслуженным методом доведения

В заключение этого раздела отметим пункт, в

условий рассмотрения до абсурда.
Пусть эволюция по Галимову дала некий со­

котором наши опыты по молекулярному модели­
рованию

не

согласуются

с

одним

положением

концепции эволюции. В книге (Галимов,

вершенный фенотип. Образовался некий биоло­

ут­

гический вид с замечательными автотрофными

верждается, что эволюция не имеет плана и цели.

свойствами. Пусть с помощью эволюции по Дар­

Можно сказать и так. А можно заметить, что план

вину элиминированы все предшественники этого

высших форм

организации материи записан в

вида. Утерянный по Мильтону рай возвращен и

свойствах элементарных частиц. Реализуется этот

предельно усовершенствован навсегда. Автотроф­

план в режиме,

вых

2001)

определяемом значениями миро­

физических

констант.

Мы

не знаем

всех

ному виду не угрожает первородный грех, по­

скольку автотрофным существам яблоки не нужны,

свойств элементарных частиц, а поэтому не мо­

а

жем

программу вида, не является ошибкой, то есть

прогнозировать,

как

должен

выглядеть

мир

половое

размножение

входит

в

генетическую

на своем высшем уровне возможного усложнения.

грехом (по-болгарски ошибка

Но мы видим тенденцию его усложнения. Как ви­

хорошо, но мы уже много раз видели, как тепловое

;щм и тенденцию к его упрощению, разрушению.

движение крупных молекул приводит к их гибели.

коротком промежутке истории Вселенной, в

Совершенный вид через много поколений райской

очень маленьком ее пространственном участке, в

жизни испортится и вымрет. Его не спасет даже

13

-

грешка). Все бы

Солнечной системе, на Земле мы замечаем, что

половое

гснденция усложнения материи серьезно преоб­

одного и того же постепенно портящегося генома.

тщает над тенденцией упрощения и разрушения.

Этому виду окунуться бы в генетический океан

размножение,

вращающееся

в

пределах


284

Глава

111. Теоретические

и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

возможностей

с нашими программами упрощенной и полной ди­

(напоминаю, что выделены полужирным элементы

агностики химических превращений может дать в

концепции). А нет никакого генного океана! И уже

руки исследователей химической эволюции мощ­

нет следов единственного совершенного вида. Он

ный рабочий инструмент.

разнообразных

потенциальных

'f

4.

пресекся, а с ним пресеклась жизнь.

Располагая новыми программными средст­

Отсюда следует пусть частный, пусть незна­

вами, можно найти ответ на вопрос, как в пред­

чительный пункт, который можно было бы доба­

биологическом химическом мире могли само­

вить к концепции эволюции. Попробуем спрогно­

стоятельно найти друг друга полипептиды и

зировать, как бы выглядел этот пункт в новой

полинуклеотиды, чтобы сформировать систему

формулировке автора концепции.

передачи структурной информации в будущее.

Эволюция

одной

из

своих

целей

имеет

Но эту работу надо организовать как с участием

жизнь, поскольку эволюция естественным об­

специалистов по молекулярному моделированию,

разом входит в систему условий существования

так и биохимиков, и биофизиков. Такие возмож­

устойчивой, удерживаемой

ности у исполнителей Программы есть.

(sustained)

жизни.

5. В

работе сделана попытка дать критерий

эволюции на молекулярном уровне, а также про­

Выводы и перспективы

яснить некоторые черты того закона природы, ко­

торый направляет органическое вещество в сто­

Методы визуального молекулярного моде­

рону эволюционного развития. Для продвижения

лирования успешно проявили себя как инстру­

научной мысли в этом направлении необходимо

1.

мент исследования эволЮционных следов разви­

выработать адекватный способ описания процес­

тия сложных органических соединений.

са химической эволюции. Для этого требуется

2. Дальнейшие

поиски таких следов предпола­

найти подходящую систему координат, движение

гают исследование возможности распознавания со­

в которой изображается многомерным вектором.

единений на ранних этапах развития жизненно важ­

Каждый компонент этого вектора должен быть

ных молекул. За этим следует выяснять возмож­

определен

ность образования супрамолекулярных конструкций

друг друга в соответствии с принципом Бора.

с участием данных кандидатов. Затем выяснять воз­

6.

через

пару

признаков,

дополняющих

Одна из таких пар установлена в данной

можность протекания в этих конструкциях реакций,

работе. Вектор состояния химического мира дви­

способных привести к появлению соединений с бо­

жется в сторону эволюции, если в процессе раз­

лее перспективными эволюционными свойствами.

вития возникают новые устойчивые соединения,

3. В

данной работе основное внимание было

одновременно приобретающие более ценные эво­

уделено исследованию возможности диагностиро­

люционные

вать химические превращения, опираясь на после­

свойства. Этот признак позволяет, например, ре­

довательную

шить, является ли эволюцией следующий про­

квантовую

теорию

таких

превраще­

ний, но более простыми средствами, чем прямая

цесс.

При

возможности

многократном

и

теряющие

циклическом

другие

нагрева­

оценка вероятности реакций. Созданы и протести­

нии-высушивании

рованы сервисные программы для визуальной ди­

набора мономеров, склонных к поликонденсации,

и

охлаждении-увлажнении

агностики химических реакций. Результаты тести­

некоторые формы полимеров выживают, а многие

рования показали качественное и полуколичествен­

навсегда уходят с химической сцены. Если вы­

ное согласие упрощенной диагностики с полным

живший полимер не теряет свойств распадаться

квантовым расчетом вероятности химического пре­

на мономеры, то это эволюция, но, по Бору, это

вращения. На этапах распознавания молекулами

слабая, Дарвиновская, эволюция. Это известный

друг друга, приводящего к возможности структур­

сценарий выживания выживающих. Иными сло­

ной перестройки, мы не сосредоточивались. Из­

вами, это сценарий вымирания вымирающих. Если

вестны

на­

же этот процесс случайно дает такие устойчивые

пример «Сибилш>, позволтощие визуально исследо­

полимеры, которые приобрели свойства помогать

вать процессы докинга органических молекул. Объ­

другим веществам развиваться, тогда, по Бору, это

единение возможностей программ типа «Сибилш>

продуктивная эволюция химического мира.

коммерческие

сервисные

программы,


В. А. Дементьев. Вопросы химической эволюции, решаемые средствами молекулярного моделирования

7.

Из реального опыта молекулярного модели­

285

Литература

рования и из приведенных выше иллюстраций вид­
но, что физических представлений вполне доста­
точно для выявления причин химической эволюции.

8. Физика способна предсказать некоторые
шаги химической эволюции.
предсказать

существование

Например,

некоторого

можно
предела

химической эволюции. Так, в процессе химиче­

ской эволюции молекуле было дозволено приоб­

Волькенштейн МВ.

(1988)

Галимов Э. М

(2001)

пы эволюции. М.

Грибов Л. А.

(2008)

URSS.

Колебания молекул. М. ЛKИ/URSS.

Грибов Л. А., Баранов В. И.

М.: КомКнига/URSS.

основания). Однако

-

крупная органическая молекула не может быть по
всей поверхности усеяна разнородными реакци­

онными центрами. На это есть чисто физические
ограничения, сходные с принципом Паули

та­

-

кие близко расположенные центры мешали бы

друг другу. Отсюда можно предположить, что фи­

(2006)

Теория и мето­

ды расчета молекулярных процессов:

акционных центра, которые не мешают друг дру­

слоты, а на другом конце

Наука,

сием и нелинейностью. Происхождение и принци­

мические

одном конце цепи могут проявлять свойства ки­

М.:

Феномен жизни. Между равнове­

рести два далеко разнесенных в пространстве ре­

гу (линейные биологически важные молекулы на

Биофизика.

Физматгиз.

превращения

ГрибовЛ. А., Дементьев В. А.
нии

в

молекулярных

и

(2010)

51.

№

логика.

Волновые движе­

наноструктурах:

компьютерных экспериментов.
ной химии. Т.

спектры, хи­

молекулярная

результаты

Журнал

структур­

2, 331-336.

Грибов Л. А., Дементьев В. А.,

Михайлов И. В.

(2008)

Матрицы смежности и графы химических превра­

щений.
С.

Журнал

структурной

химии.

Т.

49.

№

2.

211-214.

Дементьев В. А.

(2008)

Компьютерное моделирование

процесса возникновения генетического кода. В сбор­

зические свойства микрочастиц не только способ­

нике «Проблемы происхождения и эволюции био­

ны двигать эволюционный процесс вперед, к ус­

сферы». Под редакцией академика Э. М. Галимова.

ложнению

и

наращиванию

эволюционных

воз­

можностей вещества, но и способны положить
предел этому движению. Ограничение скорости
химической

эволюции,

возможно,

есть

момент

начала иной, биохимической эволюции. На этом

новом этапе эволюции материи физические методы
исследования

механизмов

усложнения

вещества

могут оказаться не столь эффективными, как было
показано в данной работе. Несомненно одно

-

раз вещество сложено из элементарных частиц, то

физические

методы

моделирования всегда ока­

жутся полезными дополнениями к средствам дру­

гих, более сложных наук.

М.: Книжный дом «Либроком»!URSS.
Дементьев В. А.

(2012)

Моделирование колебательных

состояний молекул в вычислительной среде Мат­

Лаб.

Palmarium Academic PuЫbshing.

Семинар «Биомолекулы и супрамолекулярные системы

в

предбиологической

17-18

эволюции».

(201 О)

Казань,

июня.

Galiтov Е. М

(2009). Concept of Sustained ordering and
ATP-related mechanism of life's origin. Inter. Jour.
Mol. Sci. V. 10. Р. 2019-2030.
Galiтov Е. М (2006) Isotope organic geochemistry. Organic geochemistry. V. 37. Р. 1200-1262.
Galiтov Е. М ( 1985) The Biological Fractionation of Isotopes. N.-Y.: Academic press.


ПРЕДБИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ МАКРОМОЛЕКУЛ.

ТЕРМОЦИКЛ -

УСЛОВИЕ СИНТЕЗА И КОМБИНАТОРНОГО ОТБОРА

С Д Варфоломеев(*), С В. Лущекина(*), О. Н. Карпухин(**)
(*)Институт биохимической физики им. Н. М Эмануэля РАН.
(**)Институт химической физики им. Н. Н. Семенова.
sdvarj@sky. chph. ras. ru
sofYa. lиshchekina@gmail. сот
konl 935@тail.ru

В этой работе приводятся представления о том, что само возникновение биополимеров обусловлено вы­
сокотемпературными процессами, при этом термоцикл является движущей силой синтеза и эволюции пред­
биологических форм полимерных систем. Приводятся кинетические модели предбиологической эволюции
макромолекул и модели кинетического отбора оптимальных конфигураций макромолекул.

римы в гидрофильных жидкостях. Их полная

Введение

деструкция

с расщеплением на

водной среде

Феномен жизни как формы существования

-

мономеры в

это вопрос времени. Очевид­

функционализированных полимеров, способных

но, что синтез предбиологических макромо­

дублироваться («размножаться»,

лекул требует специальных условий.

синтезировать

близкие по структуре или комплементарные мак­
ромолекулы).
Два абсолютно неоспоримых факта, характе­

Все биополимеры

-

продукты полимериза­

позволяет

силе

гипотеза

о

термо­

предбиологического

описание и экспериментальная проверка этой ги­

ции трифункциональных мономеров. Две хи­

потезы представлены в работах (Варфоломеев и др.,

мические группы (функции) участвуют в об­

2008;

Varfoloтeev,

2007).

Если поместить водный раствор мономеров

разовании химических мономер-мономерных

связей (амин о-карбоксильная группа в белках

в

и

гидрок­

туры с условием преодоления температуры фа­

в РНК и ДНК).

зового перехода, мы будем иметь уникальные

пептидах;

фосфорная

сильная группа углеводов

кислота

Третья функциональная группа
ная группа мономера,

-

-

структур­

отличающая один мо­

номер от другого (заместители в а-положе­
нии

2.

противоречия

цикле как движущей

синтеза и отбора макромолекул. Теоретическое

ризующие живые системы:

1.

Разрешить эти, на первый взгляд неразрешимые,

аминокислот,

пиримидинпуриновые

ос­

систему с

циклическим

изменением темпера­

условия синтеза и комбинаторного отбора мак­
ромолекул.

1.

При температуре выше температуры фазо­

вого перехода создаются термодинамические (пе­

нования в нуклеотидах).

ренос образовавшейся воды в газовую фазу) и ки­

В условиях предбиологической полимериза­

нетические (ускорение химических реакций) ус­

ции в водной среде пептиды и фосфодиэфир­

ловия образования пептидных и фосфодиэфирных

ные связи самопроизвольно образоваться не

связей и реализация процессов твердофазной по­

могут. Более того, все функциональные по­

ликонденсации мономеров.

лимеры живых систем

-

белки, нуклеиновые

2.

При обратном переходе системы в усло­

водорас­

вия ниже температуры фазового перехода имеет

творимые в воде соединения и плохо раство-

место образование водной фазы и сосуществова-

кислоты,

полисахариды

-

хорошо


288

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

ние образованного полимера в растворе с моно­

1)

фективно концентрирующие и сорбирующие

мерами.

r

3.

преимущества имеют структуры, более эф­

Повышение

температуры

мономеры и тем самым реализующие более

на следующем

быстрый синтез полимерной цепи;

этапе ведет к уменьшению в среде воды и суще­
ственному концентрированию растворов полиме­

2)

преимущества имеют структуры, более ус­

ров и мономеров, вплоть до образования твердой

тойчивые к гидролитическому расщеплению

фазы. В этих условиях при высоких температурах

на мономеры. Комплексы полимеров с моно­

происходят два конкурирующих процесса:

мерами, возможно, более устойчивы к про­

а) полимерные молекулы не являются индиф­

цессам гидролиза. Побеждает более «быст­

ферентными участниками процесса. При ус­

рый» и «устойчивый».

ловии

Как было показано

сродства

за

счет

супрамолекулярных

взаимодействий могут и должны образовы­
ваться

водородные,

кулоновские,

ван-дер­

(Varfolomeev, 2007),

ко­

лоссальным конкурентным преимуществом явля­

ется появление каталитических свойств в гидро­

ваальсовые связи между функциональными

лизе <<Неудачных» макромолекул, в синтезе поли­

группами полимерной цепи и мономерами.

меров или в синтезе мономеров.

Это приводит к концентрированию мономеров,

Экспериментальная работа (Варфоломеев и др.,

облегчая процессы полимеризации, и ком­

2008)

плементарной селекции мономеров на поли­

теории. Работа бьmа сделана на примере синтеза

мерной матрице. Полимер всегда оказывает

олигопептидов ограниченной длины цепи, позво­

влияние

ляющей детальное изучение последовательности

на состав

молекулярного

продуктов

в

взаимодействия

силу

супра­

мономера

с

полимером. Адсорбция мономера на полимере

подтвердила основные положения развитой

аминокислот в цепи. Было экспериментально по­

казано,

что

при

твердофазной

полимеризации

может характеризоваться очень слабой степе­

аминокислот

нью селекции, но за счет большого числа цик­

структур

лов

ние системы приводит к существенному сужению

это

способно

привести

к

образованию

происходит

с течением

уменьшение

вариантов

времени и термоциклирова­

комплементарных цепей и «размножению» мо­

разнообразия структур полимерных молекул (Вар­

лекул определенной структуры (см. работы

фоломеев и др.,

(Vaifolomeev, 2007; Варфоломеев и др., 2008));
б) при высоких температурах, приближающихся

2008).

Данная работа является продолжением разви­
ваемой концепции,

базирующейся

на исключи­

к точке кипения растворителя, активизируют­

тельной роли термоциклов в синтезе и предбио­

ся

логической эволюции макромолекул.

процессы

гидролиза

и

разрушения

поли­

мерной цепи на фрагменты и мономеры. Этот
процесс имеет два следствия:

•

•

Представления, сформулированные в работе

(Varfolomeev, 2007),

основаны на весьма идеализи­

акромолекулярные структуры, более устой­

рованном условии бесконечного резервуара моно­

чивые к процессам гидролиза, переходят в

меров. Представляет интерес кинетическое моде­

твердую фазу с последующим процессом

лирование и анализ поведения системы в режиме

полимеризации на матрице;

ограниченности ресурсов по мономерам, т. е. иссле­

система

обогащается

гидролиза

дующим

мономерами

«неудачных»

структур

за
с

счет

после­

использованием мономеров

в

ре­

акции комбинаторного синтеза.

дование процессов с учетом материального баланса
и перехода части исходных веществ в полимер.

Очевидно, что закономерности возникновения
полимеров путем поликонденсации и их эволюции

Каковы же критерии отбора? Кто побеждает в

на принципах конкурентного преимущества по ско­

этой конкурентной борьбе макромолекул? Какая

ростям синтеза и устойчивости к деструктивным

структура в конечном итоге оказывается домини­

процессам справедливы как для полиамидов, так и

рующей в системе?

для нуклеиновых кислот. Представляет интерес ана­

Принцип отбора и конкурентные преимуше­

лиз поведения системы в режимах взаимного сосу­

ства чрезвычайно просты. Они основаны на кине­

ществования

и

потенциального

взаимодействия

тических характеристиках процесса и имеют ки­

между пептидами, РНК и ДНК с учетом особенно­

нетическую природу:

стей их макромолекулярных свойств и структуры.


С Д. Варфоломеев и др. Предбиологическая эволюция макромолекул

1.

289

Стадии роста цепи характеризуются констан­

Кинетические модели
предбиологической эволюции

тами

k2 ,

kз,

процессы «отщепления мономера»

k4,

(гидролиз олигомеров даны константами а1, (а3 ,

макромолекул в «капле»

ai).

Упрощающим является исключение из кинети­

Рассмотренная в работе (Варфоломеев и др.,

2008)

модель эволюции с кинетическим отбором

ческой схемы стадии внутримолекулярного гид­
ролиза

более устойчивых к процессам гидролиза и более
«быстрых» в реакциях синтеза структур анализи­
Процессы

ровалась в режиме бесконечного ресурса по мо­
номерам.

Ниже

рассматривается

кинетическая

модель развития событий в закрытой системе, ог­

лимера с

раниченной по возможностям ввода молекул мо­

fh_, Рз

номеров.

<щупликации»

полимера,

проте­

кающие через стадии образования комплекса по­
мономером,

представлены константами

и р4

С этой целью в кинетические схемы

введены уравнения материального баланса
Скорости стадий <щупликацию> определяются

1. 1.

Синтез гомополимеров.

концентрациями

комплексов

полимер--мономер

«Живая полимеризация»

и, в отдельном случае, могут быть представлены с

с элементами комплементарного

учетом констант равновесий комплексообразова­

синтеза на полимере

ния. Для простоты, без существенного уменьше­

Рассмотрим синтез гомополимера с учетом
процессов последовательного присоединения мо­

номера с возможностями деструкции (в данном
случае гидролиза) полимерной молекулы. В лите­

ния

общности получаемых результатов,

ных случаях:

1.

Если комплексообразование очень прочное

ратуре этот случай образования полимеров извес­

и полимер

тен как «живая» полимеризация (Гросберг, Хох­

ром,

.юв,

VJ в режиме избытка мономера

2010).

можно

рассматривать кинетику процесса в двух предель­

В дополнение к «классическому» про­

полностью

зависимость

цессу образования полимера из мономеров с воз­

линейно

можностью обратных процессов отщепления и

мера:

зависит

«насыщею> мономе­

скорости

от

«дупликации»

(N; <<

концентрации

регенерации мономера, введем стадии «дуплика-

М0 )

поли­

(2)

1щю> полимерной молекулы по описанному выше

механизму в режиме термоцикла. Для простоты,

2.

Если, в силу термодинамических условий ком­

рассмотрим гомополимеризацию с образованием

плексообразования, комплексов практически

олигомеров, общее число звеньев в которых не

нет, то скорость полимеризации имеет высо­

11ревышает четырех. Кинетическая схема процес-

кий порядок по мономеру:

1.:а для этого случая представлена в виде:

М0

= М

Nz

N2

/32

--+

при

концен­

твердую фазу, происходит «насыщение» по­
лимера мономером и для описания скорости

/3з

+ ЗМ --+ N3 + N3
k4
N3 + М -+N4
+

полимер-мономер

N2 + N2

+М ~N3

а4

~N3 +м

{34
4М --+

системе

трировании реагентов в процессе перехода в

kз

аз

N4

в

~м +м

Nз ~N2 +м

N4

Из общих соображений, можно полагать, что

az

N2 + 2М

N3

(3)

+ 2N2 + ЗN3 + 4N4
kz
М + M-+N2

N4

+ N4

(1)

реакции

<<Дупликации»

уравнение

реть

(2).

наиболее

наиболее

подходит

Однако имеет смысл рассмот­

неблагоприятный

случай

с

применением для описания стадий «дупли­
кации» уравнений типа

(3).

В этом случае

система дифференциальных уравнений будет
иметь вид:


290

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

l

100

с

о
о

70

'

60

\

50

t

0.1
Рис.

1.

1000

100

10

1

10000

Зависимость концентрации компонентов системы от времени при равенстве параметров для всех полимеров

100

с

80

0.1
Рис.

2.

10

1

2

2

константы

2 ]-

= k 3[Nz][M] -

скорости также в

аз[Nз]-

Результаты расчетов поведения комплексов

(4)

- k4[N3J[M]+a 4[N4] + P3 [N3 J[M]3;
d; = k 4[N3][M] - a 4[N4] + {14[N4][M] 4,

системы в случае равенства констант приведены

на рис.
но,

1

что

в логарифмических координатах. Вид­
концентрация

концентрации

условия:

Nз

О.

=O,N4=

t=

О,

М = М0 ,

N2 =

О,

константы скорости всех процессов продол­
жения цепи и гидролиза, и «дупликации» для

k1 = kз = k4, а1 = аз= а4,

(обращаем внимание на различ­

ную размерность параметров

2)

приблизительно

растут

одинаковый

резко
и

падает,

выходят

уровень

для

на

всех

обладает более высоким «репликационным» по­
тенциалом, т. е. более высокой константой

ний двумя случаями:

fh. = Jh = fJ4

мономера

олигомеров

участников процесса. Если один из олигомеров

Проиллюстрируем решение системы уравне­

всех частиц равны:

качестве размерно­

цикла.

4

начальные

Nz

сти может входить величина, обратная величине

-k3[N2][M]+aз[NзH/12[N2HM]2;

1)

10000

Зависимость концентрации компонентов системы от времени при более высокой скорости репликации

d; = k2[M] 2- a [N
d;з

1000

100

Jh., Jh, /J4);

«дупликация» одного из олигомеров проис­
ходит с несколько большей эффективностью.
Время в приводимых расчетах представлено

в форме числа циклов. Соответственно, во все

концентрация

становится

fJ,

доминирующей.

его
Для

случая, при котором таким олигомером является

N 2 (/h. >> Jh,
на рис. 2.

компонент
ставлены

/J4), данные расчета пред­

Введение в систему, находящуюся в стацио­

нарном состоянии мономера, вызывает очень бы­
стрые

изменения,

возвращающие систему в

ста­

ционарное состояние с сохранением основных за­

кономерностей, но с увеличением диверсифика­
ции по полимерному составу (рис.

3).


С Д. Варфоломеев и др. Предбиологическая эволюция макромолекул

100

291

тримеров, гидролитическое расщепление олигоме­

с

ров на фрагменты, все возможные варианты синте­

Добавление мономера

90

за комплементарных сополимеров, образующихся

80
70

при взаимодействии мономеров или промежуточ­

60

ных димеров с тримерами (см. схему

1).

Учтены реакции димеризации при взаимо­

50

действии мономера с мономером, все возможные

Mono

40

комбинации образования тримеров, все потенци­

30

альные реакции гидролиза димеров и тримеров и

20

все возможные комбинации образования компле­

10
t

о

40000

20000

о

матрицу

80000

60000

ментарных димеров и тримеров на матрице (см.

(5).

При построении кинетической схемы зало­
Рис.

3.

Зависимость концентрации компонентов системы

жено предположение о том, что мономеры А и В

от

могут образовывать дополнительные связи за счет

времени

при

равенстве

параметров

для

всех

полимеров с введением дополнительной дозы мо­
номера

после

установления

стационарных

кон­

супрамолекулярных взаимодействий нереакцион­

ной части трифункциональных мономеров. Одним

центраций

из

возможных

вариантов

сополимеризации

1.2.

рода

процессов

взаимодейст­

Сополимеризация двух

вующих мономеров является реакция сополимери­

мономеров. Триплеты

зации лизина (положительно заряженный замести­

Рассмотрим кинетические закономерности со11олимеризации двух мономеров А и В, ограничив

тель) и аспарагиновой кислоты (отрицательно за­
ряженный заместитель, см.

позволяющее

провести

(Varfolomeev, 2007)).

Как в случае, рассмотренном в предыдущем

длину олигомера тремя звеньями. Это ограниче­
н пе,

такого

комплементарно

полный кинетиче­

разделе, процессы полимеризации на матрице мо­

(КИЙ анализ динамических процессов в системе,

гут быть кинетически описаны двумя предельными

нвляется упрощением без существенной потери

случаями в режиме избытка мономеров по срав­

общности получаемых результатов и выводов.

нению с олигомерами (см. уравнения

Кинетическая схема процесса представлена

в

(5).

Реакции включают образование димеров и

Синтез ~

Гидролиз

+

0
А

-н,о

)

А

в

(2)

и

(3)).

Подчеркнем еще раз, что вопрос о применимости
закона действующих масс остается открытым.

А

+н,о) ~+

0

Дублирование

Схема

1


292

Глава

III. Теоретические и экспериментальные

исследования предбиологических химических систем

Синтез

Гидролиз

А+АЬt+АА

АА аА• А+А

АА+в+в &+АА+вв

А+Вkв•АВ

АВ ав• А+В

АВ+В+А~АВ+ВА

В+А

kc•

ВА

ВА ас• В+А

в+в

kD•

вв

ВВ aD. в+в

ВА + А+ В f!.E..+ ВА + АВ
ВВ+А+А р[)• ВВ+АА

АА + А .!:!+ ААА

ААА~АА+А

ААА+вв+в 4ААА+ввв

А+АА~ААА

ААА~А+АА

ААА +В+ ВВ fЬ.+ ААА + ВВВ

АА+В~ААВ
В+АА~ВАА

ААВ~АА+В

ААВ + ВВ +А f!.:.+ ААВ + ВВА
ВАА+А+ВВ fЬ+ ВАА+АВВ

АВ+А4АВА

АВА~АВ+А

А+Ав4ААв

ААВ 2о+А+АВ

Ав+в!z+Авв

АВВ~АВ+В

В+АВ~ВАВ

ВАВ

2!.+ В+ АВ

ВА+А4ВАА

ВАА

"°2+ ВА+А

А +ВА

АВА

АВА~А+ВА

АВА+ВА+В ~АВА+ВАВ
ААВ +В+ ВА /!д+ ААВ + ВВА
АВВ + ВА +А fЬ+ АВВ + ВАА
ВАВ +А+ ВА fЬ+ ВАВ + АВА
ВАА + АВ +В fЬ.+ ВАА + АВВ
АВА+В+АВ р 10 • АВА+ВАВ

ВА+В~ВАВ

ВАВ~ВА+В

ВАВ + АВ +А fЬ...+ ВАВ + АВА

В+ ВА

ВВА

ВВА~В+ВА

ВВА+А+АВ р, 2 • ВВА+ААВ

ВВ+А~ВВА

ВВА~ВВ+А

ВВА+АА+В р"1 ВВА+ААВ

А+вв

АВВ а, 4 • А+ВВ

АВВ+В+АА р, 4 1 АВВ+ВАА

вв+в kis. ввв

ввв

в+вв k,ь• ввв

ввв~в+вв

ВВВ + АА +А fu+ ВВВ + ААА
ВВВ + АА +А Р~ь ВВВ + ААА

k

k

10
•

12

•

k, 4 •

АВВ

Размножение

ВАА .5+в+АА

.!!\4 вв + в

(5)

ААА + ЗВ

.14 ААА + ВВВ
ААВ+2В+А 24 ААВ+ВВА
АВА+2В+А 24 АВА+ ВАВ
АВВ+В+2А ~ АВВ+ВАА
ВАА

+ А+ 28 24. ВАА + АВВ

ВАВ+2А+В ~ВАВ+АВА
ВВА

+ 2А + В 24 ВВА + ААВ
ВВВ+ЗА .::!'!4 ВВВ+ААА

Для расчета бьm использован предельно слож­

Если принять, что константы скорости родст­

ный вариант кинетического описания с высокими

венных процессов (образование димеров, гриме­

порядками зависимости скорости реакции от кон­

ров, гидролиз связей и синтез комплементарных

центрации реагентов. В этом случае система урав­

олигомеров) для всех реакций схемы

нений имеет вид

вы, то не происходит дифференциации продуктов

(6).

Решение получено при начальных условиях

t=

О, А

= А 0,

В

= В0 ,

меров равны нулю.

концентрации димеров и гри­

по

концентрациям

ни

на

стадии

(5)

одинако­

кинетического

перехода, ни в стационарном режиме. Это иллю­
стрирует рис.

4,

на котором представлена в полу-


С. Д. Варфоломеев и др. Предбиологическая эволюция макромолекул

d[AAJ

~=

293

kA(AJ 2- аА(АА) + .8й(ВВJ(А] 2 - А: 1 (АА][А) - k2(AA][AJ - k3 (AAJ(B] - k4 (AAJ(B]+

+ Q1(AAA] + Q2(AAA) + 03(ААВ) + 0:4{BAA}- /J13(BBA)(AA](B] - .81.t(ABB](AAJ[BJ- Р1~{ВВВ](АА)[А]- ~1в(ВВВ)[АА](А)
d(:] =

kв[А](В] - ав(АВJ + ~c[BAJ[AJIBJ -

ks(ABJIAJ -

kв(АВJ(А) - kт[АВ][В) - ksfAB)(B]+

+ а5 [АВА] + a6 [AABJ + Q1(ABB] + as(ABAJ- lf9[BAAJ(AB)[BJ - Р1о[АВА](АВ](В) - tlн(BAB](ABJ(A] - /J12(BBAJIABJIAJ
d[BAJ

dГ =

kc[BJIAJ - ас[ВА] + Рв[АВ][В][А] - А:9 (ВА][А] - k1o(BA](A] - kн[ВА](В] - А: 12 [ВА][В]+

+ а9 [ВАА] + 01о(АВА] + 011 [ВАВ] + 012(BBAJ- Ps(ABAJ(BA)[BJ - Р&(ААВ)[ВА)[В] - Р.,(АВВ][ВА](А] - Ps(BBAJ(BAJIAJ
d(BBJ
]2
2
--;и-= kD(B - aD(BBJ + fJA[AAJ(BJ - k1з(ВВ](А) - k14(BBJ(A) - k1~[BBJ(BJ + а1з[ВВА] + 01о1(АВВ] + 0:1s[BBB] + а1в[ВВВ]- Р1(ААА)[ВВ}[В)- .62(ААА)(ВВ}[В)- .8з(ААВ)(ВВ](А) - ,84 \BAA][BB][AJ
d(AAAJ
dt

k1в(ВВ](В]+

(6)

= k1(AAJ[AJ + k:z(AAJ(AJ- а1[ААА]- a 2 (AAAJ+
+ fi15(BBB](AA)(A) + .д1в(ВВВ)(ААJ(АJ + 1'н[ВВВ)[АJ 3

d(AAB)
dt
= kз(AA](BJ

+ /rc[AB)[A]

-а:з[ААВ]- а6 (ААВ)+

+ .812 [BBA](ABJ[AJ + P13 (BBA][AAJ[BJ + "tl[BBA](AJ 2[B]
d(ABA)
dt

= k5[ABJ(AJ + k10[BAJ[AJ -

as[ABAJ - a 10[ABAJ+

+ .д 11 \ВАВ}(АВ}IА) + .f1s\BAB}[Al[BA] + 1'6 (BABJIA)2{B]
d(ABBJ
dt

= k-r[ABJ[BJ + k14(BBJ[A) -

a 7 [ABBJ - а 14 (АВВ]+

+ P9 (BAA](ABJ(BJ + P4 (BAAJ[A}[BBJ + 1's[BAAJ[A)[BJ 2
d(BAAJ
dt

= kg(BA](AJ + k4[B\[AAJ -

а9(ВАА)

-

а 4 (ВАА]+

+ .д1(АВВ)[ВА](АJ + ff14(ABB](B](AA) + 1'4 (АВВ](В](А) 2
d(BABJ
dt
= kн(ВА)[В)

+ kн(ABJIB) -

а 11 [ВАВ)

- a:8 (BABJ+

+ tls[ABAJ[BAJ(BJ + tl1o(ABA](BJ[ABJ + -y3 (ABA][B) 2(AJ
d\BBAJ
dt

= k12(BAJ(BJ + k1з(ВВ)[А) -

012(BBAJ -

а: 13 (ВВА)+

+ Pз(AAB][BBJIAJ + P&[AABJIB][BAJ + 1'2[AABJ[BJ2[AJ
d(BBBJ
dt

= k15(BBJ[BJ + k1&(BB)[B)- a1s[BBB) -

а: 18 (ВВВ)+

+ fJ 1(ААА\[ВВ]\В) + f12(AAA][BB1[B] + 1 1(AAAJ[BJ3
= [А)+ 2(АА] + (ABJ + (ВА) + З[ААА] + 2(ААВ) + 2(АВА] + [АВВ) + 2(BAAJ + (BABJ + [BBAJ
Во = (В) + 2[ВВ) + (BAJ + [ABJ + З(ВВВJ + 2(ВВА) + 2(BABJ + (BAAJ + 2(АВВ) + (АВА) + (ААВ]

А6


Глава

294

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

111.

k; = 1, а;= 5 х 10-4, kлд = 6 х 103 , ал,D = 6 х 10-4,
/Зл,D = 0,0075 для данных, представленных как кри­
выми 1 и 2, так и кривыми 3 и 4. Различие заключа­
ется в величинах параметра у;, /З;. Для кривых 1, 2
у;, /З; равны 4,2 xvlO~, для 3 и 4 - 0,028. Видно,
что

увеличение

констант

скорости

комплемен­

тарного синтеза не приводит к дифференцирова­
нию концентраций олигомеров, однако сущест­
венно ускоряет переход системы в стационарное
состояние с равными концентрациями димеров и
тримеров.

Ситуация принципиальным образом изменя­
ется, если какой-либо из участников процесса
оказывается более устойчивым к деструктивным

2

гидролитическим реакциям. Это иллюстрируют

рис.

5

и рис.

6.

Рассмотрен предельный случай,

когда один из тримеров устойчив. В данном кон­

0,0001

0,01

100

10000

кретном случае

-

это тример ВВВ

( а1 5 ,

а 16 = О).

Видно, что все олигомеры, как двойные, так и
Рис.

4.

Зависимость концентрации компонентов системы от
времени:

1 и 3 - концентрации мономеров, 2 и 4 концентрации триплетов при у;, fЗ; 4,2х1О-в и 0,028
для пар кривых 1-2 и 3-4 соответственно

тройные, вначале выходят на общий стационар­
ный уровень, затем за счет гидролитических про­

цессов вступают в игру комбинаторные эффекты.
Происходит «уничтожение» всех олигомеров, как

логарифмических координатах динамика измене­
ния концентрации

мономеров и каждого из оли­

гомеров. Различие между двумя случаями заклю­

двоек, так и троек, за исключением стабильных
ВВВ и комплементарного ему ААА. В конечном
итоге лишь эти два олигомера оказываются пред­

для синтеза

ставленными в смеси полимеров. Существенное

комплементарных троек. Параметры задают в виде

увеличение констант скорости репликации (изме-

чается в величине параметров у;,

f3i

-А

-в
-АА
-АВ
-ВА

-вв
-ААА
-ААВ
-АВА

-АВВ
ВАА
ВАВ
ВВА

0,0001

0,01

ввв

Рис. 5. Зависимость концентрации компонентов системы от времени для устойчивого триплета ВВВ, у;, jJ;= 4,2 х 10-в


С. Д. Варфоломеев и др. Предбиологическая эволюция макромолекул

295

-А

-в
-АА
-АВ
-вд

-вв
-ААА
-ААВ
-АВА

-АВВ
-ВАА
-вдв
-ввд

0,0001

Рис.

6.

0,01

100

1000000

10000

-ввв

Зависимость концентрации компонентов системы от времени для устойчивого триплета ВВВ, у;,

/J;= 0,028

-А

-в
-АА
-АВ

-ВА

·--А-+---""--------#'----·----В_ВА

-ВВ
-ААА
-ААВ

-АВА

t
-АВВ
1000000 100000000
1

0,01

100

10000

Рис. 7. Зависимость концентрации компонентов системы от времени для устойчивого триплета ВВА, у;,

нение у;, /J; от 4,2 х 10--{) до 0,028) не изменяет прин-

первую очередь

-

/J;= 4,2

х 10-!j

с комбинаторными эффектами.

1\ИПиальной картины явления, однако заметно уско­

За счет обратных процессов гидролиза димеров и

ряет переход системы в стационарное состояние.

тримеров, содержащих мономер А, единственно

Принципиальную роль в поведении системы

возможным конечным продуктом является тример

11грают сопряженные в термоцикле процессы син-

ААА. Мономер А кинетически перераспределяет­

1·сза

ся в тример ААА.

-

гидролиза. Это создает возможность ком­

бинаторной

селекции

полимеров.

Это

хорошо

На рис.

7

и рис.

8

представлены в логариф­

видно из анализа поведения триплета ААА. Этот

мических

гриплет накапливается в системе в концентрации,

дения системы в предположении, что наиболее

координатах результаты

анализа пове­

11рактически эквимолекулярной ВВВ. Это связано

стабильным является тример ВВА

с возможностями комплементарного синтеза, но в

Видно, что через некоторое время в системе оста-

( а1 ъ

а 1 з = О).


296

Глава

111.

Теоретические и эк~периментальные исследования предбиологических химических систем

-А

с

-в
-АА

-АВ
-вд

-вв
ВВА

-ААА
-ААВ
-АВА

-~~~;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;iii8ll:lillii8~°7~=------AAA0,01
Рис.

8.

100

10000

1000000

-АВВ

-ВАА
t
100000000 ВАВ

Зависимость концентрации компонентов системы от времени для устойчивого триплета ВВА, у;, fЗ;

=0,028

-А
с

-в
-АА
-АВ
-ВА

-вв
-ААА
-ААВ

-АВА
-АВВ

-ВАА
-ВАВ
-ВВА

0,01
Рис.

10000

100

1000000 100000000

1Е+10

t

-ВВВ

9. Зависимость концентрации компонентов системы от времени для устойчивого триплета ВВА, у;,/];= 0,028, k; = 5 х 10-3

ется в значительной концентрации лишь этот оли­

Как было сказано выше, для данной системы

гомер в смеси с ААА, при этом тримеров ВВА

мы

существенно больше, чем ААА (рис.

триплетов

7).

Следует

рассматривали

(k; = 1).

высокие

константы

синтеза

Изменение параметров систе­

обратить внимание на то, что шкала концентра­

мы в довольно широких пределах не дает резкого

ций логарифмическая и все остальные компонен­

изменения наблюдаемой картины, но позволяет

ты

малых

наблюдать качественные изменения и подчерк­

концентрациях. При увеличении констант скоро­

нуть те или иные особенности. Так, уменьшение

сти репликационного синтеза (рис.

по

скорости синтеза триплетов до уровня, близкого к
скорости синтеза димеров (ki
5 х 10- 3 ), позво­

ВВА и ААА ускоряются и определенный период

ляет подчеркнуть стадию доминирования трипле­

времени

тов ВВА и ААВ за счет увеличения роли комбина­

системы

перехода

представлены

системы

в

в

системе

в

исчезающе

стационарное

8)

состояние

доминирующими

олигомеры ВВА и ААВ (рис.

8).

процессы

являются

=

торного синтеза (рис.

9).


С. Д. Варфоломеев и др. Предбиологическая эволюция макромолекул

Проведенные

расчеты

кинетических моде­

лей образования полимеров с учетом стадии
синтеза

гидролиза межмолекулярных стадий,

297

больших молекулярных массах образовывать ус­

тойчивые

трехмерные

структуры

типа

глобул,

. фибрилл

и др. РНК

демонстрируют возможности селектирования по­

лекулы,

способные

лимеров

компле­

трехмерных структур, способные в силу конфор­

ментарного синтеза и устойчивости полимера к

мационной подвижности образовывать прочные

деполимеризационным процессам. Уникальный и,

комплексы с пептидами и белками. Кроме того,

по-видимому, единственный физический процесс,

РНК в силу структурного родства с ДНК способ­

спонтанно протекающий в природе, способный

ны образовывать гидридные комплексы РНК

на

основе

процессов

обеспечить процессы синтеза

частного

подвижные линейные мо­

к

образованию

устойчивых

-

гидролиза, явля­

одноцепочечная молекула ДНК. ДНК может быть

ется термоцикл с переходом через фазовую точку

представлена в растворах как в форме конформа­

газ-жидкость. При этом, как следует из приве­

ционно

денных выше расчетов

двойной

-

кинетических моделей,

подвижной
цепи.

одноцепочечной

Условно

принципиальным параметром, определяющим су­

тремя

жение распределения полимеров к одной или не­

жает следующая схема:

основными

структуры

взаимодействие между

классами

макромолекул

отра­

скольким структурам, является устойчивость по­

лимерной молекулы к деструкционным, деполи­
меризационным процессам. Представляется инте­
ресным расширить рассмотрение системы и про­

анализировать

возможные

следствия

принципа

«побеждает наиболее быстрый и стабильный» на
системы взаимозависимого сосуществования пеп­

~+
1 1 11 1

2.

Взаимозависимое
ДНК

сосуществование

трех «МИРОВ»

(
РНК

Пептид

тидов, РНК и ДНК.

)

+~

--+

~

РНК

~

1 11 1 1 --+
+-- 11111 +11111
1 11 1 1

предбиополимеров
Принцип анализа и отбора макромолекул на

Спираль ДНК

предбиологическом этапе эволюции с учетом воз­
можностей, обеспечиваемых термоциклом, при­

В режимах колебания температуры, прибли­

меним для всех трехфункциональных мономеров.

жающихся по условиям к термоциклу, каждый из

Можно полагать, что на основе этого механизма

участников процесса может подвергаться денату­

независимо возникли полимеры с образованием

рации и гидролитической деструкции. Известно,

пептидной связи (пептиды) и фосфодиэфирной

что комплексы белков с полимерами, как правило,

связи (РНК и ДНК). Эти три класса макромолекул

более устойчивы к термической денатурации и

обладают принципиально

гидролитическому расщеплению. С другой сторо­

разным

строением

и

структурными свойствами. Представляет интерес

ны, двойная спираль ДНК предельно защищена

проследить их поведение в системе взаимного со­

множеством водородных связей от деструктивных

существования. Очевидно, что их взаимодействие

процессов и стабильна вплоть до температур плав­

в единой системе может быть условием дальней­

ления. В режиме взаимозависимого сосущество­

шего отбора и основой возникновения генетиче­

вания полимеров в условиях термоцикла должны

происходить процессы элиминирования нестабиль­

ского кода.

Три основных класса полимеров существенно
отличаются

по

структуре

и

ционные

подвижные

молекулы,

-

структур

с

накоплением

молекул

пептидов,

взаимо­

образующих стабильные комплексы с РНК. С дру­

конформа­

гой стороны, при температурах плавления ДНК с

возможным

действиям друг с другом. Пептиды

ных

склонные

при

последующим понижением температуры должны


298

Глава

возникать

111. Теоретические и
комплексы

РНК

-

экспериментальные исследования предбиологических химических систем

одноцепочечные

ДНК (более устойчивые, чем одноцепочечные мо­
лекулы РНК или ДНК). Таким образом, селекти-

"

рование

идет

по

пути:

стабильные

комплексы

В

такой конфигурацион­

(Varfolomeev, 2007)

ный текст построен из двух букв, в ДНК и РНК та­
кой текст состоит из четырех букв, в полипептидах

число букв может достигать нескольких десятков.

РНК~ РНК-ДНК(О) ~двойная

Суть псевдомутационной модели состоит в

спираль ДНК. В результате в системе накаплива­

том, что в результате каждого термоцикла может

ются и «побеждают» молекулы пептидов, РНК и

происходить

пептидов

искажение

конфигурации

сополи­

ДНК, аффинные или комплементарные друг другу.

мерной цепи, искажение текста, характеризующе­

Происходит закрепление и запись информации в

го эту конфигурацию. Некоторые буквы этого тек­

виде «молекулярных иероглифов»

ста заменяются на другие.

-

первой ста­

В рамках данной модели не затрагивается во­

дии перехода к генетическому коду. При этом, как

и в случае биологических систем, РНК играет
роль эффективного промежуточного звена.

прос

о механизме процесса, приведшего к изме­

нению текста. Учитывается лишь то, что вероят­
ность изменения данного мономера, данной бук­
вы текста, р, зависит не только от природы данно­

3.

Модели кинетического отбора

го мономера, но и от локальной структуры его не­

оптимальных конфигураций

посредственного окружения.

Рассматривается простейший двухбуквенный
Одним из основных результатов работы

(Var-

текст, сополимер состоит из мономеров двух ти­

является обнаружение селекции

пов А и В. Простейшая ситуация, когда вероят­

олигомеров, содержащих некие избранные фраг­

ность превращения мономера определяется только

folomeev, 2007)

менты структуры полипептидной цепи, при син­

его природой и не зависит от свойств ближайших

тезе

соседей, по-видимому, не представляет большого

сополимеров

в

ходе

многократного

термо­

циклирования. В этом процессе происходит кине­

интереса.

тический отбор полипептидов неких оптималь­

кинетического конфигурационного отбора прояв­

ных конфигураций, оптимальных последователь­

ляются уже в случае, когда величина р определя­

ностей мономеров, составляющих эти олигомеры.

ется природой лишь близлежащих, соседних, мо­

Механизм такого отбора, наверное, весьма сло­

номеров. В этом случае величина р определяется

жен, но некие общие его закономерности могут

структурой

быть выяснены путем анализа поведения про­

стоящего из 3-х мономеров, с изменяющимся мо­

стейших моделей, в какой-то мере имитирующих

номером в центре.

этот процесс. Опираясь на успехи физико-химии
синтеза высокомолекулярных соединений, можно

Многие

интересные

триады,

фрагмента

закономерности

сополимера,

В таком полимере существует всего

8

со­

видов

трехбуквенных фрагментов.

говорить о нескольких типах таких упрощенных

моделей: живая сополимеризация, последователь­

Изменяется мономер В

Изменяется мономер А

ные акты сшивания и деструкции сополимеров в

ААА

АВА

ВАВ

ввв

ААВ

АВВ

ВАА

ВВА

разных фазах термоцикла, разные типы твердо­

фазного дублирования сополимеров и т. п.
В качестве наиболее простой модели, обоб­
щающей все эти типы процессов и выявляющей

общие закономерности, можно предложить некую
модель, названную псевдомутационной. Эта мо­
дель, предполагающая случайное изменение мо­
номеров в сополимерной цепи.

Каждую

сополимерную

цепь

можно

фор­

(7)

Кинетическая схема процесса включает в се­

бя

8 элементарных актов.

Изменяется мономер А

Изменяется мономер В

ААА-+АВА

РААА

АВА-+ААА

РАВА

букв, обозначающих разные мономеры, из кото­

ВАВ-+ВВВ

РВАВ

ВВВ-+ВАВ

Рввв

рых построен сополимер. Каждая буква

ААВ-+АВВ

РААВ

АВВ-+ААВ

Рлвв

ВАА-+ВВА

Рвм

ВВА-+ВАА

РЕВА

мально представить в виде текста, состоящего из

определенный тип мономера.

-

это

(8)


С Д. Варфоломеев и др. Предбиологическая эволюция макромолекул

В

Соответственно, рассчитаны константы пре­

отличие от классических представлений,

основанных на законе действующих масс, кине­

вращения всех остальных 32-х процессов.

Кинетика всего процесса в целом определя­

тика такого процесса определяется не только ки­

нетической

схемой

Необходимо учитывать

(8).

299

ется 8-ю параметрами, указанными в

(8).

Для уп­

изме­

рощения расчетов, исходя из ожидаемой симмет­

няющийся мономер расположен не в центре, а на

рии, принято, что пары симметричных параметров

конце триплета.

равны между собой:

изменение

количества

триад,

в

которых

Например, при описании процесса преобра­

зования базового триплета ААВ (ААВ ~ АВВ)

Рмв = Рвлл;

необходимо учитывать, что параллельно с ним

Рлвв= Рввл.

происходят изменения триплетов,

примыкающих

справа и слева к базовому мономеру. В данном
случае слева от изменяющейся триады могут су­
ществовать два разных триплета ВАА и ААА. Со­
ответственно, надо учитывать два возможных ак­
та превращения:

(12)

Таким образом, кинетика изменения конфи­
гурации сополимеров определяется всего лишь

6-

ю параметрами.

Для выявления макроскопических особенно­
стей

процесса

бьm

проведен

расчет

кинетики

процесса, исходя из сополимера, в котором в рав­

ВАА ~ ВАВ;

ААА ~ ААВ.

(9)

пределение в исходной конфигурации случайно.

Аналогично справа еще два акта:

АВВ ~ ВВВ;

АВА ~ ВВА.

Всего надо учитывать

32

ных долях присутствуют оба мономера, а их рас­

(10)

Вероятность появления любого мономера вслед за
данным равна

подобных процесса,

0,5.

Расчет проведен в простейшей ситуации. Лю­

приводящих к изменению локальной конфигура­

бой из

ции сополимера.

мог принимать лишь одно из двух фиксированных

знания

доли

Учет этих процессов требует

каждого

из

мономеров

в

альтерна­

6

параметров р, управляющих процессом,

значений: О или

0,01

ни. Рассмотрены все

тивных парах.

Строго величину этой доли оценить нельзя.

на условную единицу време­

64

возможные сочетания этих

параметров.

Она определяется распределением всех возмож­

При этих простейших сочетаниях выявлены

ных конфигураций полимерной цепи в конкрет­

все основные типы возможных кинетических за­

но рассматриваемом процессе.

кономерностей.

Очевидно,

что

эта доля изменяется во времени в ходе процесса.

Строгий расчет потребовал бы следить за всеми
возможными конфигурациями, что соответству­

1.

стоящий из мономеров одного типа.

2.

ет движению точки в пространстве с размерно­

стью, близкой к

N,

где

N -

ной цепи.

Эта трудность приближенно может быть пре­

Изменение в составе сополимера доли одного
из мономеров с сохранением всех возможных

длина полимерной

цепи, общее число мономеров во всей полимер­

Превращение сополимера в гомополимер, со­

трехбуквенных сочетаний.

3.

Кинетический

отбор

конфигураций,

содер­

жащих лишь ограниченное число трехбук­
венных сочетаний.

одолена, если принять, что искомая доля опреде­

ляется средней долей соответствующих триад во

всей полимерной цепи.

Тогда эффективные константы скорости про­
цессов

(9)

и

(1 О)

На рис.

10-15

показан ряд примеров полу­

ченных кинетических закономерностей.

рассчитываются следующим об­

Все

6

рисунков имеют одинаковую структуру

и обозначения.
Слева показана кинетика расчета изменения

разом:

доли разных триад в сополимере и доли мономера

ВМ~ВАВ,

Рллв[ВАА]/([ВАА]

+ [ААА]);

АМ~ААВ,

Рллв[ААА]/([ВАА]

+ [ААА]);

АВВ~ВВВ,

Рллв[АВВ]/([АВВ]

+ [АВА]);

АВА~ВВА,

Рллв[АВА]/([АВВ]

+ [АВА]).

А (белым). Черным показана кинетика изменения
доли А, полученная при моделировании методом

( 11)

Монте-Карло. Вероятности превращения разных
триад,

использованные

при

расчете,

таблице в правом верхнем углу.

указаны

в


300

Глава

111. Теоретические

и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

1

0.5
ОА5
1'

0.9

0.4

0.8

0.35

0.7

0.3

0.6

0.25

0.5

0.2

0.4

0.15

0.3

0.1

0.2

0.05

0.1

о

ООО

1

....
о

200

100

300

<·PI

001 010 101 110 111 011 100

1

8----4-~-f----Jt

м11

•1

о

о

001 010 101 llO lll Oll 100
о 0.01 о 0.01 0.01 ОЛl о

ООО

01•

мн

1· ·•

"."

u

н

u

...

" .•

0111 1•: 1811 нм 111•
0101 8111 ltol 1111 1181 1111

500

400
Рис.

10

Справа показаны гистограммы конечных рас­

ние процесса методом Монте-Карло показывает

пределений триад (вверху) и четырехбуквенных

неустойчивость равновесной конфигурации. Это

слов в начале и в конце процесса. Белым показан

связано с возникающей блочной структурой сопо­

результат моделирования методом Монте-Карло.

лимера.

На рисунках мономер А обозначен О, а моно­
мер В

-

При

абсолютной

ААА и ВВВ (рис.

15)

стабильности

триад

все изменения происходят

на границе блоков из разных мономеров, асим­

1.

На рис.

1О

видно, что абсолютная стабиль­

ность мономера А приводит к образованию гомо­
полимера из мономера А.
Рисунок

из двух таких блоков. Рисунок

соответствует

14

более сложной ситуации. В ходе процесса форми­

демонстрирует, что нестабиль­

11

птотически достигается конфигурация, состоящая

ность триады АВВ приводит к естественному

руются блоки с регулярной структурой, состоя­
щей из чередующихся мономеров А и В.

результату, образованию сополимера, в котором

Более детальное рассмотрение псевдомутаци­

отсутствуют расположенные рядом мономеры В.

онной модели выявило важную закономерность.

На рис.

естественная

Увеличение стабильности какой либо триады в

аналогия, в равновесном сополимере отсутствуют

этом процессе не всегда приводит к обогащению

12-14

показана такая же

нестабильные триады.

сополимера этой триадой. Этот результат иллюст­

Однако не всегда наиболее стабильная кон­
фигурация наиболее устойчива.
На рис.

15

рируют данные, приведенные на рис.

На рис.

показана ситуация, в которой в рав­

новесии, помимо стабильных триад ААА и ВВВ,

16

16.

показано, как изменяется состав

равновесной конфигурации сополимера при изме­
нении устойчивости какой либо одной триады.

асимметричных

Расчет проведен при условии, что вероятно­

триад ААВ, ВВА. Это естественное следствие об­

сти превращения всех триад, кроме избранной,

разования сополимера блочной структуры.

одинаковы и равны р 0 . Мерой устойчивости из­

сохраняются

На рис.

значительные

14

и

15

доли

видно, что при этих соотно­

шениях параметров в сополимере в ходе процесса

почти не изменяются доли мономеров А и В, не­

смотря на изменение конфигурации. Моделирова-

бранной триады

Kuk

выбрано отношение вероят­

ности превращения этой триады PUk к величине р 0 :

(13)


С. Д. Варфоломеев и др. Предбиологическая эволюция макромолекул

о.з

ООО

001

010

101

о

о

о

о

ООО

001 010

301

110 111 011 100
0.01 о 0.01 о <·PI

ОА5
15

0.25
0.4

3

!5

.t

0.36
0.2
о.з

16

.1

15

0.15

0.25

•
101 110

111 Oll

100:

0.2
0.1
0.15
0.1

0.05

0.05
1

о

о
о

100

200

зоо

400

,-%

#-;-4

--$-:С.-

1-

·-*

$.. +~-»- ~U---fi.----#--~---ti-;----1'­

...... ".10:. 1188. епе leoo .1110.. 1188 .. 1111
;.0.1 IМШ. :.0181 :ош jO.i '1011 Iщ1 : 1111

500
Рис.

11

0.36

1

ООО

001

о

о

010 101 110 111 011
о
о
0.01 0.01 о

100

<·Pi

о

0.9
о.з

IS

3

0.8

!5

0.25

0.7

.2
16

.1

0.6

0.2

15

•

0.5

"t/

ООО

001 010

101 110 111 011

100

0.15

ОА

!S 1

.2

о.з

0.1

15

.1

0.2
0.05
0.1

15
о
1

• • •8100• •11118
1

.... , 8810:

о

о

о

100

200

зоо

400

500
Рис.12

toO\

0011

8101

:•

' "

н'

tZ

и

1

ц

1$' ас.

1800: 1111• 1188: 1110
8111 1881 1811 1181 1111


302

Глава

111. Теоретические

и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

ООО

001 010

101 110 111 011 100
0.01 0.01 0.01 0.01 о <·Pi

о

о

ООО

001 010 101 110 111 011 100

о

6.45
0.4
мs

0).3

8.15

0.1

,.

ем

•

0.3

e.is
,~

8.2

8.1
ем

•
8081

о

100

200

300

400

8811

0181

0111

1081

1011

1181

1111

500
Рис.13

0.45

0.7

0.4
0.6
0.35
0.5
0.3

ООО

о

001 010 101
0.01 о
о

110

111

011

100

о

0.01

о

0.01

<·Pi

15
.4
15

.3
!5
.2
15

.1
15

0.4

0.25

•
ООО

001 010

101 110 111 011

100

0.2

0.3

!5

0.15
0.2

.2
15

0.1

.1

15

0.1
0.05

1

8088

о

100

200

300

400

500
Рис.

14

•0010• •0100, •0110 •1808•
1

8801

8811

8101

8111

ю

11

" " " " "

1011 1188 1110
1001 1011 1181 1111


С Д. Варфоломеев и др. Предбиологическая эволюция макромолекул

0.45

0.6

ООО
о

303

001 010 101 110 111 011 100
0.01 0.01 0.01 0.01 о 0.01 0.01

<·PI

0.4
0.5
0.35
0.4

0.3
0.25

0.3

ООО

110 111 011

001 010 101

100

0.2
0.2

0.15
0.1
.1

0.1
0.05

0001

о

о

о

100

300

200

0011

0101

0111

1001

1811

1101

1111

500

400
Рис.

На верхнем рисунке показана, казалось бы,
естественная зависимость, соответствующая триа­

15
Почти половину,

48 %,

составляют асиммет­

ричные триады.

В обратной ситуации, при абсолютной неус­

де из трех одинаковых мономеров.

Чем более стабильна эта триада, чем меньше
величина Клм, тем больше таких триад в сополи­

тойчивости ВАВ, Квлв ---> оо, равновесным становит­
ся гомополимер, содержащий только мономер В.

мере. В асимптотике, при Кмл = О равновесным

На нижнем рисунке показано влияние устой­

является гомополимер, состоящий из только одно­

чивости асимметричной триады ААВ. Видна поч­

го мономера А.

ти аналогичная картина. Абсолютно устойчивая

В противоположной ситуации, при абсолют­

триада составляет лишь около

17 %

триад в рав­

ной неустойчивости триады ААА (при Кмл---> оо),

новесной конфигурации. При абсолютной неус­

триады ААА полностью отсутствуют, но сополи­

тойчивости этой триады гомополимера не образу­

мер имеет дефектную структуру, в которой при­

ется. В равновесной конфигурации отсутствуют

сутствуют все

три триады ААВ, ВАА и ААА.

7 остальных триад.

Совершенно иначе влияет на равновесную

Рассмотренные выше процессы происходят в

конфигурацию сополимера изменение устойчиво­

условиях избытка мономеров, из которых строится
сополимер. Кинетический отбор избранных конфи­

сти других триад.

На среднем рисунке показано влияние устой­
чивости симметричной триады ВАВ.

гураций качественно изменяется в условиях ограни­
ченности

этого

ресурса

построения

сополимеров.

При абсолютной стабильности такой триады

В этих условиях возникает своеобразное критическое

в равновесной конфигурации присутствует лишь

явление. Происходит отбор оптимальных конфигу­

чуть больше

раций, имеющих малейшие кинетические преиму­

15 %

таких абсолютно стабильных

триад. Большую долю, около

18 %,

составляет ан­

щества. Такая модель является модификацией так

типод этой триады, триада АВА. Почти отсутст­

называемой горизонтальной модели Вольтерра кон­

вуют триады из трех мономеров В, ВВВ, их менее

куренции за общий ресурс (Вольтерра,

1 %,

а их антипода ААА более

15 %.

подробно она описана в (Карпухин

1976). Более
и др., 2012).


304

Глава

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем
0.25

~---------<-ААВ f-----------~

- - - ВВА

0.9

,,(..t.

·-k-BAB

0.2 l-------'..J1-------I- ввв f--1-----f-+-----+ 0.8
0.7
"'"-j-----г

0.6
0.5

,&--+-----+------+ 0.4

0.1

0.3
-'-!~--'-!---+-----+---•.-+ 0.2

0.1

о 1---~~=-----1------i---=:!"'ll!~M+---1-o
0.001

0.01

~----~-----1

0.2

1о

0.1

0.18 ~~Ь.....~----j

~ААА -ААВ

100

КААА

f-----~

0.9

_._АВА -ВВА

0.8

0.16

0.7

0.14
0.12
0.5
0.1
0.4

0.08
0.3

0.06
0.04

~~~~~!~~~~=[====r~;:=1:·

0.02
о

0.01

0.1

10

1

100

Квдв

~ААА

0.35 ~----~-~-В-ААВ1------.-----~
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
о

0.01

Рис.

16.

0.1

10

100

Примеры зависимостей структуры равновесной конфигурации от Kijk избранных локальных конфигураций


С Д. Варфоломеев и др. Предбиологическая эволюция макромолекул

Гросберг А. Ю., Хохлов А. Р

Литература

(2010)

305
Полимеры и биопо­

лимеры с точки зрения физики. М.: Интеллект.

Варфоломеев С Д., Демина О. В., Ходонов А. А., Лап­
тев А. В.,

Николаев Е. Н.,

Кононихин А. С

(2008)

Молекулы и жизнь// Проблемы зарождения и эво­
люции биосферы/ Ред. Э. М. Галимов. М.:

Вольтерра В.

(1976)

URSS.

Математическая теория борьбы

за существование. М. Наука (Volterra V Lecon sur la
Theorie Mathematique de la Lutte pour la Vie. Paris,
1931 ).

Карпухин О. Н.,

(2012)

Быстрицкая Е. В.,

Варфоломеев С. Д.

Горизонтальная модель Вольтерра и пред­

биологическая эволюция. Динамика химических и
биологических процессов,
С.

XXI

век. М.: ИХФ РАН.

147-160.
S. D. (2007) Kinetic models of the prebiological evolution of macromolecules: Тhermocycle as the motive force of the process // Mendeleev Commun. V. 17.
№ 1. Р. 7-9.

Varfoloтeev


ФОТОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ ФЛАВИНОВ В ЭВОЛЮЦИИ
ПРОЦЕССОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

М С. Крицкий, Т А. Телегина, Ю. Л. Вечтомова, М П. Колесников,
Т А. Людникова, А. А. Буглак
Институт биохимии им. А. Н. Баха РАН.
тkritsky@inhi.ras.ru

Фотохимические реакции флавинов приводят к запасанию свободной энергии в продуктах. Модельные

эксперименты показали, что в предбиологических процессах могли возникать флавинсодержащие органи­
ческие матрицы, осуществляющие фотофосфорилирование

ADP

с образованием АТР. Функционирование

некоторых современных белков связано с фотохимическими реакциями флавинового хромофора. Эти белки,
фотоферменты и фоторецепторы регуляторных процессов, составляют несколько неродственных семейств,

что указывает на то, что флавиновый фотокатализ был неоднократно востребован биологической эволюци­
ей. В белках одного из этих семейств эволюция дополнила флавин реакционного центра фотонсобирающей
антенной, которая, как и антенна фотосинтетического аппарата, увеличивает поперечное сечение поглоще­
ния света, однако принципиально отличается от нее в структурном отношении и не связана с липидной
мембраной. Совокупность этих данных позволяет предположить формирование в ранней эволюции флави­

новой системы преобразования световой энергии. В этой системе, как и при фотосинтезе, возбужденный
пигмент становится участником переноса электрона и может использовать энергию фотонов, поглощенных
антенной. Ее способность поглощать свет синей и

UV-A

областей комплементарна спектру излучения

Солнца, не подвергнутому фильтрации озоном атмосферы. Основным конкурентным преимуществом пиг­
ментного аппарата фотосинтеза стала, по-видимому, их способность эффективно утилизировать фотоны бо­
лее широкого диапазона видимого спектра.

Хлорофилл в составе реакционных центров

Введение

(РЦ) фотосинтетического аппарата переходит в
В основе энергетического баланса биосферы

возбужденное состояние не только после непо­

Земли лежит процесс фотосинтеза, т. е. конверсия

средственного поглощения фотона, но также в ре­

энергии фотонов солнечного излучения в энергию

зультате резонансной (Ферстеровской) передачи

химических

энергии от возбужденных светом пигментов фото­

связей

органических

соединений.

Ключевым событием этого процесса служит воз­

нсобирающей антенны

буждение хлорофилла в

1999).

составе

реакционного

(Whitmarsh and Govindjee,

Антенна увеличивает площадь поперечного

центра. В результате окисления возбужденного

сечения поглощения фотонов и расширяет рамки

(энергизованного)

спектрального диапазона поглощаемого света, по­

го

фотона

пигмента энергия поглощенно­

консервируется

макроэргических

вышая тем самым эффективность фотохимиче­

фосфоангидридных связях молекулы АТР (а также

ского процесса. С помощью специальных белков

в

пигменты антенны организованы в комплексы по

восстановленных

коферментов),

в

молекулах

которые

никотинамидных

обеспечивают

энергией

«темновой» процесс ассимиляции СО 2 •

несколько сотен молекул. Помимо антенных мо­

лекул хлорофилла в состав этих комплексов вхо­
дят каротиноиды (производные изопрена), а также

Авторы признательны за финансовую поддержку, предостав­
ленную Программой фундаментальных исследований Прези­
диума РАН №

25

и проектом № 11--04-01007-а Российского

фонда фундаментальных исследований.

(у ряда водорослей) билины, т. е. тетрапирролы с
незамкнутым макроциклом. В процессах возбуж­
дения пигментов, переноса энергии на РЦ и пере-


308

Глава

111. Теоретические и экспериментальные

исследования предбиологических химических систем

носа электрона от возбужденной молекулы по

таболизма. Среди них важное место занимают

электрон-транспортной

производные фолиевой кислоты (витамина В 9 ) -

цепи

(ЭТЦ)

участвуют

гидрофобные молекулы белков и хромофоров, на­

тетрагидрофолаты.

;осодящиеся в связи с липидной мембраной.

гипотезы стали результаты исследования фотохи­

Материалом для разработки

Согласно современным представлениям, фо­

мии флавинов и птеринов в растворе и в белках

тосинтезирующие организмы не были наиболее

(фотоферментах и фоторегуляторах), а также ана­

ранними представителями земной биоты. Поиск

лиз химических моделей абиогенных процессов

эволюционных корней фотосинтеза предполагает,

на древней Земле.

с

одной

стороны,

ментного

попытки реконструкции

аппарата

вероятных

(Blankenship, 2010),

предшественников

а с другой

возможных эволюционных

пиг­

-

конкурентов, т. е.

Фотохимические функции

1.

обзор свойств

флавинов

мо­

лекул и молекулярных систем, которые могли бы

Длинноволновая полоса поглощения FМN и

конкурировать с известной нам моделью фото­
синтеза в процессе естественного отбора (Криц­
кий и др.,

расположена в

FAD

коротковолновой видимой

(сине-голубой) области спектра. Для нейтральных

2008; 2010).

Настоящая статья рассматривает возникнове­

растворов значения

Amax при комнатной температуре

мы, способной, как и фотосинтетический аппарат,

445 и 450 нм, а s 45o= 12,5 и
11,3 мМ- 1 см- 1 (Досон с соавт., 1991). При взаимо­

конвертировать энергию фотонов видимой облас­

действии с микроокружением в белке полосы по­

ние и эволюционные перспективы другой систе­

равны, соответственно,

ти спектра в энергию молекулы АТР. Как и в фо­

глощения флавинов, как и других хромофоров,

тосинтезе, преобразование энергии в этой системе

рассматриваемых в данной статье, сдвигаются на

связано с фотохимическими реакциями переноса

20-25

электрона, а в ее рамках может сформироваться

поглощения расположены в ультрафиолетовой об­

светособирающая антенна, передающая энергию

ласти (Лmах при

нм в красную область. Две других полосы

375 нм

и

260 нм).

Нарушение сис­

возбуждения на реакционный центр. Однако в от­

темы сопряженных связей при восстановлении в

личие от фотосинтеза, пигментную основу такой

дигидроформу

альтернативной

(H 2Flrect)

сдвигает спектр поглоще­

составляют не хлоро­

ния света флавином в область более коротких длин

филлы (магний-порфирины), изопреноиды и би­

волн, и в видимой области оно практически утра­

лины, а другие пигменты, а ее антенна в

чивается. Поглощение «Синего» (А. 450 ) фотона энер­

системы

струк­

фотосинтетическом

(265,8 кДж
мол-1)_ Возбужденная молекула флавина (Fl*) вы­

аппарате. По-видимому, не имеет аналогов в ор­

соко электрофильна и при одноэлектронном фото­

ганизмах и механизм фосфорилирования.

восстановлении превращается в семихинон

турном отношении может быть организована со­
вершенно

иначе,

нежели в

Функционирование такой альтернативной сис­

гизует молекулу флавина на

2,75

эВ

(сво­

бодный радикал) флавина (НFI") (Heelis, 1982).

темы базируется на фотохимической активности

Возбужденный флавин легко принимает элек­

возбужденных молекул флавинов, т. е. производ­

трон от доноров с более положительным значением

ных изоаллоксазина (2,4-диоксо-бензо-[g]-птери­

электродного потенциала (Е 0 1 ), чем у пары Fl/НFl"

дина). Соединения этой группы, коферментные

(Е 0 =

производные рибофлавина (витамина В 2 ) -

периментах в качестве донора часто используют

фла­

винмононуклеотид (FМN) и флавинадениндинук­

леотид

(FAD)

хорошо известны в биохимии как

-0,30 В).

1

Например, в фотохимических экс­

этилендиаминтетраацетат (Е 0 =

1

Laessig, 1965).

+ 0,40 В) (Bladel,

При использовании таких доноров

жизненно необходимые участники «Темнового»

реакция с участием возбужденного флавина при­

метаболизма (Мецлер,

водит к накоплению в продуктах свободной энер­

1980).

В контексте рассмат­

риваемой проблемы определенный интерес пред­

гии,

т. е.

флавины

способны

преобразовывать

ставляют также птерины (2-амино-4-оксоптериди­

энергию света в энергию химических связей мо­

ны), соединения структурно и фотохимически

лекул. Восстановление семихинона

близкие флавинам и также играющие роль кофер­

числе,

ментов, хотя и в совершенно иных реакциях ме-

его молекул) приводит к образованию дигидро-

в

результате

HFl" (в том

диспропоционирования двух


309

М С Крицкий и др. Фотохимические реакции флавинов

hv

Изоаллоксазиновый

цикл

'

.о.

о

~

1

о-

~

_ сVчнГнн
1
N ·1-е':.н+ l°'~.JlNJ.0

сVчн~нн +~+ cYy~r

[ СМ~,~Нi 2~N).0

Ot~,

R

неон

FMN

J

FADH• и FMNH•

нфн

о

(семихиноны)

R

'О'

1

Н

FADH2 и FMNH

(дигидроформа1

hv

неон

1

~Н2

F D

о

-o_j=O

------у- -----0-Р=О

у

2

NH2

N~

~N Jl.J
N

0

~
н

Флавиновый

н

н

н

ОН

фотоаддукт

ОН

Флавинаденин динуклеотид

(FAD)

флавин мононуклеотид (FMN)
Рис.

формы

H2Flred,

1.

и

Светозависимые редокс-реакции флавино

причем окисление дигидрофлави­

2.

на, в том числе под действием света, может также

11ривести

к

образованию

семихинона.

Фотохимические циклы

флавина в белках

Помимо

·пого результатом реакции фотовосстановления

Флавиновые хромофоры ряда флавопротеи­

флавина может также стать ковалентное присое­

нов

;1инение к его молекуле остатка окисляемого до­

ность. В последние два десятилетия открыто не­

нора. При условии регенерации молекулы флави­

сколько семейств белков, фотоферментов и фото­

на в фотохимически активное состояние, т. е. рео­

рецепторов регуляторных процессов, функциони­

кисления образовавшейся восстановленной фор­

рование которых связано с химической активно­

белков

проявляют

фотохимическую

актив­

мы, либо расщепления аддукта, фотопроцесс при­

стью возбужденного флавина. Эти белки не уча­

обретает циклический характер.

ствуют в обеспечении организма энергией, а вно­

Структурная близость птеридинов и флави­

сят вклад в его адаптацию к окружающей среде.

нов (бензо-[g]-птеридинов) предопределила сход­

Так,

ство ряда химических свойств их возбужденных

(ЕС

1смы

сопряженных двойных связей в гетероцикле
полоса

поглощения

ДНК-фотолиазы

rасположена в

UV-A

нм).

Они катализируют расщепление образовавшихся

<kобенностью

птеринов, в том числе фолатов, яв­

С-С сшивок между соседними пиримидиновыми

:1яется

области

у

фотоферменты

птеринов

молекул. Однако вследствие более короткой сис-

11линноволновая

например,

4.1.99 .3-дезоксирибодипиримидин-фотолиазы)
под влиянием видимого и UV-A света устраняют
дефекты в ДНК, подвергшейся воздействию UV
радиации в диапазоне длин волн от 200 до 300 нм.

существование

(A.max::::; 340-360

помимо

окисленного

со­

основаниями в полимере

(Sancar, 2003). Другие
(Partch С. L., Sancar А. 2005),

стояния не одной, а двух устойчивых восстанов­

белки, криптохромы

:1снных форм: дигидро- и тетрагидроформы, при­

а также флавопротеины, содержащие LОV-доме­

•1см

ны

свет

активирует

ра'!НЫХ форм

редокс-взаимопревращения

(Kritsky et а!., 1997; Людникова
l009; Вечтомова, 2010).

и др.,

(Linden et а!., 1997; Christie et al., 1999; Christie,
Briggs, 2001; Schwerdtfeger С., Linden Н. 2003) и
ВLUF-домены (Braatsch et al, 2002; Gomelsky,


310

Глава

Кlug,

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

111.

2002; Iseki et а!., 2002),

функционируют как

рецепторы синего света в разнообразных процес­

сах

"

фоторегуляции

метаболизма

и

онтогенеза

фотоцикла различен для разных

вин взаимодействует с тиоловой группой одного
из остатков цистеина с образованием FМN-цисте­

(Losi, 2007; Losi, Gaertner, 2011)
Функциональную

Механизм

семейств. Так, в LОV-домене фототропина фла­

активность

этих

белков

инильного аддукта, который медленно (в течение

обеспечивает присутствие флавинового хромофо­

минут) расщепляется, возвращая систему в ис­

ра. Хромофором ДНК-фотолиаз и криптохромов,

ходное состояние

и, возможно, в некоторых криптохромах функцио­

(Christie et al., 1999; Swartz et а!,
2001; Dittrich et а!., 2005). В ВLUF-доменах белка
АррА (фоторегулятор экспрессии генов фотосин­
теза в клетках Rhodopseudomonas spheroides) воз­
бужденный FAD вступает в электронный и про­

нирует его анионная дигидроформа

тонный обмен с остатками триптофана и глута­

а также белков с ВLUF-доменом и содержащих
LОV-домен фоторецепторов грибов служит

(Sancar, 1994; Lin et а!., 1995).

в других белках
LОV-домены

FAD

В ДНК-фотолиазах

(FADH-red),

а

нейтральная окисленная форма.

-

растительных

фоторецепторов

фототропинов связывают FМN

(Sancar, 2003; Losi,

мина

(Gauden et al., 2005).

Таким образом, возбужденный флавин ини­
циирует в белках реакции переноса электрона.

Участниками фотоциклов в большинстве флави­

Gaertner, 2011).
Участие возбужденного флавина в переносе

новых

фоторецепторов

становятся

синглетно­

электрона является общим свойством всех этих

возбужденные молекулы пигмента. Исключение

белков. Электронный обмен, по-видимому, огра­

составляют

белки

с

LОV-доменом,

в

котором

ничен внутрибелковым пространством, т. е. в нем

функционирует не синглетно, а триплетно возбу­

участвуют аминокислотные радикалы апобелка, а

жденный флавин

также (в ДНК-фотолиазах) поврежденный участок

2005).

ДНК, связанный в составе фермент-субстратного

плане, поскольку в фотосинтезе и в других струк­

(Swartz et а!., 2001; Dittrich et а!,

Данный факт интересен в эволюционном

комплекса. В ДНК-фотолиазах электрон от возбу­

турно упорядоченных фотофизиологических сис­

жденного дигидрофлавина

темах реализуются реакции с участием синглетных

(FADH-red) переносится

на субстрат (например, пиримидиновый димер),

состояний пигментов, а реакции с участием три­

который через образование свободнорадикального

плетно-возбужденных молекул обычно рассматри­

интермедиата расщепляется

ваются

на

два пиримидина.

Переход электрона от дигидрофлавина на димер

как

характерные

для

неорганизованных

сред, либо фотодеградационных процессов.

сопровождается образованием свободного ра­

дикала

FADH".

После устранения повреждения

электрон снова переходит на флавин, восстанав­
ливая его исходный статус дигидро-FАD аниона

(FADH-red)·

т. е. по завершении цикла фермент и

3.

Светособирающая
антенна флавопротеинового

фоторецептора

его хромофор возвращаются в исходное состояние

(Sancar, 2003).

Как и в случае фотосинтетического аппарата,

В криптохромах, фоторецепторах, структурно

эволюция

сформировала

в

одном

из

семейств

близких ДНК-фотолиазам, фотоцикл флавина от­

флавопротеиновых фоторецепторов антенный ме­

личается и ограничен собственно молекулой белка.

ханизм, повышающий эффективность сбора фо­

Полагают, что в ряде криптохромов активна окис­

тонов. Такой механизм функционирует в ДНК-фо­

ленная форма

толиазах и криптохромах. В отличие от фоторе­

FAD,

что согласуется с физиологи­

ческими спектрами действия, в которых домини­

цепторов с

рует полоса с

запуска фотохимического цикла необходимо не­

Amax

около

450-470 нм.

Не вполне

LOV-

и РАS-доменами, в которых для

ясен источник электрона для фотоцикла (предпо­

посредственное

ложительно, это остатки тирозина и триптофана в

энергизация флавина в белках этого семейства

апобелке ). Проблему осложняет наличие у неко­

происходит с участием второго хромофора, вы­

торых криптохромов (так наз.,

ДНК­

полняющего роль светособирающей антенны. Ее

фотолиазной активности, для реализации которой

необходимость обусловлена низкой способностью

необходим дигидрофлавин

дигидроформы

DASH-Cry)

(Brudler et al., 2003).

поглощение

флавина

фотона

(FADH-red)

флавином,

поглощать


М С. Крицкий и др. Фотохимические реакции флавинов

311

1

+h,\"

Pvr<>Pvr
Субстрат

Рис.

2.

Схема участия антенного хромофора

Молекула

MTHF и фотокаталитического хромофора Fдон-..ю в фотоцикле ДНК-фотолиазы.
(MTHF), перешедшая в возбужденное состояние вследствие поглощения фотона, передает энергию возбу­

ждения на фотокаталитический хромофор Fдон-..ю. Возбужденная молекула Fдон-..ю становится донором электрона
для пиримидинового димера в поврежденном участке ДНК. В результате переноса электрона на димер он расщепля­

ется с образованием двух нативных пиримидинов, а электрон возвращается на исходную молекулу флавина

свет: значение коэффициента молярной экстинк­

вующими в фотокаталитическом процессе в белке,

ции (i') в синей и UV-A области не превышает
3 мм- 1 см- 1 (четкий максимум в той области отсут­

является более высокая способность поглощать

ключевой участник «темнового» ферментативного

UV-A области. Так, например,
для MTHF (Лтах = 360 нм) значение emax равно
25,1 мМ- 1 см-1, для 8-HDF аналогичные показатели
1
1
составляют Amax = 420 нм И emax = 35,0 мМ- см- .

переноса Сl-групп

ферментах ряда

Таким образом, способность антенных хромофо­

микроорганизмов антенную функцию выполняет

ров ДНК-фотолиаз поглощать свет существенно

ствует). В роли анте~rnы выступает птериновое про­

изводное 5,10-метенил-тетрагидрофолат
(рис.

2).

В

(MTHF),

Х-гидрокси- 7 ,8-дидеметил-5-дезазарибофлавин

(8-HDF) -

фрагмент молекулы кофактора f4 20 ,

участника также

«темновых» редокс-реакций в

клетках некоторых прокариот. Пространственное

фотоны видимой и

превышает

таковую

для

фотокаталитического

хромофора, дигидрофлавина.
Присутствие

антенны

на

порядок

величин

повышает эффективность улавливания фотонов,

расположение молекул антенны и фотокаталити­

энергизующих

ческого (реакционного) центра в белке ДНК-фото­

ДНК-фотолиазах,

лиаз, связывающих как

вующем ускорении фотокаталитического процесса

MTHF,

так и, особенно,

фотокаталитический
что

проявляется

процесс
в

в

соответст­

Можно думать, что именно высокая

X-НDF, таково, что резонансный диполь-дипольный

(Sancar, 2003).

11еренос энергии происходит с достаточно малыми

фотонпоглощающая способность в физиологиче­

110терями

Антенные функции мо­

ски релевантном диапазоне спектра стала одним из

r·ут также выполнять окисленные молекулы фла­

факторов отбора молекул некоторых коферментов

виновых коферментов, поглощающие свет актив-

на роль хромофоров фоторецепторных белков.

(Sancar, 2003).

11ее, чем их дигидроформы

(Klar et а!., 2006).

В этом отношении коферментные молекулы, иден­

Важной особенностью антенных молекул по

тифицированные сегодня в качестве хромофоров

сравнению с молекулами, непосредственно участ-

фоторецепторов, существенно отличаются от струк-


312

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

Таблица

1

Сравнительная характеристика пигментного аппарата фотосинтеза и фотохимических систем с участием флавина

Параметры

Фотосинтетический

Флавопротеиновые

Абиогенная модель

аппарат

фоторецепторы

фотофосфорилирования

Хлорофилл (Мg-порфирин).

Химическая природа хромо-

фора пигментов реакционно- В хлоропластах и цианобактериях

го центра

-

это хлорофилл Ь

Мg-порфирины (хлорофил-

Химическая природа хромо-

форов антенных пигментов

ноиды), билины

(ФМН,ФАД)

1

2

1

2

Нет сведений

350--500
300--400

350--500

Белки в липидной мембране

мента в переносе электрона

&антен пнrм./ 6;,иrм. РЦ

Птерин

400--800

Участие возбужденного пиг-

Nrruтeн пнrм./ Nпигм. РЦ

Птеридины

лы), изопреноиды (кароти-

нм

РЦи антенны

пигменты.

FMN,FAD
(MTHF), дезазафлавин (8-HDF), изоалоксазины

Активный диапазон спектра,

Микроокружение пигментов

Изоаллоксазиновые

Изоаллоксазин.

Матричная структура в

Водорастворимый белок

вод-

ной среде

Да

Да

""100
:о; 1

=1

-

=1

-

Да

Стехиометрия молекул хромофоров антенны и реакционного центра.
Соотношение величин молярных коэффициентов экстинкции хромофоров антенны и реакционного центра.

турно сходных с ними соединений, например, пте­

лохинона,

ринов и фолатов разной степени восстановленности,

пида

3 Fe4S4 кластера, 22 каротиноида, 4 ли­
(Jordan et а/., 2001). На одну молекулу хлоро­

нуклеотидов, никотинамидных коферментов и их

филла РЦ приходится сто и более молекул антенно­

восстановленных молекул (Крицкий и др.,

го

При
ность

отборе

пигментов

поглощения

света,

антенны

2010).
эффектив­

по-видимому,

стала

пигмента,

каждая

из

которых

поглощает

свет

приблизительно с такой же интенсивностью, либо

не

хуже, чем хлорофилл реакционного центра. Так,

Спо­

для хлорофилла а РЦ величина коэффициента мо­

собствовать отбору на роль антенны могла устой­

лярной экстинкции в длинноволновом максимуме

чивость молекулы к фотолитической деградации, а

(Лmах =

единственным

эволюционным

критерием.

суще­

662-663 нм) составляет (в зависимости от
1
1
растворителя) 75,1-91,2 мм- см- , а для антенного
хлорофилла Ь (Л665 антенны 47,0-51,5 мм- 1 см- 1 ).

ственно ниже, чем у других структурно близких

Поглощение ,В-каротина в максимуме при ..1.480 со­

восстановленных фолатов. Присутствие

пара­

ставляет 1,94 мМ- см- • (Досон и др., 1991). Для ан­

доксальным образом повышает устойчивость мо­

тенного фикоцианобилина длинноволновому мак­

лекулы к воздействию света (Телегина и др.,

симуму

в более широком смысле, ее низкая фотохимиче­
ская активность. Скорость фотолиза

MTHF
02

2005).

Данный факт интересен в связи с тем, что именно

1

690 нм соответствует значение
=37,9 мМ- 1 см- 1 (Brown et а!., 1981).

Amax=

заняла место антенны

В отличие от этого, в ДНК-фотолиазе погло­

в ДНК-фотолиазах организмов, принадлежащих к

щение фотонов, обеспечивающее функциониро­

строго аэробной ветви эволюционного древа.

вание одной фотокаталитически активной

MTHF

(в отличие от

1

8-HDF)

(фла­

Антенна флавопротеиновых рецепторов света

виновой) молекулы, осуществляет всего лишь од­

организована иначе, нежели в фотосинтетическом

на молекула антенного хромофора. Эта молекула­

аппарате.

светосборщик поглощает, однако, фотоны в не­

Пигментные

комплексы

фотосинтеза

представляют собой олигомерные белки, с которыми

сколько раз интенсивнее, чем фотохимически ак­

связаны десятки молекул, участвующих в поглоще­

тивный флавин (табл.

нии фотона, межмолекулярной передаче энергии и

тенный и фотокаталитический (в реакционном

фотохимическом акте. Так, например, комплекс фо­

центре) связаны с одним и тем же полипептидом.

тосистемы

Существуют

1 цианобактерии Synechococcus elongatus
состоит из 12 белковых субъединиц и 127 молекул
кофакторов, среди которых 96 хлорофиллов, 2 фил-

1).

серьезные

Оба хромофора

структурные

-

ан­

различия

между организацией пигментного аппарата фото­

синтетической и флавопротеиновой модели. В от-


М С. Крицкий и др. Фотохимические реакции флавинов

личие от пигментов фотосинтеза, белки и хромо­

313

хромофоры. В водной среде эти полимеры обра­

форы флавопротеиновых фоторецепторов раство­

зуют так называемые «протеиноидные микросфе­

римы в воде и осуществляют свои функции в во­

ры Фокса»

непо­

(Fox, Dose, 1972; Heinz et а!., 1979;
Heinz, Ried, 1981). В присутствии микроприме­

средственной связи с липидной мембраной. Чет­

си ортокремниевой кислоты эти микросферы со­

вертичная структура водорастворимых флавопро­

храняют устойчивость при рН

теиновых

как

ция фотофосфорилирования успешно проходила

тенденция к образованию на определенных ста­

именно в этом диапазоне рН. При облучении сус­

дорастворимом

пространстве

сенсоров

света

клетки,

проявляется

вне

лишь

причем реак­

8-9,

диях фотоцикла олигомеров (преимущественно,

пензии микросфер синим светом либо ультрафио­

гомо-, либо гетеродимеров)

летом

(Corrochano, 2007;

(UV-AB)

в присутствии

ADP и

ортофосфата

происходит образование АТР с молярным выхо­

Losi, Gaertner, 2011).
Таким образом, эволюция флавопротеинового

дом до

20 %

фотобиокатализа может приводить к формирова­

(Крицкий и др.,

нию комплекса «антенна

и квантовым выходом

0,15-0,20
2007, Kolesnikov et а/., 2008). Для

реакционный (фото­

циклической регенерации фотохимически актив­

каталитический) центр», организованного совер­

ной формы необходимо присутствие Оъ Н 2 0 2 , ли­

шенно иным образом, нежели в аппарате фото­

бо «бескислородного» акцептора электрона, на-

синтеза. Различия касаются химической структу­

пример,

-

Fe з+ -цитохрома с

(Е 0 =
1

0,25

В).

ры хромофоров и белков, стехиометрии пигмен­

Характер спектров действия указывает на то,

тов комплекса и соотношения их фотонпогло­

что помимо флавина сенсибилизатором фотофос­

щающей способности.

форилирования также служат птеридины, особенно
активно образующиеся при замене в наборе ами­
нокислот-предшественников

4.

глицина

на

аланин

Конверсия флавином энергии

(рис.

фотона в энергию

стиками флавинов и птеридинов, замена сенсиби­

макроэргической связи

лизирующего пигмента приводит к сдвигу макси­

3).

В согласии со спектральными характери­

мума спектральной чувствительности из видимой

молекулы АТР

в ультрафиолетовую

Отсутствие сведений об участии флавинов в

снижению

(UV-A) область,
выходаАТР (рис. 3).

а также к

фотофосфорилировании в организмах заставляет

Химический механизм фотофосфорилирова­

обратиться к моделям, особенно к тем, в которых

ния не ясен и, очевидно, не идентичен биологиче­

фотохимический процесс разворачивается в связи

ским механизмам, т. е. реакции с участием АТР­

с матрицей. Термином «матрица» в фотохимии
обозначают молекулу-хозяина, например, органи­
ческий полимер или минеральный сорбент, со­

держащий сенсибилизатор. Такая матрица связы­
вает и концентрирует молекулы субстрата, создает
локальные центры катализа, но не становится ча­

стью молекулы-продукта

(Svoboda, Konig, 2006).

синтаз, реализующих энергию трансмембранного
электрохимического градиента протона, а также

процессу субстратного фосфорилирования, со­
пряженного с окислением органических альдеги­

дов либо с расщеплением а-кетокислот (Мецлер,

Предположительно, в его основе лежит

1980).

взаимодействие свободного радикала флавина с
приводящее к образованию радикальной

Матричные фотохимические процессы представ­

ADP,

ляют большой интерес как модели примитивных

формы

систем метаболизма и преобразования энергии.

Такой механизм предложен для сенсибилизиро­

Модельные эксперименты показали, что в усло­

ванного рибофлавином фосфорилирования

виях

водном растворе (Лозинова и др.,

добиологической

среды

могли

образовы­

ADP", и, далее, к ее фосфорилированию.

1997).

мически активные флавиновые группы.

работах не превышал

нагревании

(150-200°С)

аминокислот в отсутствие

02

сухой

смеси

образуются амино­

ADP

в

Неделина,

Поскольку выход АТР в процитированных

ваться матричные системы, содержащие фотохи­

При

1986;

0,2 %,

эффективное фосфо­

рилирование во флавопротеиноидной модели
можно рассматривать как следствие матричного

кислотные полимеры (протеиноиды), с которыми

характера процесса. Нельзя исключать, что в фор­

конъюгированы изоаллоксазиновые

мирование каталитического механизма фосфори-

( флавиновые)


Глава

314
ж

800

•:S:

е!

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

1

гии в энергию связей АТР, а также о том, что эво­

1,5

а)

)

о

3ж

1
1

•:S:

«!.
А

400

с;
С)

1,0

:::1

сформировать фотохимический механизм, допол­

:з

ненный светособирающей антенной. Несходство

;""4

1

~

}

-1

С)

:!
:\.:
:!

0,5

ж

С)

(')

-1
О"

е

~

о

350

300

400

450

."

g
.....

350

3.

0,2 о

фотона. Закономерен вопрос, почему же эти мо­

5

преобразователей энергии?

-1

Механизм преобразования энергии в фото­

ж

С)

синтезе базируется на двух функциональных бло­

01

".

ках, ассоциированных с липидной мембраной. Пер­

-.

450

синтезированы

в

вый блок

500

лизин

2008);

(б)

-

-

ром

указаны

спектры

лизин

FMN

и биоптерина

-

-

протеинои­

глицин

смеси

(8 : З: 1)

протеиноиды синте­

результате термолиза

новая кислота

в

ADP

термолиза

-

аланин

смеси

(8 : З: 1).

поглощения

-

это межмолекулярный перенос элек­

трона, индуцированный возбужденным хлорофил­

пигментсодержащими

результате

глутаминовая кислота
в

как

лекулы не заняли в организмах место пигментов­

(')

сенсибилизированного

зированы

востребованы

;""4
С)

,1

400

(Kolesnikov et а/.,

неоднократно

::а

протеиноидными микросферами: (а)
ды

бьши

участники физиологических процессов рецепции

Спектры действия фотофосфорилирования
АТР,

фоторецепторов,

на то, что в истории биосферы флавины, образно

Длина волны. нм
Рис.

флавопротеиновых

о

\ \_

300

ных групп

500 550
б)

•Bu.oitmflplUf, \ \

о

низации хромофорсвязывающих доменов у раз­

как и различие деталей их фотоциклов, указывает

~

50 .i

первичной структуры и пространственной орга­

говоря,

:'\
,

люция флавопротеинов в организмах способна

глутами­

Пункти­

стандартов

-

лом РЦ. Второй

-

формирование в результате

этого переноса трансмембранного электрохими­
ческого градиента протона, энергия которого по­

средством АТР-синтазы обеспечивает фосфори­
лирование молекулы

Известен механизм, ко­

ADP.

торый можно рассматривать как редуцированную
версию

такой

энергопреобразующей

системы.

Этот механизм, функционирующий в пурпурной
мембране клеток галобактерий, использует про­

лирования вносят вклад силикат-ионы, присутст­

тонный градиент, который формируется на мем­

вующие в микросферах. Сообщалось, что присут­

бране

ствие силикатов оказывает каталитический эф­

благодаря тому, что в качестве протонного насоса

без

участия

фект в реакциях фосфорилирования органических

функционирует

кислот и сахаров в моделях абиогенных систем

допсин.

сам

электронпереносящей цепи,
фоторецептор

бактериоро­

Анализ флавиновой модели указывает на воз­

(Maheen et al., 2011).
Можно заключить, что в ранней эволюции

можность формирования на основе биомолекул

существовала возможность абиогенного форми­

другой редуцированной версии механизма преоб­

рования систем, в которых возбужденные молеку­

разования энергии света. Этот механизм базирует­

лы флавина осуществляют эффективное преобра­

ся на фотоиндуцированном переносе электрона и

зование энергии света в энергию связей АТР.

функционирует без участия липидной мембраны.

Строго говоря, не запрещен и фотокатализ элек­
тронного обмена флавином, входящим в состав

5.

Оценка

липидной мембраны. Так, например, липофильное

конкурентоспособности

производное рибофлавина, встроенное в липидную

флавиновой фотохимии

мембрану,

в эволюции

способно

фотокатализировать

мембранный перенос электрона.

транс­

(Shmidt, 1984).

Энергия гидролиза фосфоангидридной свя­
Изложенный выше материал свидетельствует

о возможности формирования на основе флавинов
эффективного преобразователя солнечной энер-

зи

в

0

молекуле АТР (ЛG ', рН =
1

7,0)

составляет

-33,5 кДж моль- . Энергия Эйнштейна (моля фо­
тонов) в видимом спектре (Л = 400-780 нм) варьи-


М С Крицкий и др. Фотохимические реакции флавинов

рует, соответственно, от

до

299,1

154,2 кДж.,

т. е.

315

ла обусловить отбор хлорофилльного фотосинтеза

энергия одного фотона любого участка видимого

на роль

спектра, и, тем более, UV-фотонов, значительно

биосфере.

преобразователя

солнечной

энергии в

превышает уровень, необходимый для образова­
ния АТР. В действительности же, доля избыточ­

в

биологических

системах

образование

Гипотетическая среда

6.

ной составляющей энергии фотона еще выше, т. к.

для функционирования

одной

фосфоангидридной связи теоретически является
следствием

поглощения

флавиновой фотоэнергетики

пигментом-сенсибили­
Можно думать, что конкурентоспособность

затором двух фотонов, что индуцирует перенос
двух протонов через тилакоидную мембрану либо

пигмента как преобразователя энергии повышает­

через пурпурную мембрану клеток галобактерий.

ся,

При фотосинтезе такой перенос становится след­

спектру солнечного излучения. В случае флави­

ствием транспорта двух электронов от РЦ через

нов такому требованию отвечает излучение звезд

комплекс

b6-f ЭТЦ.

Флавопротеиноидная модель,

если его

класса

G

спектр поглощения комплементарен

(а также

F)

так называемой «главной по­

возможно, более экономична, поскольку, согласно

следовательностю>. Эти звезды по своей массе и

постулированному выше механизму, образование

спектру излучения близки к Солнцу (по Гарвард­

одной макроэргической связи в АТР теоретически

ской спектральной классификации оно имеет код

обусловлено поглощением одного фотона (реаль­

G2V) (Kaler, 1997).

Опубликованные

значения

ный квантовый выход продукта в флавиновой мо­

максимума энергии солнечного света варьируют в

дели, как и в фотосинтетическом процессе суще­

диапазоне

ственно ниже).

ние энергии видимого излучения на границе

475-504 нм (Ahmed, 2002).

Соотноше­

UV-

Поскольку энергия фотона любой области ви­

и ИК-диапазонов (Е400 /Е750 ) составляет ~1,5. Та­

димого спектра не служит лимитирующим факто­

кой спектр излучения благоприятен для функцио­

ром фотофосфорилирования, приобретает значение

нирования именно флавиновой фотоэнергетики.

положение полос поглощения света. Локализация

Сдвиг в длинноволновую область максимума энер­

полос поглощения света в более длинноволновой

гии, достигающей поверхности планеты, вследст­

области

вие появления озонового экрана

предоставляет

механизму

фотосинтеза

(E400IE1so

~

0,9)

ряд преимуществ по сравнению с флавопротеи­

должен был негативно отразиться на эволюцион­

ноидной моделью. Энергия низшего колебатель­

ной судьбе этих процессов.

ного подуровня синглетно-возбужденного состоя­

Для реализации флавиновых фотохимических

ния хлорофилла, которой соответствует полоса

систем в эволюции большое значение имеют ре­

поглощения в красной области, допускает пере­

докс-условия среды. Для проявления фотохими­

нос на его молекулу энергии от антенных пигмен­

ческой активности окисленных флавинов (а имен­

тов, поглощающих фотоны практически всего ви­

но их молекулы хорошо поглощают свет), необхо­

димого спектра. Это сильно расширяет возможно­

дима возможность их реокисления в ходе фото­

сти фотосистемы. Для флавинов антенна может

процесса. Наличие кислорода в атмосфере является

обеспечить разве что более эффективный сбор

не единственной возможностью для такого про­

фотонов в самой коротковолновой области види­

цесса. Возможным кандидатом на роль окислителя

мого спектра и ультрафиолете.

является, например, пероксид водорода; который

Для оценки конкурентоспособности флави­

способен обеспечить эффективное функциониро­

новой модели по отношению к фотосинтезу также

вание флавопротеиноидной модели фотофосфори­

важна

лирования

более

сравнению

способность

хлорофиллом

флавина

(Kolesnikov et al., 2008).

В геологиче­

ских условиях Земли возможность образования

Значения молярных коэффициентов экстинкции

Н 2 0ъ существовала даже в присутствии атмосфер

например, FМN,

поглощать

по

фотоны.

флавинов,

с

низкая

существенно ниже,

с низким содержанием кислорода. Так, эффектив­

нежели у хлорофиллов (см. выше). Более высокая

ным источником Н 2 0 2 служит, например, фотолиз

способность

воды

пигментов

эффективно

поглощать

фотоны практически всего видимого спектра мог-

в

присутствии

(Borda et al., 2001).

железо-серных

минералов


316

Глава

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических
т;'

uv

~

:ж:

~

~2.0

&:;

i

Vis

IR

систем

)

"'t'i•.11\'!! \1'!.~ ~.№... - .

о::

: e.a..iJJE.ц~!I. ~~У.€9.е.!1~ ~Pi!. - - - - - - •

:s:

:ж:
ф

:

7

~1.0
~

..D

tо
:х:

3"
о

:::?;

500

о

1000

1500

2000

2500

Длина волны, нм
30

а)

6)

1

1001------t-----+-----t---i

~

~20

. . ,. ,. .- -" - -. . ---------1

-80t-----ift-t~..-----т------t---i

~

~
~ 10
w

~ 60 ---~!--j-

g40..,,..'--+-:r-....-!=;.._----+------1-t-1----1

о ~~__,._~~--5!!!!'.!ОО""' о "'зоо~.
,,...---~~-~~

•)

§20i;;--.-+---++-ii.------+---.,.,..,.i---+t----I

с:

~1oi~~===:ф:~~~jo!!~~~~
~80~----~1:----------..._--.,.....+--~

~во--------------------1

11)

~
40 1-----+-'"-r---......,~---~.---1
::i::

~20t---------+--------1--------fl..---I
о._________,,.,.,,,_______..._________.____.

::s::

300

400

500

300

400

500

400

Дnина воnны, нм
Рис.

500

600

Дnина волны. нм

4. Спектральное распределение мощности Солнечного излучения и спектральная чувствительность фотобиологиче­
ских систем. На верхнем графике представлена спектральная зависимость мощности солнечного излучения за верх­
ней границей современной атмосферы Земли и на уровне моря. На графиках в нижнем ряду представлены спектры
поглощения пигментов и типичные спектры действия фотопроцессов. Левый график: (а)- спектры поглощения

FMN
(1) и FMN-H2 (2); (б) - спектр поглощения MTHF; (в) - спектр действия фототропизма макроспорангиофоров гриба
Phycomyces Ыakesleeanus (Delbrйck, Schropshire, 1960); (г) - катализируемая ДНК-фотолиазой фотореактивация
клеток дрожжей Sacharomyces cerevisiae (Eker et а/., 1990). Правый график: спектры поглощения пигментов фотосин­
теза и спектр действия фотосинтетического процесса (Whitmarsh, Govindjee, 1999)
С учетом того, что при возбуждении молекула

Заключение

флавина становится сильным электрофилом, роль
донора электрона в условиях ранней эволюции мог­

Результаты

моделирования

предбиологиче­

ли выполнять абиогенно доступные соединения, на­

ских систем дают основание заключить, что в ус­

пример, органические кислоты, спирты, сульфиды.

ловиях абиотической среды могли формироваться

Следует отметить, что модель, обычно рассматри­

достаточно сложные звенья метаболической сис­

ваемая как базовая для фотосинтеза

(оксигенный

темы, в нашем случае, конверторы энергии света

процесс с использованием воды как донора элек­

в энергию АТР, т. е. гомологи фотосинтетического

трона), свойственная цианобактериям и хлоропла­

фосфорилирования.

стам, в действительности является, по-видимому,

скую эффективность такого механизма, трудно

относительно поздним продуктом эволюции. В более

представить, однако, что такой фотохимический

древних вариантах донором электрона служат доста­

конвертор мог стать основой для развития био­

точно восстановленные соединения, например, в

энергетических

клетках зеленых серных бактерий, сульфид водорода.

Причина заключается, прежде всего, в том, что

Несмотря

процессов

на

фотохимиче­

современного

типа.


М С. Крицкий и др. Фотохимические реакции флавинов

структура абиогенного фотохимического механиз­
ма

не

сдвиг

закреплена

параметров

генетически

среды

и,

как

приводит

к

следствие,

серьезному

изменению его структурных и функциональных
свойств. Например, изменение химического со­

става

предшественников

(набора

аминокислот)

сопровождалось заменой флавинового пигмента
на птеридин в продуктах синтеза и, как следствие,

перемещением максимума спектральной чувстви­
тельности системы из видимого спектра в ультра­

фиолетовую

(UV-A) область и снижением эффек­

тивности процесса.

Способность флавинов трансформировать энер­

Лозинова ТА.,

317

Неделина О. С.,

Каюшин Л. П.

(1986)

Влияние аденозиндифосфата на светозависимое по­
глощение кислорода флавинами
№

1.

С.

//

Биофизика. Т.

31.

10-15.

Людникова Т А.,
кий М С.

Дашина О. А.,

(2009)

Телегина Т А.,

Исследование

Криц­

фотохимических

свойств биоптерина и его восстановленных форм//
Прикл. биохим. микробиол. Т.
Мецлер Д.

( 1980)

Биохимия.

45.

№

4.

С.

117-123.

Химические реакции в

живой клетке. В трех томах. М.: Мир.

Неделина О. С.

(1997)

Элементарный

Биосинтез аденозинтрифосфата.

химический

акт

синтеза

АТФ

в

окислительном фосфорилировании. М.: ИБХФ РАН.
Телегина Т А., Людникова Т А., Земскова Ю. Л., Криц­
кий М. С.

(2005)

Исследование

устойчивости

гию света в энергию АТР наряду со сведениями о

5,10-метенилтетрагидрофолиевой кислоты к дейст­

функционировании современных флавопротеино­

вию ультрафиолетовой радиации// Прикл. биохим.

вых фоторецепторов, в частности, с тем фактом,

микробиол. Т. 41. № 3. С. 315-323.
Ahmed Т (2002) The wavelength of the Sun's peak radiation output. // Physics Hypertextbook, an Encyclopedia of Scientific Essays / Eds. G. Elert. http://

что эволюция неоднократно внедряла флавины в
биологический механизм рецепции света, указыва­

ет на возможность образования энергопреобразу­
щих фотосистем с их участием. При этом в рамках
данного механизма могла сформироваться антенна,
усиливающая приток энергии возбуждения на фо­
токаталитический реакционный центр. По своим
спектральным

параметрам

преобразования

энергии

флавиновая
света

система

комплементарна

спектру солнечной радиации, достигавшей поверх­
ности Земли в условиях древней Земли.

Литература
Вечтомова Ю. Л.,

Крицкий М С.

Телегина Т А.,

(2010)

Колесников М П.,

Фотобиохимия фолатов: фо­

тохимическое восстановление фолиевой кислоты
Прикл. биохим. микробиол. Т.

46.

№

3.

Досон Р, ЭллиотД., Эллиот У., Джоне К.

//
372-378.
(1991) Спра­

С.

вочник биохимика. М.: Мир.

Крицкий М С., Колесников М П., Телегина Т А.
Моделирование абиогенного синтеза АТФ
ды Академии наук. Т.

417.

№

2.

С.

//

(2007)
Докла­

265-268.

Крицкий М С., Телегина ТА., Вечтомова Ю. Л., Колес­
ников М П., Людникова ТА., Голуб О. А.

Фо­

(2010)

товозбужденные молекулы флавиновых и птерино­
вых коферментов в эволюции
№

10.

с.

Биохимия. Т.

//

75.

1348-1366.

Крицкий М С.,

Телегина Т А., Людникова Т А., Колес­

ников М П., Вечтомова Ю. Л., Дашина О. А., Сви­
ридов Е. А.

(2008)

Фотохимия коферментов как об­

ласть эволюционных исследований// Проблемы за­
рождения и эволюции биосферы
мов. М.:

URSS.

С.

97-110.

/

Ред. Э. М. Гали­

hypertextbook.com/facts/2002/ТahirAhmed.shtml

Bladel W. Т, Laessig R. Н. (1965) Continous EDTA titrations with а dropping mercury electrode. Automated titrations based on nonsymmetric curves // Anal. Chem.
V. 37. № 10. Р. 1255-1260.
Вlankenship R. Е. (201 О) Early evolution of photosynthesis //
Plant Physiol. V. 154. № 2. Р. 434-438.
Borda М J, Elsetinow А. R., Schoonen МА., Strongin D. R.
(2001) Pyrite-induced hydrogen peroxide formation as
а driving force in the evolution of photosynthetic organisms on an early Earth // AstroЬiology. V. 1. № 3.
Р. 283-288.
Braatsch S., Gomelsky М, Kиphal S., Кlиg G. (2002) А single flavoprotein, АррА, integrates both redox and light
signals in Rhodobacter spheroides 11 Mol. MicroЬiol.
V. 45. № 3. Р. 827-836.
Brown S. В., Holroyd J А., Troxler R. F Offenert G. D.
(1981) Bile pigment synthesis in plants. lncorporation
of haem into phycocyanoЬilin and phycoЬiliproteins in
Cyanidiиm caldariиm. // Biochem. J. V. 194. № 1.
Р. 137-147.
Brudler R., Нitomi К., Diayasи Н., Toh Н., Кисhо К.,
Ishiиra М, Kanehisa М, Roberts V А., Todo Т, Tainer J. А., GetzoffЕ. D. (2003) Identification of а new
cryptochrome class. Structure, function, and evolution //
Mol. Cell. V. 11. № 1. Р. 59-67.
Christie J М, Salomon М, Nozиe К., Wada М, Briggs W R.
(1999) LOV (light, oxygen, or voltage) domains of the
Ьlue-light photoreceptor phototropin (nphl ): Binding
sites for the chromophore flavin mononucleotide // Proc.
Natl. Acad. Sci. USA. V. 96. № 15. Р. 8779-8783.
Corrochano L. М (2007) Fungal photoreceptors: sensory
molecules for fungal development and Behaviour //
Photochem. Photobiol. Sci. V. 6. № 7. Р. 725-736.


318

Глава

Delbrйck М,

111. Теоретические

и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

Shropshire Jr. W. (1960) Action and transition spectra of Phycomyces 11 Plant Physiol. V. 35. № 2.
Р. 194-204.
bittrich М, Freddolino Р L., Schulten К. (2005) When
light falls in LOV: а quantum mechanical/molecular mechanics study of photoexcitation in Phot-LOVl
of Chlamydomonas reinhardtii 11 J. Phys. Chem. В.
V. 109. Р. 13006--13013.
Fox S. W., Dose К. (1972) Molecular Evolution and the
Origin ofLife. San Francisco: S. А. Freeman Со.
Gauden М, Yeremenko S, Laan W., Stokkum 1. Н. М van,
lhalainen J А" Grondell R., Кlaas J, HellingwerfК. J,
Kennis J. Т. М (2005) Photocycle of the flavin-binding
photoreceptor АррА, а bacterial transcriptional antirepressor of photosynthesis genes // Biochemistry.
V. 44. № 10. Р. 3653-3662.
Gomelsky М, Кlug G. (2002) BLUF: а novel FAD-binding
domain involved in sensory trasduction in microorganims // Trends Biochem. Sci. V. 27. № 10. Р. 497-500.
Heelis Р F. (1982) Тhе photophysical and photochemical
properties of flavins (isoalloxazines) // Chem. Soc.
Rev. V. 11. № 1. Р. 15-39.
Heinz В., Ried W. (1981) Тhе formation of chromophores
through amino acid thermolysis and their possiЫe role
as prebiotic photoreceptors // BioSystems. V. 14. № 1.
Р. 33-40.
Heinz В., Ried W., Dose К. (1979) Thermische Erzeugung
von Pteridinen and Flavinen aus Aminosaueregemischen // Angew. Chem. В. 91. № 6. S. 510-511.
Jordan Р, Fromme Р, Witt Н. Т., Кlukas О., Saenger W.,
KraujJ N. (2001) Three-dimensional stmcture of cyanobacterial photosystem I at 2.5А resolution // Nature.
V. 411. №. 6840. Р. 909-917.
lseki М, Matsunaga S., Murakami А., Ohno К., Shiga К.,
Yoshida К., Sugai М, Takahashi Т., Hori Т., Watanabe М (2002) А Ыue-light-activated adenylyl cyclase
mediates photoavoidance of Euglena gracilis 11 Nature.
V. 415. № 6875. Р. 1047-1051.
Kaler J В. (1997) Stars and Their Spectra: An Introduction
to the Spectral Sequence. Cambridge: Cambridge University Press.
Klar Т., Kaiser G., Hennecke И., Carell Т., Batschauer А.,
Essen L.-0. (2006) Natural and non-natural antenna
chromophores in the DNA photolyase from Thermus
thermophilus. 11 ChemВioChem. V. 7. № 11. Р. 17981806.
Kolesnikov М Р (1991) Proteinoid microspheres and the
process of prebiological photophosphorylation // Orig.
Life & Evol. Biosph. V. 21. № 1. Р. 31-37.
Kolesnikov М Р,
Telegina Т. А.,
Lyudnikova Т. А.,
Kritsky М S. (2008) Abiogenic photophosphorylation
of ADP to АТР sensitized Ьу flavoproteinoid micro

spheres // Orig. Life & Evol. Biosph. № 2. V. 38.
243-255.
Kritsky М S., Lyudnikova Т. А., Mironov Е. А., Moskaleva 1. V (1997) Тhе UV radiation-driven reduction of
pterins in aqueous solution // J. Photochem. Photobiol.
В.: Biol. V. 48. № 1. Р. 43-48.
Lin С, Robertson D. Е., Ahmad М, Raibekas А. А., Shuman J. М, Dutton Р L., Cashmore А. R. (1995) Association of flavin adenine dinucleotide with the AraЬidopsis
Ыuе light receptor CRYl // Science. V. 269. № 5226.
Р. 968-970.
Linden Н., Ballario Р, Macino G. (1997) Blue light regulation in Neurospora crassa 11 Fungal Genet. Biol. V. 22.
№ 3. Р. 141-150.
Losi А. (2007) Flavin-based Ыue-light photosensors:
А photobiophysics update. // Photochem. PhotoЬiol.
V. 83. № 6. Р. 1283-1300.
Losi А" Gaertner W. (2011) Old chromophores, new photoactivation paradigms, trendy applications: Flavins in
Ыuе light-sensing photoreceptors // Photochem. PhotoЬiol. V. 87. № 3. Р. 491-510.
Maheen G., Wang У., Wang У., ShiZ" Тiап G., FengS. (2011)
Mimicking the preЬiotic acidic hydrothennal environment: One-pot preЬiotic hydrothermal synthesis of glucose
phosphates // Heteroatom Chem. V. 22. № 2. Р. 186--191.
Partch С L., Sancar А. (2005) Photochemistry and photoЬiology of cryptochrome Ыue-light photopigments: Тhе
search for а photocycle // Photochem. PhotoЬiol. V. 81.
№ 6. Р. 1291-1304.
Sancar А. (1994) Stmcture and function of DNA photolyase // Biochemistry. V. 33. № 1. Р. 2-9.
Sancar А. (2003) Stmcture and function of DNA photolyase
and cryptochrome Ыue-light photoreceptors // Chem.
Rev. V. 103. № 6. Р. 2203-2237.
Schwerdtfeger С, Linden Н. (2003) VIVID is а flavoprotein and serves as а fungl Ыuе light photoreceptor for
adaptation // ЕМВО Joumal. V. 22. № 18. Р. 486-4855.
Svoboda J., Konig В. (2006) Templated photochemistry:
Toward catalysts enhancing the efficiency and selectivity of photoreactions in homogeneous solutions //
Chem. Rev. V. 106. № 12. Р. 5413-5430.
Swartz Т. Е., Corchnoy S. В., Christie J. М, Lewis J. L"
Schundi W. R., Briggs W. R. Bogomolni R. А. (2001)
Тhе photocycle of flavin binding domain of the Ыuе
light photoreceptor phototropin // J. Biol. Chem.
V. 276. № 39. Р. 36493-36500.
Whitmarsh J., Govindjee. (1999) Тhе photosynthetic process // Concepts in Photobiology: Photosynthesis and
Photomorphogenesis / Eds. G. S. Singhal, G. Renger,
S. К. Sopory, К.-D. Irrgang, Govindjee. "Narosa Publishers" New Delhi and "Кluwer Academic" Dordrecht.
Р. 11-51.
Р.


МОЛЕКУЛЯРНЫЕ И АССОЦИИРОВАННЫЕ ХЛОРОФИЛЛ И ХЛОРОФИЛЛИД:

КООРДИНАЦИОННЫЕ И ФОТОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА В РЕАКЦИЯХ
ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА

А. В. Лобанов

(*)

,Г

В. Синько

(**)

,Г

Г Комиссаров

(*)

(*)Институт химической физики им. Н Н Семенова РАН
avlobanov@тail.ru
(**)

Российский федеральный ядерный центр­

Всероссийский научно-исследовательский институт
технической физики им. Е. И Забабахина.
gevas@иniterra.rи

Рассмотрены особенности фотофизических свойств хлорофилла а

(Chl)

и хлорофиллида а

(Chld),

опре­

деляемые природой d-электронной оболочки центрального иона металла. Показано, что координационное

взаимодействие молекул пероксида водорода и

Chl (Chld)

происходит при участии иона магния, но не макро­

гетероциклического лиганда. Координация Н 2 0 2 энергетически выгоднее в случаях димеров и тримеров пиг­

мента по сравнению с изолированными молекулами. Фотокаталитическое разложение Н 2 0 2 также эффектив­
нее происходит при ассоциации
ассоциированного

Chl. Фотоиндуцированное образование Н2 0 2 при участии
Chl осуществляется по двум принципиально разным механизмам.

Введение

молекулярного и

в эволюцию электрон-транспортных процессов и

энергозапасающих реакций.
Накопленный массив теоретических и экспе­
риментальных
цесса

данных

возникновения

по

про­

углистых хондритов на Землю были занесены ор­

органического

ганические, в том числе фотохимически активные

моделированию

первичного

При формировании биосферы в ходе падения

вещества в водоемах Земли в абиотический пери­

соединения, такие как порфирины и их металло­

од призывает уделять внимание составу исходной

комплексы (Галимов,

водной системы. Рассмотрение факторов, которые

таллопорфирины, в том числе хлорофилл, также

1988).

Существенно, что ме­

могли сыграть решающую роль в феномене воз­

фотоиндуцируют образование пероксида водоро­

никновения жизни и систематический анализ ус­

да, который далее может принимать участие во

пешных абиогенных синтезов органического ве­

множестве фотохимических и термических про­

щества

цессов (Лобанов и др.,

дают

серьезные

основания

считать,

что

2008).

При этом в силу

важным компонентом фотоиндуцированных про­

ограниченной растворимости в воде подавляю­

цессов в первичном бульоне является пероксид

щего

водорода.

Действительно,

·шергетические

воздействия

практически
на

воду и

большинства

известных

порфиринов

их

любые

фотоактивные молекулы присутствовали в пер­

водные

вичных водоемах Земли в форме разнообразных

на

супрамолекулярных комплексов, в составе кото­

ранней Земле, равно как и виды энергии, исполь­

рых могли быть стабилизированы как одиночные

·1уемые в экспериментах (электрические разряды,

молекулы пигментов, так и их ассоциаты. Таки­

ультрафиолетовое

системы,

которым

они

могли

подвергаться

облучение,

ми системами могли быть адсорбционные струк­

магнитное поле) приводят к накоплению Н 2 02

туры, комплексы включения в мицеллы или агре­

(Комиссаров,

Следовательно, фотоиндуци­

гаты амфифильных веществ. В силу особых фи­

рованные реакции Н 2 0 2 могли дать весомый вклад

зико-химических свойств такие ассоциаты ме-

2003).

и

радиационное


320

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

таллопорфиринов в ходе эволюции стали прото­

Граничные орбитали молекулы

1.

типами функциональных центров фотобиологи­

хлорофилла и особенности

ческих процессов.

фотофизических свойств

"

Гетерогенность хлорофилла в тилакоидных

мембранах хлоропластов растений в настоящее
время надежно установлена. Так, обнаружива­
ется

спектральная дискретность химически то­

Для

выяснения

особенностей

фотофизиче­

ских свойств металлокомплексов принципиально
важно рассмотреть электронное строение их мо­

ждественных молекул пигментов, обусловлен­

лекул и оценить вклад фрагментов молекул. На

ная различиями в характере и силе взаимодей­

рис.

ствия

из рис.

пигмент~микроокружение

и

пигмент~

1

показаны молекулы

пигмент. Эти формы различаются по располо­

близка для обеих молекул.

жению электронно-колебательных уровней и по

и

фотохимическим свойствам (Рубин,

Chld. Как видно
Chl и Chld очень
Макрогетероцикл Chl

Chl

и

геометрия макроколец

1,

после оптимизации геометрии в обоих

Chld

По

случаях остается практически плоским. Расче­

производной

ты показали, что у каждой из этих молекул су­

спектрометрии, хлорофилл в хлоропластах пред­

ществует, по крайней мере, две конформации с

ставлен целым рядом нативных форм, каждая из

полной

которых обладает своей узкой полосой погло­

рис.

щения

лекулы

данным

низкотемпературной

и

флуоресценции

в

и

2000).

красной

области

2

энергией,

близкой

к

минимуму.

На

показаны эти две конформации для мо­

Chld. Обозначим их как Chldl и Chld2.
рис. 2 окружностями выделены отличия в

спектра. Причем данная система форм универ­

На

сальна для организмов основных филогенети­

пространственном расположении заместителей

ческих групп. Эти формы представляют собой

в зависимости от конформации

термодинамически устойчивые типы агрегатов

молекулы хлорофиллида в конформации

пигмента: самосборку агрегатов с аналогичны­

на

ми спектральными свойствами удается просле­

конформации

дить в пленках, монослоях и растворах пигмен­

тов (Конев, Волотовский,

1971).

Примечатель­

5,91

ккал/моль

Chld.

Энергия

Chld 1

эВ) выше энергии в

(0,256
Chld2.

Таким же в точности образом отличаются и

подобные

конформации

молекул

хлорофилла,

но, что по данным флуоресцентных и адсорбци­

обозначенные по аналогии

онных экспериментов в листьях растений хло­

Необходимо отметить, что гидрофобный остаток

Chll

и

(рис.

Chl2

3).

рофилл даже при малых концентрациях (напри­

фитола после оптимизации геометрии молекулы в

мер, в этиолированных листьях) сгруппирован в

обеих конформациях занимает несколько отли­

ассоциаты, расположенные около ферментатив­

чающееся положение. На рис.

ных центров, в которых идет синтез хлорофилла

стями вьщелены отличия в геометрии конформа­

(Комиссаров,

ций молекулы

1973).

В настоящей работе проведен сравнительный
анализ электронных, фотофизических, координа­

3

также окружно­

Chl.

Энергия молекулы хлорофилла в конформа­

ционных и фотохимических свойств молекуляр­

5,04 ккал/моль (0,219 эВ) выше энер­
гии в конформации Chl2, что близко к аналогичной

ных и ассоциированных хлорофилла а

величине, полученной для хлорофиллида.

хлорофиллида а

(Chld)

(Chl)

и

ции

в отношении пероксида

Chll

на

Рассмотрим особенности природы граничных

водорода с помощью спектральных и физико-хими­

молекулярных орбиталей

ческих

цепочечный фитольный заместитель не должен

методов,

а

также

квантово-химических

расчетов. Моделирование взаимодействия

Chld

Chl

и

с молекулами Н 2 0 и Н 2 0 2 проводили с ис­

пользованием программы

2003).

существенно

Chl.

определять

Ясно, что длинно­

сопряжение

двойных

связей (ароматичность) макрогетероциклического

Gaussian 03 (Frisch et а!"

лиганда, что бьmо подтверждено квантово-хими­

Расчеты выполнены с набором базисных

ческими расчетами. По этой причине особенности

функций 6-ЗlG** в DFТ-приближении, с исполь­

электронного строения

зованием обменно-корреляционного функционала

а следовательно, подобны и их фотофизические

Геометрия всех показанных ниже мо­

свойства, определяемые электронными перехода­

PBElPBE.

лекул оптимизирована.

ми,

главным

Chl

образом,

и

Chld

крайне близки,

энергетической

щелью


А. В. Лобанов и др. Молекулярные и ассоциированные хлорофилл и хлорофиллид

Рис.

1.

Строение молекул: (а)-

Chl;

(б)-

321

Chld

а)

6)

Рис.

2.

Наиболее устойчивые конформации хлорофиллида: (а)

-

Chld1;

(б)

- Chld2

показаны граничные

природы граничных орбиталей связана с отсутст­

молекулярные орбитали взмо и немо хлоро­

вием у иона магния неспаренных d-электронов.

филлов а и Ь.

Известно, что для комплексов тетрапиррольных

ВЗМО-НеМО. На рис.

Из рис.

4

и

5

4

и

5

видно, что как ВЗМО, так и

пигментов с металлами с частично заполненными

немо хлорофиллов локализованы исключитель­

d-оболочками в результате сильного обменного

но на хлориновом макрогетероцикле и не охваты­

взаимодействия неспаренных электронов металла

вают центральный ион магния. Такая особенность

с

молекулярными

орбиталями

порфиринового


322

Глава

111. Теоретические

и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

а)

· . · . . JI

~t~

.

~~

б)

Рис.

3.

Наиболее устойчивые конформации хлорофилла: (а)

- Chl1;

(б)-

Chl2

макрогетероцикла наблюдаются высокие констан­

венных им соединений, а также их комплексов с

ты скорости безызлучательной дезактивации воз­

металлами, не содержащими неспаренные d-элек­

бужденных состояний (Аскаров и др.,

В то

троны (таких как хлорофиллы а и Ь) характерна

же время для безметальных порфиринов и родст-

генерация долгоживущих (О, 1-2 мс) триплетных

1987).


А. В. Лобанов и др. Молекулярные и ассоциированные хлорофилл и хлорофиллид

6)

Рис.

4.

Граничные молекулярные орбитали хлорофилла а: (а)

-

ВЗМО;

(6) -

немо

Рис.

5. Граничные молекулярные орбитали хлорофилла Ь: (а) -

ВЗМО;

(6) -

немо

323


324

Глава

111. Теоретические и экспериментальные

Рис.

6.

Димерный комплекс хлорофиллида

возбужденных состояний с высоким
квантовым

выходом.

долгоживущих

исследования предбиологических химических систем

Способность

(60-90 % )

к генерации

возбужденных состояний играет

Chld1 ... Chld1

большинства процессов координирования и фо­
тохимического

взаимодействия

в

качестве

мо­

дельного фотоактивного соединения мы исполь­

важнейшую роль в фотохимических реакциях ме­

зовали

таллокомплексов.

лиганд­

с водой и пероксидом водорода квантовохимиче­

центрированной локализации граничных орбита­

ские расчеты мы провели с использованием кон­

Другим

следствием

Chld.

При сравнении взаимодействия

лей является то, что электронные переходы имеют

формаций

чистую природу те ~ те* и не являются полосами

ты получены только для имеющей наименьшую

переноса заряда. Таким образом, возбужденные

энергию конформации

состояния, являясь высоко реакционноспособны­

в тексте как

Chldl

и

Chld2.

В случае

Chld

Chl2,

Chl

результа­

обозначаемую далее

Chl.

ми и кинетически неустойчивыми, обладают в то

же время высокой термодинамической стабильно­
стью. Кроме того, энергетика подобных электрон­

2.

Димерные комплексы

хлорофиллида

ных переходов и соответствующие спектральные
характеристики чувствительны лишь к координа­

ционным

взаимодействиям

макроциклического

лиганда.

Электронное строение молекул

Chl

и

Chld

чрезвычайно близко, обе молекулы имеют оди­
наковые

особенности

орбиталей

и

локализации

граничных

природу электронных

переходов.

Крайне близки и фотофизические свойства

Chld.

Chl

и

Резонно предположить, что эволюционным

предшественником

Chl

была молекула

Chld,

и,

следовательно, ранние прототипы фотосинтети­
ческих

Спектрально
пиррольных

реакций

ванные молекулы

могли

инициировать

изолиро­

Chld и

их надмолекулярные ас­

социаты. Этерификация фитолом была важным
этапам становления современной структуры фо­
тосинтетического аппарата, в которой алкильный

заместитель придает

наблюдаемые

металлокомплексов

димеры

тетра­

теоретически

могут быть образованы из молекул под разными
двугранными углами

(Zevenhuijzen, Zandstra, 1984).

Расчеты показывают, что энергетически наиболее
выгодно

располагать

молекулы

хлорофиллида

друг над другом. Однако и таких конфигураций
может быть множество. Поэтому были проведе­
ны расчеты нескольких комплексов из двух моле­

кул хлорофиллида, из которых для дальнейших

расчетов

выбирался один,

шую энергию связи. На рис.

имеющий наиболь­

6

показан такой ком­

плекс из двух молекул хлорофиллидов в конфор­
мации Chldl. Энергия связи димерного комплекса
Chldl ... Chldl равна 38,76 ккал/моль (1,682 эВ),
что, по крайней мере, на 1,2 ккал/моль (0,052 эВ)

амфифильные свойства,

больше всех остальных рассмотренных конфи­

обеспечивающие образования устойчивых хло­

гураций этого ассоциата. Энергия связи димера

рофилл-белковых
ных

и

конгломератов.

Chl

хлорофилл-белково-липид­

хлорофиллида

Для

равна

упрощения

расчетов

42,86

Chld2 ... Chld2 несколько
(1,86 эВ).

ккал/моль

больше и


325

А. В. Лобанов и др. Молекулярные и ассоциированные хлорофилл и хлорофиллид

Рис.

3.

7.

Тримерный комплекс хлорофиллида

Chld2 ... Chld2 ... Chld2

Тримерные комплексы

кулы Н2О и Н20 2 находится в центре макрокольца

хлорофиллида

в окрестности атома магния. Получаемая для та­

ких структур энергия связи, как минимум на
В тримерах
тельное

Chld

энергетически предпочти­

расположение

макрогетероциклов

опре­

делили для молекул только в конформации

Chld2.

Было рассмотрено несколько возможных конфи­

гураций тримерного комплекса

Chld2 ... Chld2 ...

больше, чем для любого другого положения. На

рис.

8

показаны конфигурации координационных

комплексов

Chldl ... Н 2 0

и

Chldl ...

Н 202 .

Исходя из полученных расчетных конфигура­
ций комплексов

Chldl ... Н2 0

и

Chldl .. .Н2 0ъ

ма­

показан тример, имеющий наи­

лые молекулы связаны не с хлориновым макроге­

большую энергию связи. Энергия связи молекул в

тероциклом, а внутрисферно координированы ио­

·пом ассоциате равна

ном магния при участии неподеленных электронных

Chld2.

На рис.

40 %

7

что, по крайней мере,
больше,

чем

68,16 ккал/моль (2,957 эВ),
на 3,3 ккал/моль (0,143 эВ)

у всех остальных рассмотренных

пар атома(ов) кислорода. Этот вывод подтвержда­
ется методом электронной спектроскопии. После­

довательное добавление Н 20 2 к раствору

комбинаций трех молекул хлорофиллида.

Chl

при­

водит к изменению электронного спектра (рис.

9).

При этом изменяется лишь экстинкция полос, тогда

4.

Координационные

как их положение по энергетической шкале остает­

свойства молекулярных

ся неизменным. Это говорит о том, что координи­

и ассоциированных

рование Н2О2 происходит без участия фрагментов

хлорофилла и хлорофиллида

при взаимодействии с Н20 2

хлоринового макрогетероцикла и не меняет строе­

ние граничных орбиталей взмо и немо.
Кроме этого, вблизи иона магния для моле­

одной

кулы Н 2 0 2 существуют несколько локальных ми­

молекулы хлорофиллида с молекулой воды и с

нимумов. По данным квантовохимических расче­

молекулой

тов они отличаются по энергии связи не более

Рассмотрим

сначала взаимодействие

пероксида.

Существует

множество

возможностей разместить молекулу Н 2 0 или Н 2 0 2

чем на

в окрестности хлорофиллида. Расчеты показали,

дены максимальные значения энергии связи, по­

•по наиболее по энергии связи положение моле-

лученные в расчете.

2,5

ккал/моль

(0,108

эВ). В табл.

1

приве­


326

Глава

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

а)

а)

6)

Рис.

8. Структура комплексов: (а)- Chld1 ... Н 2 0;
(б)- Chld1 ". Н20 2

D 0,4

б)
х2

о.з

0,2

0,1

о.о

'----''--_...._,_........_

__.__-1..._

500

400

_..__..L-_.-_.1..-___.

600

700

800

Д..Ш4
Рис.

9.

Изменение электронных спектров
при добавлении Н2О2 от
сивность

показанных

Chl в этаноле (50 %)
10-7 до 10-3 моль/л (интен­

полос

в

спектре

умножена

вдвое для наглядности)

Рис.

Таблица

10. Структура комплексов: (а)- Chl."H 20;
(6)-Chl." Н2О2

1
Таблица

Энергии связи комплексов хлорофиллида с молекулой
воды и пероксида водорода

Энергии связи комплексов хлорофилла с молекулой

Ккал/моль

эВ

Chldl ... H20

21,28

0,923

Chldl ... H20 2

19,62

0,851

Chld2."H20

19,10

0,829

Chld2 .. .Н2О2

16,77

0,728

Комплекс

воды и пероксида водорода

Комплекс

Ккал/моль

эВ

Chl ... H 20

19,42

0,843

Chl .. .Н2 0 2

17,19

0,746

как и для
Как видно из данных табл.

формаций

Chldl

и

Chld2

1,

для обеих кон­

наибольшую энергию

связи молекула хлорофиллида имеет с водой.
Рассмотрим теперь взаимодействие хлоро­

филла с молекулами Н 2 0 или Н 2 0 2 . Для

2

Chl так же,

ки

Chld,

зрения

наиболее привлекательным с точ­

энергии

связи

атома магния. На рис.

Chl .. .Н2О
молекул

и

Chl ... Н202.

воды

и

1О

окрестность

показаны комплексы

Значения энергии связи

пероксида

комплексом даны в табл.

является

2.

водорода

с

металло­


А. В. Лобанов и др. Молекулярные и ассоциированные хлорофилл и хлорофиллид

Как видно из табл.

энергия связи хлоро­

2,

а)

филла с водой больше, чем с пероксидом, при­
мерно на

2,2

ккал/моль

327

(0,095

эВ). Этот результат

вполне согласуется с результатами по хлорофил­
лиду (табл.

1),

где комплекс с водой также имеет

наибольшую энергию связи.
Для того, чтобы учесть влияние коллективно­

го взаимодействия нескольких молекул хлорофил­
лида при взаимодействии с водой либо с перокси­
дом водорода, были рассмотрены димеры

Chld,
HzO.

взаимодействующие с молекулой Н2 0 2 или
Как видно из рис.

11,

молекулы пероксида водоро­

да могут находиться как по периферии димера

(в данном случае

по типу

Chldl)

Chld ... Chld ...

Н 2 0 2 (с внешней стороны одного из макроколец,
как показано на рис.

l la),

так и между двумя мо­

лекул внутри димера хлорофиллида (структура ти­

па

Chld .. .Н20 2 ... Chld,

изображенная на рис.

116).

Аналогичным образом может быть координирова­
Рис.

на и молекула воды димерами хлорофиллида.
В табл.

11.

молекулы Н 2 0 2 , координированной с димером хло­

приведены рассчитанные энергии

3

рофиллида: (а)-

связи комплексов из двух молекул хлорофиллидов,

Н 2 0 и Н2О2. Как видно из данных табл.
ла

H 20z,

3,

внутри

димера,

имеет

заметно

молекула Н 2 0. Это справедливо как для димеров

формации

Chld2.

Chldl,

так и в кон­

При размещении же с внешней

стороны димера результаты расчета энергии, по­

лученные для

Chldl

и

Chld2,

различны. Видно,

что комплекс, состоящий из молекул в конфор­
мации

Chld2,

(0,004

эВ), но большую энергию связи с перокси­

имеет ненамного, на ~О,1 ккал/моль

Chldl

Chld1

и

Chld2

с молекулой воды и пероксида водорода.

Комплекс

Chldl ... Chldl ... Н2О
Chldl ... Chldl ... Н 2 0 2
Chldl ... Н2 0 ... Chldl
Chldl ... Н2 0 2 ... Chldl
Chld2 ... Chld2 ... Н2 0
Chld2 ... Chld2 ... Н2О2
Chld2 ... Н2 0 ... Chld2
Chld2 ... Н2 0 2 ... Chld2

Ккал/моль

эВ

17,36
16,25
13,58
16,40
12,67
12,77
9,230
11,83

0,753
0,705
0,589
0,712
0,550
0,554
0,400
0,513
Таблица

ситуация обратная.

Мы также провели квантовохимические рас­
четы гримерных комплексов хлорофиллида с пе­

формации

Chld2.

Как показано на рис.

12,

моле­

кулы воды либо пероксида водорода по аналогии

со случаем димеров могут быть координирова­

4

Энергии связи молекул воды и пероксида водорода

стримерными комплексами хлорофиллида
Комплекс

роксидом водорода и водой. Расчеты проводили

только для молекул в наиболее стабильной кон­

Chld1 ...

Энергии связи димеров хлорофиллида в конформациях

дом водорода, чем с водой. В то время как для

конформации

(б)-

Таблица З

большую энергию связи, чем помещенная туда

хлорофиллида в конформации

Chld1 ... Chld1 ... Н2О2;

H202 ... Chld1

молеку­

размещенная между макрогетероциклами

хлорофиллидов

Два типа расположения молекулы расположения

Chld ... Chld ... Chld ... Н2О
Chld ... Chld ... Chld ... Н2 0 2
Chld ... Chld .. .Н 2 0 ... Chld
Chld ... Chld .. .Н2 0 2 ... Chld

Ккал/моль

эВ

9,374
10,16
10,36
12,40

0,407
0,441
0,450
0,538

ны как с внешней стороны гримеров (структура

В табл.

типа

да водорода в комплексах, состоящих из трех моле­

Chld ... Chld ... Chld ... Н2 02

в случае перокси­

;щ водорода), так и располагаться между молекула­
ми хлорофиллида (структура типа

Chld ... Chld ...

4

приведены энергии связи воды и перокси­

кул хлорофиллида и молекулы Н2О и Н2О2.
Из результатов, представленных в табл.

4,

Н 2 02 ... Chld), как это было сделано в наших рас-

видно, что наибольшую энергию связи с ком­

11стах на примере молекулы пероксида водорода.

плексом, содержащим три молекулы

Chld,

имеет


328

Глава

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем
Таблица5
Энергия связи дЕ молекул воды и пероксида водорода
с димером хлорофиллида

а)

Конфигурация

Комплекс

Ккал/моль

эВ

1а

2 Chldl ... H20

11,97

0,519

16

2 Chldl ... Н202

11,63

0,505

комплекса

6)

2а

2 Chldl ... H 20

12,53

0,544

26

2 Chldl ... Н2О2

11,40

0,495

За

36

2 Chldl ... Н2О
2 Chldl ... Н2О2

10,01
10,31

0,434
0,447

4а

2 Chldl ... H 20

13,58

0,589

46

2 Chldl ... Н 2 0 2

16,40

0,712

5а

2 Chldl ... H 20

17,36

0,753

56

2 Chldl ... Н2О2

16,25

0,705

ба

2сь1d2 ... нл

9,230

0,400

66

2 Chld2 ... H20 2

11,83

0,513

7а

2 Chld2 ... H20

12,67

0,550

76

2 Chld2 ... Н2О2

12,77

0,554

8а

2 Chld2 .. .Н 2 0

12,93

0,561

86

2 Chld2 ... H202

15,15

0,657

9а

2 Chld2 ... H 20

22,14

0,961

96

2 Chld2 .. .Н2О2

25,97

1,127

10а

2 Chld2 ... H 20

5,970

0,259

106

2 Chld2 ... H202

6,620

0,287

хлорофиллида, как и выше, были взяты в конфор­

мациях

Chldl

и

Chld2

(рис.

2).

В табл.

показаны

5

значения энергии связи найденных конфигураций

комплексов. Далее на рис.
лекулы

Рис.

12.

Варианты структуры комплексов молекулы Н 2 0 2
стримером хлорофиллида: (а)-

Н2О2;

(6) -

Chld ... Chld ... Chld ...
Chld".Chld".H20 2".Chld; молекула пе­

роксида выделена окружностью

макрогетероциклами. Следует отметить, что при
координировании

внешней

частью

воды

и

пероксида

водорода

тримера превышение энергии

связи Н2О2 над энергией связи Н 2 0 немного воз­
росло по сравнению со связыванием с димерными

комплексами

(0,035

Chld

и составило

эВ) против ~О,1 ккал/моль

--0,79 ккал/моль
(0,0043 эВ).

На следующем этапе расчетов было прове­

или

пероксида

на примере мо­

водорода

показаны

некоторые из рассмотренных конфигураций (ма­
лые молекулы выделены окружностями).
Из значений энергии связи, приведенных в

табл.

молекула пероксида водорода, внедренная между

воды

13-19

11

видно, что максимальная энергия связи, с

которой пероксид водорода связан с димером

Chld,

составляет

25,97 ккал/моль

рацией

(молекулы хлорофиллида, образующие

96

в комплексе с конфигу­

димер, в этом комплексе находятся в конформации

Chld2).

Это значение примерно на

3,8

ккал/моль

превосходит максимальную энергию связи воды,

22, 14 ккал/моль,

имеющую место в аналогичном

по конфигурации комплексе 9а. Кроме этого, из

табл.

11

видно, что в случае конформации хлоро­

дено дополнительное варьирование конфигура­

филлида

ции комплексов, образованных из двух молекул

фигураций комплекса с малыми молекулами пе­

хлорофиллида и молекул Н2О и Н 2 0 2 , с целью

роксид водорода всегда имеет большую энергию

Chld2

в каждой из рассмотренных кон­

найти структуру комплекса с возможно большей

связи, чем вода. В то время как для конформации

энергией связи молекулы Н 2 0 2 (Н 2 0). Молекулы

хлорофиллида

Chldl

это не всегда так.


А. В. Лобанов и др. Молекулярные и ассоциированные хлорофилл и хлорофиллид

Рис.

Рис.

.,1··

~

~·

13.

14.

"

Конфиrурация 1а комплекса

Конфиrурация 2а комплекса

329

2 Chld1 ... Н2О

Рис.

17.

Конфиrурация

56 комплекса 2 Chld1 ... Н2О

Рис.

18.

Конфиrурация ба комплекса

Рис.

19. Конфигурация ?а комплекса 2 Chld2."H202

2 Chld1 ... НД

...

~.~~·

2 Chld2."H202

.~J
Рис.

Рис.

15.

Конфиrурация За комплекса

2 Chld1 ".Н 2 0

16. Конфиrурация 4а комплекса 2 Chld1 ."Н2О


330

Глава

5.

111. Теоретические

и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

Фотокаталитическое

литическая активность с увеличением содержания

разложение Н2О2

пигмента. Концентрационные зависимости фото­

в присутствии молекулярного
и ассоциированного

ные ассоциаты

хлорофилла

ванные

Ранее мы показали, что хлорофилл проявляет
фотокаталитическую и фотосенсибилизирующую
активность в процессах образования и распада пе­

роксида водорода (Лобанов и др.,

2008).

Нами рас­

смотрены кинетические особенности разложения
пероксида водорода при облучении видимым све­

том водных суспензий

H 20z/Chl.

Облучение прово­

дили светом галогенной лампы в комплекте с лин­
зами, конденсором и светофильтром КС-13, отсе­

кающим излучение с Л.

активности пигментов имеют экстремальный ха­
рактер, и, по-видимому, сложные многомолекуляр­

< 630 нм,

в кварцевых кю­

ветах толщиной

1 см. Мощность светового потока
2
составляла 80 мВт/см . Распад Н2 02 можно было
описать моноэкспоненциальной кинетической за­
висимостью. Фотокаталитическая активность рас­

творенного и адсорбированного

Chl

увеличивалась

Chl,

монослои

а также полностью сформиро­
малоактивны

фотохимически,

тогда как активность небольших их ассоциатов

(димеров и мультимеров) выше по сравнению с
изолированными молекулами (рис.

21 ).

Наблюдаемый эффект обусловлен тремя при­
чинами. Во-первых, как бьшо показано выше, в ас­

социатах

Chl

облегчается координация молекул пе­

роксида водорода. Во-вторых, известно, что при
димеризации

Chl наблюдается отрицательный

редокс-потенциала

в

(Kuroiwa et а!., 2009),

возбужденном

сдвиг

состоянии

и следовательно, повышается

изменение теплоты реакции переноса электрона с

Chl на Н202.

В-третьих, в составе ассоциата образую­

щийся в ходе отрыва электрона катион-радикал хло­

рофилла, по всей видимости, стабилизирован взаи­
модействием с соседними молекулами пигмента.

с ростом его содержания (концентрации), в том
числе

и

в

интервалах

существования

ассоциатов

Chl. Так, в двухфазных растворах ССLJвода с кон­
центрацией Chl 30 мкМ, когда 60 % молекул ассо­
циировано в димеры,

можно

наблюдать макси­

мальную скорость распада Н 2 0 2 (рис.

20).

6.

Фотосенсибилизированное
и фотокаталитическое

образование Н2О2

В ад­

сорбционных системах, для которых даже при со­

При аналогичных условиях облучения было

адсорбируется в

рассмотрено образование Н 2 0 2 в растворах и сус­

виде «островков», также увеличивается фотоката-

пензиях. Ранее было показано, что генерация Н 2 0 2

держании меньше монослоя

Рис.

Chl

20. Фотокаталитическое разложение Н2О2 в зависимости от величины адсорбции хлорофилла на силикагеле в вод­
ной суспензии ([Н2О2]0 = О, 1 моль/л); kЭФ - эффективная константа скорости


А. В. Лобанов и др. Молекулярные и ассоциированные хлорофилл и хлорофиллид

ro(Chl ... Chl)

--------·

=

2,0

1,5

1

331

---

60%

~
_,~1--

1,0

0,5
0,0

-0,5

-1,0

0,5

1,0

1,5

-lg[Chl]
Рис. 21. Константа скорости фотокаталитического разложения Н20 2 (10 с· ) в двухфазной системе вода/СС/4 в зависимо­
5

сти от концентрации хлорофилла ([Н20 2 ] 0

1

=0,08 моль/л)

о·2

рН

~

>7

+ ·он ___. Н20 2 , k = б . 109 м-1с-1,
+ н+---> НО2·, k= 5. 1010 м·lс-1,
НО2· + 02,,_ (+Н+) __. Н 2 0 2 + 0 2, k= 9 · 107 М· 1 с- 1 ,
НО2· + НО2·--+ Н 2 02 + 0 2, k= 2 · 106 М· 1 с- 1 •

·он

О2--

Рис.

рН<7

22. Схема фотосенсибилизированного образования зависимости от рН при участии молекулярного Chl

осуществляется

вычислены параметры образования Н 2 0 2 , такие

через промежуточное образование синглетного ки­

как квантовый выход (Ф) и эффективная константа

слорода, вторичные реакции которого приводят к

скорости (табл.

при участии молекулярного

синтезу Н 2 02 (рис.

22)

Chl

(Лобанов и др.,

2008).

Синг­

6).

В случаях, когда в реакционной системе

Chl

летный кислород образуется по механизму перено­

находился в ассоциированном состоянии, проис­

са энергии с триплетного возбужденного состояния

ходит триплет-триплетная аннигиляция, и 0 2 прак­

хлорофилла

тически не образуется:

(Егоров

и др"

1988;

Егоров

и др.,

1990), рис. 22.
Нами определены параметры генерации синг­

1

3

3

1

1

Chl* + Chl*---+ Chl* + Chlo.

летного кислорода по специфичной реакции окис­

Тем не менее, образующееся при этом синг­

ления антрацена до эндопероксида (Ан0 2 ), а также

летное возбужденное состояние хлорофилла спо-


332

Глава

111. Теоретические и экспериментальные исследования

предбиологических химических систем

Таблица

6

Квантовые выходы и константы скорости образования Ан0 2 и Н 2 0 2 , фотосенсибилизированного Chl
~

Растворитель

Ф(1О2)

Ф(АнО2)

kЭФ(АнО2), л/моль с

0,57*

0,012

68

СС1JН 2 0

-0,57**

0,012

66

СНС!з

-0,06**

0,0021

(подложка)

CCLi

Ф(Н2О2)

kэф(Н2О2), л/моль с

-

-

0,00011

12

12

-

-

Н2О/Сг

-

-

-

0,00017

-

ТЭА/Н 2 0/Сг

-

-

-

0,00026

-

Морф/НzО/Сг

-

-

-

0,00031

-

Гис/Н 2 0/Сг

-

-

-

0,00043

-

ТХ-IОО/Н2О

-0,06**

0,0021

10

0,00002

4,1

TX-lOOID20

0,35*

0,0072

36

0,00007

8,1

*(Егоров и др.,

1990)

**Приблизительные значения Ф( 1 02 ) оценены на основании известных данных о времени жизни 10 2 в различных
растворителях или значений Ф(10 2), известных для родственных соединений в аналогичных условиях (Егоров и др.,

1988; Егоров и

др.,

1990).
собно участвовать в процессах переноса электро­
на на молекулярный кислород (перенос энергии в

1,7

•

этом случае запрещен по спину). Поэтому образо­

1

вание Н 2 0 2 для этих систем наблюдается, однако
механизм этого процесса иной.

1,6

1,5

1,4

потенциала в фотоактивной

системе хлорофилл-Н2О2

•

о

Представляло интерес рассмотреть процессы

•

S) 1,3
~

Запасание химического

7.

•

переноса электрона с молекулы фотовозбужден­
ного

Chl

на различные акцепторы, такие как наф­

тохинон, фосфат-анион, нитрат-анион и НАДФ

1,2

(рис.

•

23).

Восстановленные формы акцепторов

были идентифицированы спектрально, методами
ЭПР при

1,1

77 К

и методами химического анализа.

Образование катион-радикала хлорофилла бьшо
о

1,0

•

доказано методом ЭПР при

77

К и спектрально­

флуоресцентным анализом. Катион-радикал хло­

о

о о

о
О,

2

рофилла стабилизируется в кислотных средах. На
рис.

9 1----'-----'---L----'-----'-----'----'----'
о
10
20
30
40
50
60
70
80
t,min

23

показана кинетическая зависимость нако­

пления восстановленной формы НАДФ-Н. Таким
образом,

была

напрямую

продемонстрирована

возможность запасания химического потенциала в

Рис.

23.

Накопление восстановленной формы НАДФ-Н при
облучении растворов Н2О2/хлорофилл/НАДФ
хлорофилл/НАДФ

(2)

в смеси этанол-вода

( 1)
1:1

и

тройных системах хлорофилл/акцептор электро­
на. В отсутствие Н 2 0 2 перенос электрона зареги­

стрирован не был.


А. В. Лобанов и др. Молекулярные и ассоциированные хлорофилл и хлорофиллид

Совокупность полученных данных позволяет
подтвердить предложенную ранее схему химиче­

ских и фотохимических стадий энергозапасаю­

щих реакций в системах пероксид водорода

/ пиг­

мент в рамках проблемы возникновения жизни и
фотосинтеза и ранней эволюции этих глобальных

процессов (Лобанов и др.,

333

Лобанов А. В., Рубцова Н. А., Веденеева Ю. А" Комис­
саров Г Г

(2008)

Фотокаталитическая активность

хлорофилла в образовании пероксида водорода в

воде// ДАН. Т.

421.

№

6.

С.

773-776.

Лобанов А. В" Сафина Ю. А" Неврова О. В" Комисса­
ров Г Г

(2008)

Взаимопревращение

02и

Н20 2 при

облучении насыщенных воздухом суспензий хло­

Разработанные

рофилл/силикагель/вода// Проблемы зарождения и

объекты можно рассматривать в качестве прото­

эволюции биосферы/ Ред. Э. М. Галимов. М.: Книж­

типа искусственных фотосинтезирующих систем.

ный дом «Либроком»!URSS.

2004).

552

с.

Лобанов А. В" Холуйская С. Н., Комиссаров Г Г

(2004)

Фотокаталитический синтез формальдегида из С0 2
и Н 2 0 2 //Хим. физика. Т.

Литература
Аскаров К. А.,

( 1987)

Березин Б. Д.,

Быстрицкая Е. В.

и др.

Порфирины: спектроскопия, электрохимия,

применение/ Ред. Н. С. Ениколопян. М.: Наука.
Галимов Э. М

(1988) Проблемы
2. С. 258-279.

384 с.
углерода //

геохимии

Геохимия. №

Егоров С. Ю., Быстрова МИ, Красновский А. А. и др.

(1988)

Фотогенерация синглетного молекулярного

кислорода пигментами

рофилла

-

предшественниками

Докл. АН СССР. Т.

//

299.

№

5.

С.

хло­

1266--

1270.
Егоров С. Ю" Красновский А. А.-мл., Вычегжанина И В.

и др.
и

(1990)

тушение

Фотосенсибилизированное образование
синглетного

молекулярного

кислорода

мономерными и агрегированными молекулами пиг­

ментов фотосинтезирующих бактерий
СССР. Т.

310.

Комиссаров Г Г
за

//

2. С. 471-475.
(1973) О моделировании

//

Докл. АН

№

фотосинте­

Проблемы возникновения и сущности жизни.

М.: Наука.

272

с.

Комиссаров Г Г

(2003) Фотосинтез: физико-химиче­
ский подход. М.: URSS. 224 с.
Конев С. В. Волотовский И Д. (1971) Введение в моле­
кулярную фотобиологию. Минск: Наука и техника.

232

с.

23. № 5. С. 44-47.
(2000) Биофизика. М.: Книжный дом «Уни­
верситеп>. 467 с.
Frisch М J., Trucks G. W, Schlegel Н. В" Scuseria G. Е"
Robb МА" Cheeseтan J. R" Zakrzewski V. G., Montgoтery J. А., Stratтann R. Е., Bиrant J С., Dapprich S.,
Millaт J. М, Daniels А. D" Kиdin К. N., Strain М С.,
Farkas О" Toтasi J., Barone V., Cossi М, Саттi R"
Мепписсi В" Poтelli С., Аdато С., Clif.ford S" Ochterski J" Petersson G. А" Ayala Р У., Сиi Q., Моrоkи­
та К., Malick D. К., Rabиck А. D., Raghavachari К.,
Foresman J. В., Cioslowski J., Ortiz J. V., Baboul А. G"
Stefanov В. В., Liи G., Liashenko А., Piskorz Р, Кота­
rотi !" Gomperts R" Martin R. L" Fox D. J, Keith Т,
Al-Lahaт МА" Peng С. У., Nanayakkara А" Challacoтbe М,
Gill Р М W, Johnson В" Chen W,
Wong М W, Andres J. L" Gonzalez С., Head-Gordon М, Replogle Е. S., PopleJ А. (2003) Gaussian 03
(Revision А. 1). Pittsburgh, РА: Gaussian Inc.
Kиroiwa У., Kato У., Watanabe Т (2009) Negative shift of
chlorophyll а oxidation potential Ьу aggregation in acetonitrile/ionic liquid mixed solvents // Joumal of Photochemistry and PhotoЬiology А: Chemistry. V. 202.
№ 2-3. Р. 191-195.
Zevenhuijzen D" Zandstra Р. J. (1984) Absorption and magnetic circular dichroism of chlorophyll а and Ь dimmers // Biophysical Chemistry. V. 19. № 2. Р. 121-129.

Рубин А. Б.


ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ,
СОДЕРЖАЩИХ ХЛОРОФИЛЛ И ЕГО СИНТЕТИЧЕСКИЕ АНАЛОГИ В ВИДЕ ТОНКИХ СЛОЕВ

НА ПОВЕРХНОСТИ ИНЕРТНЫХ И МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫХ НОСИТЕЛЕЙ

В. А. Илатовский, Г В. Синька, Г А. Птицын, Г Г Комиссаров
Институт химической физики и.м. Н. Н. Семенова РАН.

ival 947@yandex.rи

Основная задача предлагаемого исследования

-

определение минимального набора элементов фотоэлек­

трохимической системы, способной конвертировать энергию квантов видимой части солнечного излучения в
энергию химических связей, то есть выполнять функиии «первичного преобразователя». Проведено математи­
ческое моделирование пигментных систем с различным распределением электронной плотности в молекулах и

показаны последствия

намеренной или спонтанной модификации их структур. На примере

24

тетрапирроль­

ных соединений проведен сравнительный анализ свойств дисперсных фотоэлектрохимических систем. Пока­

зано, что в процессе адсорбции пигментов на инертные и металлизированные подложки с размерностью мик­
ронного уровня образуются упорядоченные поликристаллические пленки, способные эффективно проводить

фотокаталитическое восстановление ряда биологически активных соединений и функционально моделировать
процессы первичного синтеза. Так, в реакции фотоэлектрохимического восстановления гептилвиологена, вы­
деляющего в присутствии катализатора
мальный квантовый выход

2

атома водорода на

1

восстановленную молекулу, достигнут макси­

37,3 %.

Введение

Постепенно упрощая сложную систему фото­
синтетического

В процессе функционального моделирования

первичных стадий фотосинтеза (Комиссаров,

1980)

аппарата

растений,

отбрасывая

элементы, необходимые для жизнедеятельности
целостного

одной из основных задач является определение

зом,

организма,

все,

воспроизводством,

что

связано

обеспечением

с

синте­

высокой

минимального набора элементов системы, спо­

эффективности, мы опускаемся до уровня собст­

собной конвертировать энергию квантов видимой

венно пигментной системы, где и происходит са­

части

мый важный процесс

солнечного

излучения

в

энергию

химиче­

-

поглощение кванта света

ских связей. При этом немаловажную роль играет

и возникновение возбужденного состояния (экси­

и структурная

тона) молекулы пигмента. В данном случае пиг­

организация подобной

поскольку, определив

ного

прототипа

системы,

состав и строение возмож­

«первичного

преобразователя»,

мент

-

хлорофилл. Как пойдет процесс дальше

-

зависит от того, сколько молекул участвует в этом

шачительно проще найти пути его совершенство­

первичном акте и как они организованы.

вания и повышения эффективности работы. С на­

жившаяся в результате эволюции структура дос­

шей точки зрения подобный подход интересен не

таточно сложна (рис.

только для современной солнечной энергетики, но

предельно упростить, выделив наиболее важный

1),

Сло­

но можно попытаться ее

и для решения проблем возникновения и эволю-

фактор, определяющий сохранение работоспособ­

1щи жизни на Земле. В любой спекулятивной схе­

ности системы как преобразователя энергии. Ос­

ме спонтанного синтеза биологически значимых,

новной фермент, обеспечивающий усвоение угле­

а тем более, биологически активных соединений,

кислого газа,

невозможно

оксигеназа (сокращенно РБФ

обойти

процессы

энергообмена,

а

единственным постоянно доступным источником

111ергии бьmо и остается Солнце.

-

рибузолобифосфаткарбоксилаза­

-

карбоксилазаокси­

геназа) также расположен в строме. Зеленый пиг­

мент хлорофилл в виде комплекса с белками (пиг-


336

Глава

111. Теоретические

и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

мент-белковые комплексы) сосредоточен главным

Структура хлоропласта растений

образом в тилакоидах гран и частично в тилакои­
Внешняя

дах стромы. В мембранах тилакоидов гран лока­

мембрана

rrизован фермент, катализирующий синтез АТФ

(АТФ-синтаза).

Внутренняя

Этот фермент связан с белком,

мембрана

расположенным в самой мембране (Физиология

растений,

1.

2010-2011).

Моделирование структуры

Строма

и функций хлоропласта
Эксперименты показывают, что уже на самых

ранних стадиях синтеза хлорофилла в растениях
молекулы образуют плотно упакованные агрегаты,
обеспечивающие надежное межмолекулярное взаи­

модействие (Комиссаров,

1974; Harriman, 1983).

2003;

Столовицкий и др.,

Рис.

1.

Структура хлоропластов растительной клетки

(Shan-

non Hughes Organelles Project).

Учет этого обстоятельства

определил успешность дальнейших попыток соз­
дания простой модельной системы

-

пленка аг­

ределяется распределением электронной плотно­
сти в молекулах и их энергетическими состояниями,

регированных в результате адсорбции на поверх­

наиболее

наглядно

потенциальные

возможности

ности платины молекул хлорофилла дала значи­

пигментов

тельный фотопотенциал при погружении в элек­

модели, показывающие последствия модификации

тролит и освещении видимым светом. Вторым

структуры основных элементов молекул.

демонстрируют

квантовохимические

электродом при этом может быть любой доста­

В процессе математического моделирования

точно инертный металл (платина, золото, сереб­

подобных модификаций рассчитан спектр одночас­

ро). Это означает, что в ансамбле молекул идет не

тичных состояний и пространственное распреде­

только процесс поглощения света с образованием

ление

экситонов, но и перенос этих экситонов в объеме

состоянии (НОМО) и самом нижнем свободном

пленки,

сопровождающийся

образованием

сво­

электрона

в

самом

верхнем

заполненном

состоянии (LUМO) для основного состояния сле­

бодных носителей тока. Наличие фотопотенциала

дующих молекул: хлорофилла а (рис.

запускает

лида а, в котором отсутствует фитольный замес­

восстановительные

процессы

на

кон­

такте пленки с электролитом и перенос электрона

с запасанием химической энергии. Однако и эта
система

еще

достаточно

сложна для

первичного

источника энергии. Результаты исследования фо­

2),

хлорофил­

титель (рис.

3), Мg-тетрабензопорфирина (рис. 4) и
Мg-фталоцианина (рис. 5). Расчеты проводились с
обменно-корреляционным функционалом РВЕ 1РВЕ
(Ernzerhof et al" 1997; Ernzerhof et al., 1999).

тоэлектрохимической активности пленок тетра­
пиррольных соединений, к которым относится и

хлорофилл,

показывают,

что

выбранный

(или,

точнее, созданный природой в процессе эволю­

ции) пигмент далеко не самый лучший по энерге­
тическим параметрам (Столовицкий и др.,

Harriman, 1983; The porphyrins, 1978).

1974;

К тому же

хлорофилл легко разрушается при высокой осве­
щенности, недостаточно химически устойчив и
очень сложно синтезируется. Вероятно, прототип

был значительно проще и эффективней хотя бы в
отношении

синтеза.

Поскольку

взаимодействие

пигмента с квантами света в конечном счете оп-

Рис.

2.

Молекула хлорофилла а. Вид с оси, проходящей
через центр атома магния
кости макрокольца

перпендикулярно

плос­


В. А. Илатовский и др. Фотоэлектрохимические свойства дисперсных систем, содержащих хлорофилл

337

Значения ряда верхних одноэлектронных энер­
гий в основном состоянии вышеперечисленных

молекул, а также молекулы хлорофилла Ь показа­
ны на рис.

Энергия последнего заполненного

6.

одноэлектронного состояния отмечена более длин­
ной черточкой.
Пространственное распределение электрона

в состояниях НОМО и
рис.

LUMO

иллюстрируется

На этих рисунках изображены поверх-

7-10.

ности уровня функций l'PCY)l

2
,

то есть поверхно-

сти, удовлетворяющие условию l'P(r)l
Здесь Ч' (У)

2

=

Рис.

3.

Молекула хлорофиллида а, в котором отсутствует
фитольный заместитель.
через

const.

центр атома

магния

Вид с оси,

проходящей

перпендикулярно

плос­

кости макрокольца

одночастичные волновые функции

-

электрона в состояниях НОМО и
ствующих молекул, значения

LUMO соответ­
const одинаковы для

всех молекул.

Анализ рис.

6-1 О

показывает, что у молекулы

хлорофилла а, у молекулы хлорофиллида а, у мо­
лекулы Мg-тетрабензопорфирина и у молекулы

Мg-фталоцианина картины спектра в его верхней
части очень похожи. У этих молекул также очень

похожи пространственные распределения наиболее
слабо связанного электрона в состояниях НОМО

и

Это позволяет предположить, что и фо­

LUMO.

Рис.

4.

1985;

Теренuн,

видимому,

1967; Илатовский

Вид

с

оси,

лярно плоскости макрокольца

близки. Эксперимент подтверждает это предпо­

1977;

Мg-тетрабензопорфирина.

проходящей через центр атома магния перпендику­

топреобразующие свойства у этих молекул будут

ложение (Ханова, Тарасевич,

Молекула

Рудаков и др.,

и др.,

1993).

По­

фитольный заместитель у молекулы

хлорофилла не участвует в преобразовании сол­
нечной энергии, а выполняет какие-то иные функ­
ции в клетке. Это обстоятельство дает основания

искать эффективные преобразователи солнечной
энергии

среди

органических

полупроводников,

состоящих из относительно простых молекул ме­

таллопорфиринов.

Многочисленные исследования фотоэлектро­
химических

свойств

тетрапиррольных

соедине­

ний позволили получить ряды активности этих

Рис.

5.

Молекула Мg-фталоцианина. Вид с оси, проходя­
щей

через центр атома магния

перпендикулярно

плоскости макрокольца

пигментов в зависимости от структуры макроколь­
ца, природы центрального атома, вида заместите­

Следующий шаг к упрощению системы

-

ми­

лей на периферии молекул, группы симметрии и

нимизация

других параметров (Ханова, Тарасевич,

Руда­

при получении фотоактивных агломератов пиг­

Илатовский и др.,

ментов на поверхности подложек. Исследования

ков и др.,

19936).

Теренин,

1985;

Результаты

предположение

-

1967;

подтверждают

1977;

сложных

технологических

операций

высказанное

электродных пигментированных систем позволи­

функции хлорофилла могли бы

ли установить, что наилучшая форма организации

выполнять тысячи других пигментов, причем бо­

пигментных слоев

лее эффективно.

не более

50 нм,

-

тонкие пленки толщиной

имеющие кластерную структуру,


338

Глава

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем
0,0

-т---.------------г-----,г----.------,

-1,0 ······· .......................

-2,0

-3,0

>
~
>.
~
~

-4,0

·····················································

ш

-5,0

-6,0 .."..................................................

-7,0

········

Clph-a-cut

Clph-a
Рис.

6.

ThBP-Mg

Clph-b

Phc-Mg

Спектр одноэлектронных энергий в основном состоянии молекул хлорофилла а, хлорофилла Ь и хлорофилло­

подобных металлопорфиринов (спин основного состояния

S

равен О)

в которой каждый кластер имеет монокристалли­

сятки и даже сотни раз большую границу раздела

ческое строение (молекулярный кристалл) и ли­

пигмент-электролит, что обеспечивает более эф­

нейные размеры порядка
Илатовский

и др.,

10 нм (Scholz et al" 2007;

1993а).

фективный перенос электронов. Технологически

системы

гораздо проще изготовить пигментированные по­

можно получить на поверхности Шiатинового элек­

рошки, чем качественные электроды. Кроме того,

трода методами взрывной вакуумной сублимации

возможно постепенное обновление фотоактивной

или

насыщен­

суспензии в случае фотовьщветания или другого

газодинамическим

Подобные

осаждением

из

ных растворов пигментов. При столь малых разме­

вида деградации преобразующих элементов. Однако

рах фотоактивных кластеров можно попытаться

есть и ряд трудностей: необходимость перемеши­

получить

подложках

вания и удержания рабочей смеси во взвешенном

адекватного размера. Это уже не электродная, а

состоянии; сложность отделения продуктов реакции;

дисперсная система, которая вполне могла бы воз­

возникают проблемы и с освещением при высокой

никнуть спонтанно при наличии некоторого коли­

концентрации взвешенных частиц. Однако при про­

чества порфириноподобных соединений или толь­

мышленном применении преобразователей, рассчи­

ко исходных компонентов для их синтеза (пирролы,

танных на большие установочные мощности, дис­

соли металлов и т. д.). Адсорбция на поверхности

персные системы, имеющие высокий квантовый

песчинок или любых объектов микронного уровня

выход фотоэлектрохимических реакций, приводя­

может создать пигментную пленку. А будет ли она

щих к накоплению энергии в макроэргических свя­

работать?

зях,

аналогичную

структуру

на

Дисперсные системы априори имеют ряд пре­

-

пожалуй, единственный путь преобразова­

ния солнечной энергии. Возможно, что и в природ­

элек­

ном решении той же проблемы бьm выбран именно

тродными преобразователями солнечной энергии.

этот путь. Тем более, что торопиться некуда и про­

Прежде всего

блема высокой эффективности не самая главная.

имуществ по

сравнению с классическими

-

это возможность получить в де-


В. А. Илатовский и др. Фотоэлектрохимические свойства дисперсных систем, содержащих хлорофилл

Рис.

7.

Пространственное распределение электрона в од­
ночастичных состояниях для

Рис.

9.

основного состояния

молекулы хлорофилла а: (а)- НОМО;

Пространственное распределение электрона в од­
ночастичных состояниях для

основного

молекулы Мg-тетрабензопорфирина: (а)

(6)- LUMO

339

состояния

-

НОМО;

(6)-LUMO

Для того чтобы получить значимый результат
в сравнении классических и дисперсных систем, в

постановке эксперимента были применены стан­
дартизованные по размерам и близкие по удель­
ному

весу

дисперсные

носители

стеклянных сфер диаметром

в

виде

полых

микрон и по­

100

рошки окиси цинка со средним размером частиц

от

80

до

120

ангстрем. На поверхность стеклян­

ных сфер в некоторых экспериментах наносили
монослой платины, которая в случае осаждения
пигментов
через

из

поры

раствора частично

в

пленке

красителя

контактировала
с

электролитом.

Для пигментации подложек применяли

24

тетра­

пиррольных соединения (хлорофилл а, хлоро­
филлид а, металлокомплексы фталоцианина и
тетрафенилпорфирина). Пигменты наносили ис­
парением

из

растворов

путем

барботирования

смеси порошков носителей с насыщенными рас­
Рис.

8.

Пространственное распределение электрона в од­
ночастичных состояниях для

хлорофиллида а: (а)

-

основного состояния

НОМО; (б)

- LUMO

творами пигментов. Воспроизводимость результа­

тов на таких образцах недостаточно высока (разброс
параметров до

50 %),

но при больших экспери-


340

Глава

111. Теоретические и экспериментальные

исследования предбиологических химических систем

ментных систем в зависимости от вида носителя.

Определенно можно сделать вывод, что из иссле­

дованных наиболее эффективна система, содер­
жащая металлический подслой между инертным
носителем и красителем. В рамках программы не

было возможности исследовать подробно струк­
туры слоев,

но поскольку известно,

что

осажде­

ние пигментов из растворов приводит к образо­
ванию покрытий с высокой пористостью, можно

предположить образование, в нашем случае, струк­
туры типа «леопардовой шкуры», где в микро­
масштабе чередуются участки чистого металла и
органического полупроводника. Наличие значи­
тельной доли пигмента, организованного в виде
молекулярного кристалла,

подтверждает вид ди­

фракционной картины при облучении электрона­
ми с энергией
Важно,

100 кЭв
что

(рис.

11 ).

полученный

максимальный

квантовый выход превышает аналогичные зна­
чения параметра, полученные на тех же пигмен­

тах в классических электродных фотоэлектро­
химических системах. Характерно, что последо­
вательность расположения пигментов по фото­
Рис.

10.

Пространственное распределение электрона в од­
ночастичных состояниях для основного состояния

молекулы Мg-фталоцианина: (а)

-

НОМО; (б)

-

активности

также

полностью

сохранилась

при

переходе к дисперсным системам. Это означает,
что с высокой степенью вероятности при моде­

LUMO

лировании поведения подобных систем можно

ментальных выборках точность оценки результа­

полностью использовать ранее полученные дан­

тов статистической обработки вполне допустимая

ные квантово-химических расчетов и математи­

для поисковых работ (среднеквадратичное откло­

ческие модели. В частности, возможность по­

нение в пределах

лучения наноразмерных монокристаллических

10 %).

Изменение состояния системы фиксировали

пигментных кластеров с высокой фотоактивно­

по данным о рН электролита и изменениям спек­

стью и структурной устойчивостью вполне мо­

тров поглощения исходных компонентов электро­

жет быть реализована в дисперсных системах,

лита и продуктов реакций. В измерительную кю­

но для этого потребуется разработка совершенно

вету спектрометра

новой методики нанесения пигментов на дис­

(Shimadzu UV-250)

электролит

подавали путем прокачки через систему фильтров,

персные носители.

Что касается результатов для систем с полу­

отделяющих суспензию, с помощью перистальти­

ческого насоса. По изменению оптической плот­

проводниковым

окислов

тального материала, можно только отметить, что

монохроматическим светом (световая мощность

и в этом случае квантовый выход достаточно вы­

1О мВт/см (3,2·10
ты, длина волны
щенных

квантов

квант/сек) в плоскости кюве­
628 нм) по количеству погло­

света

и

выходу

продукта реак­

сок,

а

просто

получение

-

для

ограниченности

метал­

ности вычисляли количество полученных продук­

16

ввиду

типа

тов. Квантовый выход определяли при освещении
2

пока,

носителем

лов,

готового

эксперимен­

носителя

исследований

предельно

был использован

обычный промышленный реактив без какой либо

ции. Результаты измерений для каждого вида но­

дополнительной

сителя приведены в табл.

что в природе подобные носители в виде диспер­

1-3.

Как видно из приведенных данных, наблю­
даются существенные различия в поведении пиг-

обработки.

Следует

отметить,

гированных окислов тем более не являются де­

фицитным материалом.


В. А. Илатовский и др. Фотоэлектрохимические свойства дисперсных систем, содержащих хлорофшш

341

Таблица

1

Изменение фотоактивности суспензии пигментов, нанесенных на полые стеклянные сферы диаметром

100

№

Центральная

rpynna

микрон, при восстановлении биологически активных веществ

11ФМН

'1 МVн

'1 GV2+

'1

11НАД

11АДФ

1,6

1,5

1,6

1,6

1,6

1,8

Цитохром

Хлорофилл а

1

Mg

1,5

1,7

1,8

Хлорофиллид а

2

Mg

1,5

1,8

1,9

Фталоцианины

3

Со

0,2

0,3

0,8

0,7

0,3

0,2

4

Fe

0,4

0,6

1,5

0,7

0,5

0,6

5

Cu

0,8

1,4

1,7

1,4

0,9

1,3

6

Mg

1,7

2,0

2,1

1,9

1,4

1,9

7

Н2

3,8

4,2

7,3

3,5

3,4

4,0

8

vo

7,4

8,9

14,5

12,2

7,0

8,4

9

AlCl

8,2

9,7

15,8

13,0

9,0

9,9

10

Zn

10,6

13,3

17,1

14,8

12,2

13,0

11

InCl

12,1

15,1

20,5

16,3

14,2

14,2

12

GaCl

12,3

17,7

21,2

17,5

16,4

16,3

13

[4-Cl]4-InCl*

17,4

21,6

29,4

22,9

21,1

20,7

14

[4-ClkGaCl*

21,3

28,l

33,6

25,6

22,9

22,1

Тетрафенилпорфирины

15

Со

0,1

0,2

0,3

0,2

0,1

0,1

16

Fe

0,3

0,4

0,8

0,5

0,2

0,2

17

Cu

1,1

1,9

2,2

1,6

0,8

0,8

18

Mg

2,2

3,9

4,3

3,0

1,4

1,3

19

Н2

5,2

5,7

6,1

3,9

3,2

3,1

20

vo

9,3

11,0

12,8

10,4

8,9

7,7

21

AICI

16,4

18,2

19,3

14,8

13,7

13,6

22

Zn

20,2

21,6

22,4

15,9

15,5

15,4

23

InCl

24,7

26,5

27,3

17,6

17,3

17,0

24

GaCl

26,5

29,4

31,2

18,5

18,0

17,4

Электролит О, lM KCl + 10-3 М Ak, где акцепторы электронов Ak: ФМН - флавинмононуклеотид, MV 2+ в1юлоген, GV 2+ - гептилвиологен, НАД - никотинамиддинуклеотид, АДФ - аденозиндифосфат.
У/ квантовый выход продукта восстановления.

метил­

* Экстракоординированные фталоцианины с тетразамещением Cl в 4 положении бензольных колец макроцикла.


Глава

342

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

Таблица

2

Изменение фотоактивности суспензии пигментов (нанесенных на полые стеклянные сферы диаметром
1

100

микрон с монослоем платины на поверхности) при восстановлении биологически активных веществ

Центральная

No

группа

11ФМН

11

мv 2 +

1/ GV2+

1/

1/ НАД

11АДФ

2,3

2,1

2,0

2,5

2,3

2,9

Цитохром

Хлорофилл а

1

Mg

2,4

2,9

3,0

Хлорофиллид а

2

Mg

2,5

2,9

3,2

Фталоцианины

3

Со

0,4

0,4

1,5

1,3

0,9

0,8

4

Fe

0,9

1,5

2,6

1,8

1,5

1,4

5

Cu

2,5

2,4

3,5

2,5

2,0

2,0

6

Mg

3,1

3,4

3,7

2,7

2,9

2,8

7

Н2

5,5

5,6

8,7

5,7

4,5

5,0

8

vo

9,3

10,6

17,7

15,5

9,2

11,0

9

AlCl

10,4

11,9

18,7

16,3

11,5

12,1

10

Zn

13,3

17,2

20,3

17,1

16,0

15,9

11

InCl

16,7

19,1

24,5

20,0

18,1

18,0

12

GaCl

16,5

20,6

25,4

21,2

20,0

20,2

13

[4-Cl]4-InCl*

22,1

26,5

33,1

27,3

25,5

25,0

14

[4-Cl]4-GaCl*

26,2

33,1

37,3

31,5

29,2

28,1

Тетрафенилпорфирины

15

Со

0,6

0,4

0,6

0,6

0,3

0,3

16

Fe

0,9

1,5

1,9

1,5

0,5

0,5

17

Cu

2,3

3,0

3,7

2,8

1,7

1,6

18

Mg

3,7

5,6

5,9

3,7

2,5

2,4

19

Н2

67,7

6,7

8,1

5,4

4,6

4,7

20

vo

11,4

13,6

15,2

12,5

10,3

9,9

21

AlCl

19,0

20,9

21,8

16,4

16,1

15,9

22

Zn

24,1

24,6

26,7

19,4

19,1

19,1

23

InCl

29,1

30,1

32,3

21,5

21,13

21,

24

GaCl

30,5

31,7

33,8

21,6

21,3

21,2

Электролит О, lM KCI +1о-зм Ak, где акцепторы электронов Ak: ФМН - флавинмононуклеотид, MV 2+ виологен, GV2+ -гептилвиологен, НАД- никотинамиддинуклеотид, АДФ - аденозиндифосфат.
1J -

метил­

квантовый выход продукта восстановления.

* Экстракоординированные фталоцианины с тетразамещением С! в 4 положении бензольных колец макроцикла.


В. А. Илатовскuй и др. Фотоэлектрохимические свойства дисперсных систем, содержащих хлорофилл

343

Таблица

3

Изменение фотоактивности суспензии пигментов, нанесенных на порошок окиси цинка
(частицы диаметром

Центральная

No

группа

80-120

11ФМН

микрон), при восстановлении биологически активных веществ

11

мv 2+

1/ GV2+

1/

Цитохром

1/ НАД

11АДФ

1,5

1,5

1,7

1,8

1,7

1,9

Хлорофилла

1

Mg

1,6

1,8

1,9

Хлорофиллид а

Mg

2

1,9

2,3

2,1

Фталоцианины

3

Со

0,3

0,3

0,9

0,9

0,5

0,3

4

Fe

0,6

0,9

1,9

0,8

0,7

0,8

5

Си

1,9

1,8

2,2

1,8

1,4

1,9

6

Mg

2,6

2,8

2,6

2,2

2,1

2,1

7

Н2

4,5

4,9

7,9

4,0

3,9

4,5

8

vo

8,4

9,8

15,8

13,7

8,4

10,4

9

AlCl

9,3

10,7

17,1

15,0

10,1

11,0

10

Zn

11,9

15,0

18,7

15,9

14,2

14,1

11

InCl

14,5

17,1

22,2

18,0

16,3

16,2

12

GaCl

14,3

19,3

23,2

19,6

18,2

18,5

13

[4-Cl]4-InC1*

20,1

24,3

32,0

25,8

23,9

22,8

14

[4-Cl]4-GaCl *

24,0

31,2

36,0

28,4

26,0

25,7

Тетрафенилпорфирины

15

Со

0,2

0,3

0,4

0,4

0,2

0,2

16

Fe

0,5

0,7

1,3

0,7

0,3

0,3

17

Cu

1,5

2,4

2,8

1,9

1,1

1,1

18

Mg

2,9

4,7

5,3

3,0

1,9

1,8

19

Н2

5,8

6,5

7,0

4,4

3,8

3,7

20

vo

10,3

12,7

14,0

11,3

9,4

8,6

21

AlCl

17,5

19,6

20,7

15,6

14,5

14,3

22

Zn

22,0

22,8

23,9

17,2

17,2

17,0

23

InCl

27,0

28,6

30,5

19,9

19,3

19,3

24

GaCl

26,5

29,4

31,2

18,5

18,0

17,4

Электролит O,lM KCl + 10-3 м Ak, где акцепторы электронов Ak: ФМН - флавинмононуклеотид, MV2+ 11иологен, GV 2+ - гептилвиологен, НАД- никотинамиддинуклеотид, АДФ - аденозиндифосфат.
У/ - квантовый выход продукта восстановления.

*

Экстракоординированные фталоцианины с тетразамещением

Cl

в

4

метил-

положении бензольных колец макроцикла.


344

Глава

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

На данном этапе исследований наилучшие
результаты получены на носителях в виде ме­

таллизированных (платиной) полых стеклян­
ных сфер диаметром

100 микрон, покрытых
(экстракоординированный

[4-Cl]4-GaCl-Pc

хлором фталоцианин галлия с тетразамеще­
нием хлором в

4

положении бензольных ко­

лец макроцикла).

•

В реакции фотоэлектрохимического восстанов­
ления

гептилвиологена,

вьщеляющего

сутствии катализатора

1

2

Рис.

11. Дифракция электронов на адсорбированной пленке
Мg-тетрафенилпорфирина. Носитель - полая стек­
лянная сфера диаметром 100 микрон. Облучение
электронами с энергией 100 кЭв на электронном
микроскопе JEM-1006. Четко видны рефлексные
концентрические

полосы,

поликристаллической

свидетельствующие

структуре

о

поверхностной

пленки. Стекnянный носитель имеет чисто аморф­
ную структуру

3 7,3 %.

Вероятность спонтанного образования подоб­
ной фотоэлектрохимической системы преобра­
зования солнечной энергии достаточно высока,
причем

спектр

окислительно-восстанови­

тельных реакций на поверхности пигментиро­
ванных суспензий практически не ограничен,

поскольку пленки тетрапиррольных соединений

способны развивать фотопотенциал до

Заключение

при­

восстановленную молекулу, достигнут мак­

симальный квантовый выход

•

в

атома водорода на

0,8 В.

Литература

Таким образом, в результате исследования фо­
тоэлектрохимической активности дисперсных сис­
тем на основе органических полупроводников из

класса тетрапиррольных соединений установлено:

•

Порядок следования пигментов в рядах фото­
активности

•

для

дисперсных

систем

полно­

(2009)

Влияние природы

ческую активность тонких пленок тетрапиррольных

соединений// Хим. физ. Т.

28. № 1. С. 89-96.

Илатовский В. А., Дмитриев И Б., Рудаков В. М и др.

стью соответствует данным, полученным для

(2000)

пиррольных соединений на параметры пигментиро­

Квантовый выход реакций восстановления

темах превышает аналогичные показатели для

классических пигментных фотоэлектрохими­
ческих преобразователей.

Влияние заместителей в макрокольце тетра­

ванных электродов// Хим. Физ. Т.

19. № 1. С. 90-94.
(2008)

Илатовский В. А., Птицын ГА., Комиссаров Г. Г.

Влияние молекулярной структуры пленок тетрапир­
рольных соединений на их фотоэлектрохимические
характеристики при различных видах сенсибилиза­
ции// Хим. физ. Т.

27.

№

12. С. 66-70.

Для систем на основе органических полупро­

Илатовский В. А., Рудаков В. М, Комиссаров Г Г (1993а)

водников, эффективно работающих только при

Структурная сенсибилизация пленок синтетических

малых толщинах

аналогов хлорофилла из класса тетрапиррольных

50 нм),
зации

пигментного

слоя

(менее

наиболее приемлемый способ органи­
фотоэлектрохимической

системы

микроэлектродный, в виде суспензии со сред­

ним размером частиц не более

•

цын Г А., Комиссаров Г Г

координированного металла на фотоэлектрохими­

электродных пигментных систем.

энергоемких соединений в дисперсных сис­

•

Илатовский В. А., Дмитриев И Б., Кокорин А. И, Пти­

100 микрон.

В качестве носителей для пигментных пленок
пригодны различные по природе образования

микронного масштаба (диэлектрики, металлизированные

диэлектрики,

полупроводники).

широкозонные

соединений// Биофизика. Т.

38. № 3.

С.

555.

Илатовский В. А., Шапошников Г П., Осипов Ю. М

(1993б) Зависимость фотоактивности пленок экст­
ракоординированных фталоцианинов от распреде­

// Био­
3. С. 554.
Комиссаров Г Г (2003) Фотосинтез: физико-химиче­
ский ПОДХОД. М.: URSS. 224 с.
Комиссаров Г Г (1980) Химия и физика фотосинтеза.
М.: Знание. 64 с.
ления электронной плотности в молекулах

физика. Т.

38.

№


В. А. Илатовский и др. Фотоэлектрохимические свойства дисперсных систем, содержащих хлорофилл

Онлайн-энциклопедия

fizrast.ru. (2010-2011)

«Физио­

логия растений».

Рудаков В. М, Илатовский В. А., Дмитриев И Б. и др.

(1985)

Влияние модификации молекул порфиринов

на фотовольтаическую активность тонких пигментных
пленок// Док. АН СССР. Т.

284.

№

6.

С.

1427-1429.

Столовицкий Ю. М, Шкуропатов А. Я, Евстигнеев В. Б.
и др.

(1974)

Фотохимические и фотоэлектронные свой­

ства компонентов фотосинтетического аппарата
Теренин А. Н

19. С. 820.
(1967) Фотоника молекул

//

Биофизика. Т.

красителей и род­

ственных органических соединений// Л.: Наука.
ХановаЛ. А., Тарасевич М Р

(1977)

616 с.

Электрохимическое

поведение адсорбированных пленок хлорофилла
Док. АН СССР. Т.

234.

С.

211.

//

345

Ernzerhof М, Perdew J. Р, Bиrke К. (1997) // Int. J. Quantum Chem. V. 64. Р. 285.
ErnzerhofM, ScuseriaG.E., CheтJ. (1999)//Phys. V 110.
Р. 5029.
Harriтan А. (1983) Тhе role of porphyrins in natural and
artificial photosynthesis // Energy resoшces through
photochemistry and catalysis / Eds. М. Gratzel. N. У.:
Academic Press. Р. 163-218.
Scholz S., Corten С, Walzer К, Kиckling D., Leo К.. (2007)
Photochemica\ reactions in organic semiconductor thin
films // Organic Electronics. V. 8. Iss. 6. Р. 709-717.
Shannon Ilughes Organelles Project
(www.google.com/images).
Тhе porphyrins (1978) // Eds. D. Dolphin. N. У: Acad. Press.


МОЛЕКУЛЯРНЫЕ АНИОНЫ И ИХ ПРЕДШЕСТВЕННИКИ В ФОРМИРОВАНИИ

ЭЛЕКТРОН-ТРАНСПОРТНЫХ ЦЕПЕЙ, СОПРЯЖЕННЫХ С СИНТЕЗОМ АТФ

О. С. Неделина, О. Н Бржевская, Е. Н Дегтярев,
А. С. Зубков, Л. А. Чернозатонский
Институт биохимической физики им. Н. Н. Сеченова РАН.

olga. nedelina@gmail. сот

Для превращения и запасания солнечной энергии в энергию химической связи как в абиогенезе, так и в

биокатализе всегда необходима макросистема, функции которой состоят в улаmшвании фотонов, разделении за­
рядов, включая транспорт электрона, и в химической либо электрохимической генерации активированных ин­
термедиатов непосредственно для синтеза макромолекул. В такой эr:ектрон-транспортной системе (ЭТЦ) поток

электронов (электронный каскад) от фотодонора Д передается по системе переноса электронов В (электронная
тропа) от одного акцептора (А) к другому: Д

-

В

-

А. Перенос электрона между дистанционно разделенны­

ми Д и акцептором А, лежащий в основе функционирования многих химических и биологических систем, ак­

тивируется разнообразными сопрягающими факторами и катализаторами, выполняющими тонкую подстройку
донорно-акцепторного взаимодействия.

В настоящей работе в роли такого катализатора, промежуточного акцептора электрона, выявлены моле­
кулярные анионы МОН с функциональными группами ОН. Степень взаимодействия ОН-группы с электроном
определяется ее кислотностью в водной среде.

Формирование ЭТЦ на поздних стадиях абиогенеза становится реальным событием благодаря накопле­
нию в водной среде потенциальных фотодоноров (флавины, порфирины) и гетерогенных катализаторов в виде
электронпроводящих ОН-содержащих минеральных матриц (глины, алюмосиликаты, фосфаты, силикаты).

В соответствии с моделью возникновения жиз­

Основной пугь использования энергии, осво­

ни академика Э. М. Галимова, утверждающей, что

бождающейся при переносе электрона от донора к

«молекула аденозинтрифосфата (АТР) находится в

акцеmору

истоке

процесса,

ния и распада химических связей, обеспечиваю­

приводящего к возникновению живого» (Галимов,

щих весь объем метаболизма и являющихся сущ­

главным событием абиогенеза должно пола­

ностью ферментативных реакций. В живой клетке

2001),

химического

эволюционного

гать формирование и запуск постоянно действую­

поток

щего энергогенератора, вырабатывающего АТФ.

реноса,

В живой клетке таким устройством служит

-

биосинтез катализаторов образова­

электронов,

передающихся

по

системе

пе­

служит главным источником такого ката­

лизатора как АТФ, соединения с высоким потен­

электронтранспортная цепь, присущая только жи­

циалом переноса групп

вой клетке регулируемая ферментативная конст­

нии одного моля глюкозы до СО 2 и Н2 0 вьщеляется

рукция

686 ккал/моль,

для

донорно-акцепторного

транспорта

(Klotz, 1986).

и потенциально может образовать­

электронов, экономно выделяющего, запасающего

ся тридцать восемь молекул АТФ

и транспортирующего

( Tzagoloff, 1982).

энергию

биологического

окисления, а главное, работающего в режиме «Здесь

При окисле­

(277 ккал/моль)

В общем случае электронтранспортная цепь

-

и сейчас)). Термодинамической движущей силой

система структурно и функционально связанных

процесса переноса электронов в цепи электронного

трансмембранных белков и переносчиков элек­

транспорта является

окислительно-вос­

тронов, которая позволяет запасти энергию, выде­

донорно-акцеmор­

ляющуюся в ходе окисления НАД· Н и ФАД ·Н 2

становительных

разность

потенциалов

ных пар ЛG ' = - п FЛЕ '.
0

0

молекулярным кислородом (в случае аэробного


348

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

дыхания) или иными донорами электронов (в слу­

гих химических и биологических гетерогенных

чае анаэробного) в форме трансмембранного про­

систем, активация осуществляется разнообразными

последовательного

сопрягающими факторами и катализаторами (В),

переноса электрона по цепи, сопряженного с пе-

выполняющими тонкую подстройку донорно-ак­

рекачкой протонов через мембрану, и преобразуе­

цепторного

мого АТФ-синтетазой в АТФ.

Winkler, 2005; Marcиs, 2007).

тонного

потенциала

за

счет

~

взаимодействия

D

-----+ В -----+ А

( Gray,

Изучение механизма реакций переноса элек­

Включение сопряженной каталитической сис­

тронов, лежащего в основе функционирования фер­

темы электронпереносящих медиаторов, способных

ментативной электронтранспортной цепи (ЭТЦ),

захватить и передать дальше донорный электрон,

важно как с фундаментальной, так и с практиче­

активирует донорно-акцепторное взаимодействие

ской точки зрения. В контексте происхождения

( Closs, Miller, 1988).

жизни выявление всех участников (интермедиа­

переноса электрона по электронной тропе важно

тов) процесса позволяет проецировать их свойст­

учесть все одноэлектронные состояния промежу­

ва на соответствие условиям их возникновения в

точных электрон-аддуктов.

абиогенезе.

Для выяснения механизма

В роли таких электрон-аддуктов, иначе говоря,

Прообразы ЭТЦ в абиогенезе, т. е. молеку­

промежуточных переносчиков, выявлены атомы пе­

лярные структуры, использующие энергию окис­

ременной валентности

лительно-восстановительных процессов для син­

бодные радикалы разнообразной природы (Stиbbe

теза биомолекул, возникают на поздних этапах

et al., 2003),

химической добиологической эволюции в услови­

цепи (электронную тропу) и/или проводящий слой

ях значительного запаса абиогенных неорганиче­

между донором и

ских и органических соединений, в том числе ге­

рогенного и гомогенного катализа, включая био­

терогенных

катализ, а также молекулярные анионы

катализаторов

в

виде

минеральных

матриц. Важно отметить, что синтезированные
молекулы могут выполнять функции не только

(Piera, Backvall, 2008),

сво­

формирующие электронтранспортные

акцептором

в сценариях гете­

( Gohlke

et al" 2003).
Хотя наличие таких одноэлектронных интер­

строительных блоков в биогенезе, но будучи «кван­

медиатов

тово-механическим остовом, в котором могут дви­

биохимических систем, механизмы их образова­

гаться электроны»

(Сент-Дьердьи,

показано для различных химических и

могут

ния в элементарном акте взаимодействия элек­

служить потенциальными донорами и акцепторами,

трона с акцептором, включая ферментативный ка­

а минеральная матрица (глины, алюмосиликаты,

тализ

1971),

подстройки

соответствующего

фосфаты, силикаты) электронпроводящим элемен­

венника

том, как это часто бывает в окислительно-восста­

встраивания

новительном гетерогенном катализе.

довательность, не всегда очевидны.

к

захвату
его

в

электрона

и

предшест­

последующего

электронтранспортную

после­

Конкретные данные о прообразах абиогенных

Перенос (квантовый перескок) электрона между

ЭТЦ получены в результате модельных экспери­

донором и акцептором обеспечивается последова­

ментов, в ходе которых удалось получить сложные

тельным перекрыванием молекулярных орбиталей

органические молекулы при имитации различных

донора с молекулярными звеньями ЭТЦ (перенос­

типов донорно-акцепторного переноса на различ­

чиками), а через них

ных матрицах (Wiichtershiiиser

лями

et al., 1988; 1990;
1997; 1998; 2006; Ferris et al" 1996).
Транспорт электрона в ферментативной ЭТЦ

акцептора,

и

-

с молекулярными орбита­

связан

с

конкретными

путями

движения электрона внутри отдельных молекул.

Чтобы мог произойти скачкообразный перенос

происходит на относительно большие расстояния

электрона

и независимо от поступательных движений моле­

предварительно

от

донора
так

к

акцептору,

реорганизовать

необходимо
среду

и

реа­

кул донора и акцептора, что отличает эти процес­

генты, чтобы уровни электрона в доноре и акцеп­

сы от окислительно-восстановительных реакций в

торе оказались одинаковыми. Величина орбиталь­
ного взаимодействия тем больше, чем больше ин­

растворе.

В механизме переноса электрона между дис­
танционно разделенными донором

(D)

и акцепто­

ром (А), лежащем в основе функционирования мно-

теграл перекрывания и чем ближе друг к другу
энергетические уровни взаимодействующих орби­
талей фрагментов молекул (Рубин,

1978).


О. С Неделина и др. Молекулярные анионы в формировании электрон-транспортных цепей

Электронная тропа в ферментативной ЭТЦ

349

числе водородными связями, определяет скорость

может быть представлена как активная поверх­

многих редокс-реакций

ность, главная функция которой состоит в созда­

нить влияние среды на ход химического процесса,

нии напряжения в реагентах и их благоприятной

в том числе переноса электрона, часто становится

ориентации относительно друг друга, причем фер­

возможным лишь с учетом образования водород­

менты при воздействии на реагент могут исполь­

ных связей.

Оце­

(Sastre et al., 2000).

зовать для этого энергию слабых взаимодействий,

Отметим высокое содержание Х-Н-групп в

в том числе энергию нековалентного связывания

каталитических электронпроводящих системах, в

активатора, например, металла в активном центре

том числе в абиогенных матрицах. Нам представ­

фермента, энергию ионных и водородных связей,

ляется,

а также гидрофобного взаимодействия между не­

роль в формировании оптимальных энергетиче­

что

именно

им

принадлежит

основная

полярными группами. Эти слабые взаимодейст­

ских конформаций предшественников первичных

вия легко регулируются изменением рН, ионной

электрон-аддуктов в реализации захвата и после­

силы, физическими воздействиями. В биологиче­

дующего переноса электрона.

ских системах энергия водородной связи состав­

Экспериментальные

ляет от

до

доказательства

непо­

ккал/моль, а энергия ионной связи

средственного участия ОН-групп как промежу­

5 ккал/моль,

поэтому уже умерен­

точного переносчика в транспорте электрона по­

ное воздействие может активировать некоторые

лучены нами в исследовании биомиметической

из этих связей.

фотомодели переноса низкоэнергетического элек­

3

7

обычно равна

В то же время в исследовании биомиметиче­

трона, соответствующей условиям переноса элек­

ских моделей показано, что флуктуации молеку­

трона в активных центрах редокс-ферментов, ко­

лярного

стимулировать,

гда донор и акцептор закреплены на значительном

перенос электрона посредством

удалении друг от друга, и скорость переноса элек­

растворителя

так и тормозить

могут

как

нековалентных взаимодействий

трона определяется их фундаментальными свой­

(Rice, 1980).

Особенно явно выражено влияние водород­
ных связей, всегда присутствующих в водных рас­

ствами,

расстоянием

между ними,

наличием

од­

ноэлектронного интермедиата и влиянием среды.

творах и обусловленных склонностью молекул во­

В качестве промежуточного переносчика элек­

ды к образованию полярных связей с полярными

трона нами в фотохимической модели переноса

функциональными

электрона в водной замороженной среде

единений Х-Н

группами разнообразных

(Rustad et al., 2000).

со­

Наиболее рас­

(77 К)
D и

между дистанционно удаленными донором

нространенной является водородная связь с моле­

акцептором А впервые выявлен ранее неучиты­

кулами,

ваемый

содержащими

гидрофильные

полярные

функциональные группы: гидроксильную

амино

NНъ тиольную

-

-

-

ОН,

SH, карбоксильную -

(спектроскопически

вущии молекулярным анион
v

v

немой) короткожи[МОь-

- нь+] ·,

вступ-

ление которого в одноэлектронную цепь задается

СООН. Водородная связь образуется также и меж­

легко регулируемой (рН-зависимость) кислотно­

ду различными частями одной и той же молекулы

стью связанного электрофильного протона в ОН

(внутримолекулярная водородная связь).

группах оксикислот, в том числе фосфата.

Водородная связь увеличивает длину связи Х-Н

Триггерный захват электрона кислотным свя­

субстрата Х, что приводит к смещению соответст­

занным протоном группы ОН с образованием мо­

вующей полосы валентных колебаний в ИК спек­

лекулярного аниона обнаруживается по появле­

гре в сторону более низких частот. При образова­

нию спектра ЭПР атома водорода в результате ха­

нии водородной связи полярность связи Х-Н воз­

рактерной фрагментации молекулярного аниона

растает,

дипольного

е-+ МОИ~ [МО-Н] ~ мо-+ Н-в реакции диссо­

момента. Связанные протоны, участвующие в во­

циативного захвата низкоэнергетического электрона

,щродной

низкой

(ДЗЭ) оксикислотами АОН в областях наибольшей

1нсктронной плотностью и, соответственно, боль-

кислотности, т. е. электрофильности, связанного

что

приводит

связи,

к

повышению

характеризуются

более

111сй кислотностью, т. е. склонностью к ионизации.

протона. В наших экспериментах рН-зависимость

Известно, что кислотность связанных прото­

выделяет область существования подготовленных

нов, регулируемая различными факторами, в том

к ионизации предшественников АО 8 --Нь+ вблизи


Глава

350

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

рКа оксикислот с повышенным сродством к элек­

коэнергетического электрона D ---+ [МО&--Н&+Г ---+А,

трону и проявляется в наблюдаемом повышении

в котором промежуточным переносчиком являет­

интенсивности сигнала ЭПР атома Н. Для моно­

ся молекулярный анион с поляризованной связью

авиона фосфата Н 2 РО 4 - максимум ЭПР сигнала

(схема

атома Н приходится на рН =

1).

Предлагаемая модель показывает, что межмо­

4,45.

Для этой области облегчено образование водо­

лекулярный одноэлектронный транспорт осущест­

родных связей с участием молекул воды (например,

вляется

Р-О(Н)···ОНъ Р-О(Н)···Н-ОН) и характерно высо­

электрона кислотным протоном -Н&+, индуциро­

кое содержание кислотных связанных протонов в

ванным образованием водородных связей с МОН

группах ОН

(на схеме с моноанионом фосфата), предшествен­

(Smiechowski et а!" 2009).

Наблюдаемое наличие изотопного эффекта в

через

последовательное

ником первичного электрон-аддукта в пороговой

низкотемпературной области означает, что перенос

концентрации ~О, 1 М.

электрона лимитируется участием

среднее

водородсодер­

акцептирование

расстояние

При такой концентрации

между донором

2 нм,

и

предшест­

жащих ОН групп в акте электронной перестройки

венником не превышает

донора и акцептора электронов. Фактически, речь

разованию молекулярного аниона. Таким образом,

что способствует об­

идет об элементарном акте взаимодействия до­

снимаются дистанционные ограничения одноэлек­

норной и акцепторной групп, где роль акцепти­

тронного транспорта от донора к удаленному ак­

рующей моды состоит в обеспечении необрати­

цептору, взятыми в низких концентрациях (менее

мого

0,01

характера переноса электрона между ними

(Рубин,

М

-

расстояния порядка

20 нм).

Тогда все

молекулы удаленного акцептора, не взаимодейст­

1997).

Совокупность выявляемых методом ЭПР па­

вующие непосредственно с донором, оказываются

рамагнитных продуктов и их динамика в рН зави­

в сфере обменных взаимодействий с молекуляр­

симом переносе

низкоэнергетического электрона

иллюстрируют постадийную трансформацию фо­

---+

В исследованиях образования молекулярных

и полно­

анионов отмечено, что в полиатомных молекулах

диссипа­

мишенью

тоинжектированного электрона в триаде донор

---+

электронный интермедиат

стью

соответствует

ции

короткоживущих

(фрагментации: е-

---+ акцептор

основным

каналам

молекулярных

+ МОН---+

ным анионом-интермедиатом и способны воспри­
нимать переносимый им донорный электрон.

анионов

[МОН]"---+ мо-

низкоэнергетических

электрона

служат функциональные группы -ОН,

часто

-NH2,

при­

+ Н";

чем наблюдается корреляция между присоедине­

МОН +А"). Сле­

нием электрона и доступностью вакантной орби­

дует отметить, что и захват электрона, и его пере­

тали молекулы, т. е. электронной конфигурацией,

нос молекулярными анионами [МОН]" показаны

позволяющей включение добавочного электрона

для газовой фазы

(Prabhиdesai

автоотщепления: [МОН]"+ А

---+

(Simons, 2005).

Особенностью

et al., 2005).

Для подтверждения ключевой роли ОН-груп­

нашей работы представляется выявление [МОН]"
в исследовании рН-зависимого фотопереноса низ­

пы

коэнергетического

в

переносе

низкоэнергетического

электрона

биологиче­

нами бьm произведен квантово-химический рас­

скими донорами и акцепторами в водном заморо­

чет некоторых свойств связи в группе 0-Н и тер­

женном растворе по обнаружению спектра ЭПР

модинамических параметров в водном растворе для

электрона

между

атома Н как продукта характерной фрагментации
реакции ДЗЭ оксикислотами, в том числе фосфа­

Бржевская и др"

Теоретическое изучение многозарядных моле­

В условиях низкоэнергетического облуче­

кулярных анионов требует особой аккуратности в

том (Неделина О. С. и др"

2008).

таких оксикислот, как НзРО4, Н2РО4-, НРО/-, H2S04,
HS0 4-, В(ОН) 4-, и для НСООН, СН 3 СООН.

ния эта известная реакция

2009;
(Neta,

Schиler,1972)

-

выборе метода вычислений

(Simons, 2008).

В дан­

единственный источник атома Н, не осложненный

ной работе мы использовали приближение теории

реакциями разложения воды и прямым фотолизом

возмущений Меллера-Плессета второго порядка

связи --ОН, т. е. побочными реакциями, в которых

(МР2)

может образовываться атом водорода.

ской оптимизации строения молекул и вычисления

(Head-Gordon, et al" 1988)

для геометриче­

Таким образом, сформулирован кислотно-ос­

энергий молекул в их основном состоянии. В этом

новной механизм межмолекулярного переноса низ-

приближении более точно учитывается корреляция


О. С. Неделина и др. Молекулярные анионы в формировании электрон-транспортных цепей

Ан•

1

351

J

фрагмен- -~г

~

нр

~

50 Гс

Схема

1.

Кислотно-основная модель межмолекулярного одноэлектронного переноса в водной среде с участием молекулярно­
го аниона фосфата [МОН] • Представлены спектры ЭПР фигурантов фотохими0447еского переноса электрона

0

катион-радикалов доноров (триптофана, хлорофилла А, НАДН+)

-

аниона [МОН]" в отсутствие акцептора, а также продукта одноэлектронного восстановления акцептора нитрата,

В центре

-

-

и атома водорода, продукта фрагментации

N02 .

расчетная структура молекулярного аниона [МОН]", избыточный электрон локализован вблизи кислот­

ного протона

в движении электронов, чем в широко используемой

расчеты с использованием более полного базиса

(Gupta, et al., 2007; Gu, et al., 2006; Li, et al., 2003;
Vasil 'ev, et al., 2006; Kurinovich, et al., 2000; Nguyen,
et al., 1998; Sun, et al., 2007; Burrow, et al., 2008)
теории функционала плотности (DFT). В нашем

aug-cc-pVTZ

дали близкие результаты: отклонение

не превышало

0,09 эВ

по абсолютной величине.

Также очень близкие результаты дали тестовые рас­
четы с использованием аналогичного

случае это особенно важно, поскольку молекуляр­

базиса

ные анионы зачастую содержат делокализованные

из другого семейства: отклонение не превышало

занятые молекулярные орбитали, расчет которых

0,04 эВ

требует точного учета электронной корреляции на

сделать вывод, что семейство базиса не играет важ­

больших расстояниях от атома. Проведенные на­

ной роли, а выбранный уровень полноты базиса

ми

вполне достаточен для наших расчетов.

тестовые

расчеты

с

использованием

теории

возмушения четвертого порядка МР4 дали близ­
кие результаты: отклонение не превышало

6-31 l++G(Зdf,Зpd)

(Simons, 2008)
(Krishnan et al., 1980)

по абсолютной величине. Из этого можно

Для учета влияния водного окружения была

0,02 эВ

использована модель поляризуемой среды РСМ

по абсолютной величине, из чего мы сделали вы­

вод, что выбранное нами приближение является

(Cossi, et al., 1996) с атомными радиусами из набора
параметров UFF (Rappe, et al., 1992), в том числе

достаточно точным.

и для всех атомов водорода. Мы выбрали простую

Для построения молекулярных орбиталей ис­

нользовался базис атомных орбиталей

модель растворителя, чтобы подчеркнуть, что это

aug-cc-pVDZ

лишь первый шаг на пути точного неэмпириче­

двухэкспонентный базис гаус­

ского учета влияния водной среды и что получае­

совых функций с поляризационными и диффузны­

мые результаты будут носить скорее качествен­

ми функциями. Добавление диффузных орбиталей

ный характер до тех пор, пока в расчетах не нач­

н базис играет важную роль при изучении анио­

нут фигурировать молекулы воды в достаточно

нов, поскольку эти орбитали необходимы для учета

большом количестве (больше

«разбухания» электронной плотности при добав­

мент наши вычислительные ресурсы не позволи­

нснии в систему избыточного электрона. Тестовые

ли нам провести такие расчеты.

(Dunning, 1989) -

10).

На данный мо­


352

Глава

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

III.

Адиабатическое сродство к электрону АЕА,

или просто сродство к электрону ЕА частицы Ап,
µе п

-

заряд частицы, вычислялось как разница

свободных энергий между нижним вращательно-ко­
лебательным уровнем основного электронного со­

стояния частицы Ап и нижним вращательно-коле­
бательным уровнем основного электронного со­
1

стояния частицы Ап- , образующейся в результате

ЛGоЕА(В-Н) = ААЕ(Авнn)

+ ЛGн·(Авнn-

1

) =

1

ЛGн·(Авнn- ) - ЕА(Авнn).

(5)

Для вычисления величин ЛGн· (Авнп-~) и

EA(ABHn)

можно использовать формулы

(3)

и

(1),

соответственно.

3.

Энергия ДЗЭ равна сумме энергий двух

процессов, отрыва протона и захвата им электрона:

ЛGоЕА(В-Н) = ЛGн+(Авнn)

добавления электрона:

ЛGн+(Авнn)

+ ААЕ(Н+)

=

ЕА(н+).(6)

-

Для вычисления величины ЛGн+ (АВНп) мож­

где

G(An) -

свободная энергия Гиббса частицы Ап.

Энергия адиабатического захвата электрона ААЕ

-

величина, противоположная АЕА:

но использовать формулу

(2).

При использовании каждой формулы нужно
быть уверенным в стабильности всех упомянутых
в ней частиц по отношению к автоотрыву электро­

Кислотность молекулы АНп вычислялась как
изменение свободной энергии Гиббса при отрыве
протона от этой молекулы:

на, т. к. вычисленное значение свободной энергии

G(An)

нестабильной частицы

An

может быть не­

корректным. Во всех случаях нами проводилась
соответствующая проверка.

Свободная энергия протона в газовой фазе бы­
Аналогичным образом вычислялась энергия

отрыва атома водорода от молекулы АНп:

Для органических кислот с целью сравнения
доступными

ными данными
социативного

экспериментальными
вычислялась

О эВ, а сво­

298, 15

К была взята из работы по расче-

ту кислотности карбоновых кислот

саsсн+)

= 11,66 эВ (Liptak, et al" 2001).

справоч­

Под вертикальным захватом электрона пони­

также энергия дис­

мался такой захват, при котором не меняется про­

захвата электрона с

и

GgP(H+) =

бодная энергия протона в водной среде для тем­
пературы

(3)

с

ла принята равной нулю

последующим

отрывом атома водорода. Для ее расчета в каждом

странственное

строение молекулы и не меняется

распределение заряда в полости вокруг нее, созда­

отдельном случае предпочтение отдавалось той

ваемой в рамках модели РСМ (для случая водной

формуле, по которой эту энергию можно было вы­

среды). Изменяется только количество электронов

числить

не

только

на

основании результатов

на­

в молекуле, т. е. это мгновенный захват электрона.

ших расчетов, но и на основании доступных экс­

Для вычисления энергий вертикального захвата

периментальных или справочных

1998)

(Mallard, et al"

данных (при условии их наличия). В соот­

электрона

использовался

ных функций Грина

метод

внешних

валент­

(OVGF) (Niessen von et а/"

ветствии с законом Гесса, результат не зависит от

1984),

выбора. Всего было использовано три различных

пользующий пертурбативные операторы для опи­

формулы.

сания свойств возбужденных состояний.

1.

Энергия

ДЗЭ

равна разности

свободных

энергий Гиббса продуктов и реагентов, то есть для

процесса АВНп

+ е-

~ Авп- 1

+ н·, где В -

атом,

основанный на приближении МР2, но ис­

Заряды на атомах рассчитывались методом
Малликена

(Mulliken, 1955). Все расчеты бьши вы­
Gaussian 03 (Frisch et al"

полнены в пакете программ

с которым был связан атом водорода (кислород О

2004).

или углерод С), имеем:

лась программа

ЛGоЕА(В-Н) = G(H")

+ G(Aвn-

1

)

-

G(Авнп).

(4)

Для визуализации результатов использова­

Chemcraft 1.6.

Большинство вычислений термодинамических
величин выполнено для температуры

298, 15

К,

Энергия ДЗЭ равна сумме энергий двух

что соответствует стандартным условиям и близ­

процессов: захвата электрона и отрыва атома во­

ко к температуре живых систем. Для сравнения с

дорода от образующейся молекулы:

данными вышеупомянутых экспериментов была

2.


О. С. Неделина и др. Молекулярные анионы в формировании электрон-транспортных цепей

Рис.

353

1. Конформации, соответствующие глобальным и локальным минимумам на поверхности потенциальной энергии для
изученных молекул; для локальных минимумов указано отличие от глобального по энергии в эВ


354

111. Теоретические и экспериментальные

Глава

Н(О,17)

Н

1

1

0(-0,77) о

Н(О.13)

Н(О,20)

Н

1

0(-0,85) о

"~" " ·,"'
/

0(-0,99) о

/

Р<~.65)

/,•

Н(О,16)

Н(О,14)

н

1
1
О~,76/0

1

Р(2,78)

исследования предбиологических химических систем

1

1

0(-0,81) о

0(-0,59) 0(-0,53)

~/

"" S<i93)
"7

S{2,97)

~ '~

~~

0<~1.щ 'о

0(-0,92) о

Н(О,06)

:

C{l,04)

1
Н(-0,01)

0(-1,10) о

1

н

0(-0,66)

,-----------------------------·
aqueous solution
\

/ " С(о,84)-С(о,22)-Н(о,оо
1
Н(о,18)

~

H{O,l )
9

~/

1

Н(О,06)

0(-0,72)

н

1

1

0(-0,81) о

"

Н(О,17)

Н(-0,05)

0(-0,87) о

"

/

~"

1

0(-0,85) о

""у
Р(~,54)
/,- 'о
0<~1.28)

/
/,~~~)

Р(2,М)

0(-1,07) о

1

'"'

0(~1,16)' о

1

Н(О,08)

0(-0,80)

Н(О,24)

Н(О,15)

н

1

~

1

---~~~h~!----------~

Н(О,08)

/
" С(О,89)-С{О,22)-Н(О,01)
1
Н(О,22)

C{l,08)

1

1

Н{О,22)

0(-О,69)

0(-0,68) 0(-0,55)

Н{О,12}

Н(О,21)

н

1

1

1

0(-0,83) о

0(-0,78) о

"

""7
8(2,96)

/
~~
0(-0,98) о
S(}}IS)

~" '~

0(-1,11) о

2.

подстановки в формулу

= Eet + kT -

77 К. При этом использовались зна­
Ее 1 и S, полученные для температуры
Это грубое приближение, но, как пока­

зали тестовые расчеты, его ошибка составляет
порядка

о/ "-о
1

н

0,05

--\~' ~;;. н~н ~с;:
L

TS

значения Т =

298, 15 К.

B(l,70)

Атомные заряды для изученных оксикислот. Среди эквивалентных атомов заряд указан только у одного

G = Н - TS
чения

1

н

проведена коррекция результатов на температуру

77 К путем

Н

0,,80/0

1

1

н
Рис.

1

-~?ГА~
~

0,3

эВ. С учетом того, что использова­

тов, мы сочли эту ошибку допустимой.
Полученные результаты расчета показали, что

1,7

2,0

~

A2

0,9

п

,~/Jlli
7Г~~;'1
.

лась простая модель растворителя, не позволяю­

щая достичь высокой численной точности расче­

3,3

___ gg,!_l!~!!_s_e_ ___________________________________ _

.

..

. )
. .
·. . aqueous s.olutio.

Dt

5,0

2,4

2, 7

почти для каждой из рассмотренных молекул бы­
ло обнаружено несколько локальных минимумов

Рис.

3.

польного момента

на поверхности потенциальной энергии. Конфор­
мации,

соответствующие

таким

минимумам

Вектора и значения (в дебаях) электрического ди­

µ

рассмотренных электроней­

тральных оксикислот

для

молекул, стабильных по отношению к автоотрыву

нейтральных молекул основным является заряд­

электрона, приведены на рис.

Для каждой мо­

дипольное взаимодействие. Векторы дипольных

лекулы основное внимание уделялось глобальному

моментов для незаряженных рассмотренных мо­

минимуму, как наиболее устойчивой форме. Атом­

лекул указаны на рис.

ные заряды для соответствующих конформаций

Наименьшая

приведены на рис.

1.

2.

Основным типом взаимодействия между элек­

3.

энергия

захвата

электрона

в

связанное состояние соответствует захвату элек­
трона

на

нижнюю

вакантную

молекулярную

троном и заряженной частицей является кулонов­

орбиталь

ское взаимодействие: всеми остальными взаимо­

(а также близких по энергии орбиталей

действиями можно пренебречь. В случае электро-

в некоторых случаях) для стабильных рассмот-

(LUMO).

Строение таких орбиталей

LUMO+ 1


О. С Неделина и др. Молекулярные анионы в формировании электрон-транспортных цепей

~
\•у

нвмо+ 1;

нсоон

d=

355

о,оз

СН3 СООН

d=0,025

---~~f!!i~~----------------------------------------·
aqueous solution

НВМО;

<~

нвмо+ 1;

d = 0,025

d =0,0

нсоон
Рис.

4.

Границы нижних вакантных молекулярных орбиталей изученных оксикислот при указанном значении плотности

d

(в а. е. м.)

репных молекул приведено на рис.

4.

Соответст­

вующие энергии вертикального захвата электрона

на эти орбитали собраны в табл.

ма водорода для обеих температур,

77

298,15

К и

К. Для органических оксикислот (муравьиной

наряду с энер-

и уксусной) энергии других видов (по типу раз­

1·иями адиабатического захвата электрона пере­

рываемой связи) диссоциативного захвата элек­

•1исленными молекулами для обеих температур:

трона указаны в табл.

298,15

к и

77

1,

к.

3.

Также в этой таблице для

сравнения указаны значения тех же величин, вы­

Распределение спиновой плотности, отражаю­

численные на основе справочных
данных для температуры

(Mallard, et а!.,
298,15 К. Спра­

щее локализацию захваченного электрона, приведе-

1998)

1ю на рис.

вочные значения приведены для всех величин, для

5 для молекул

с избыточным электроном,

стабильных по отношению к его автоотрыву. Для
1·сх же молекул в табл.

2

собраны значения изме­

нения свободной энергии Гиббса при отрыве ато-

которых они доступны.

На рис.

6

собраны графики зависимости от

сродства к электрону в водной среде показателя


356

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

Таблица

Энергии Е нижних вакантных молекулярных орбиталей, а также энергии вертикального

1

VAE

и адиабатического ААЕ захвата электрона (в эВ) для рассмотренных молекул. Значения ААЕ
приведены для двух температур:
Среда

Газовая фаза

Молекула

Орбиталь

Е

К и

77

К

VAE

AAE29s,1s

ААЕ11

Н 3 РО 4

LUMO

0,78

0,50

"'О

"'О

Н2РО4

LUMO

4,03

3,89

>О

>О

H2S0 4

LUMO

0,68

0,41

-0,60

-0,58

нsо4

LUMO

4,11

3,99

>О

>О

В(ОН)4

LUМO

4,05

3,92

>О

>О

нсоон

LUMO

1,00

0,85

>О

>О

LUMO

0,90

0,70

LUMO+l

1,28

1,14

>О

>О

Н 3 РО 4

LUMO

1,00

0,73

- 1,71

-1,70

Н2РО4

LUMO

1,15

0,91

-0,96

-0,95

нror-

LUMO

1,43

1,18

-0,64

-0,63

СН 3 СООН

Водный раствор

298, 15

рщ-

LUМO

2,25

1,75

"'О

"'О

H2S0 4

LUMO

1,04

0,78

-2,87

-2,86

нsо4

LUMO

1,33

1,10

- 1,93

- 1,91

sщ-

LUМO

2,35

1,87

;::;О

;::;О

В(ОН)4

LUMO

1,08

0,85

-0,76

-0,75

LUMO

1,17

1,04

LUMO+l

1,47

1,36

- 1,38

-1,37

нсоон
СН 3 СООН

LUMO

1,05

0,85

- 1,23

- 1,21

н 3 0+

LUMO

0,80

0,58

-1,96

-1,94
Таблица

2

Изменение свободной энергии Гиббса дGн· при отрыве атома водорода из ОН-группы (в эВ)
для рассмотренных молекул. Значения дGн· приведены для двух температур,
Среда
Газовая фаза

Водный раствор

кислотности рКа рассмотренных

дG~~В.15

Молекула

298, 15

К и

77

К

дG~?

H2S04

0,07

0,29

НзРО4

-0,54

- 0,31

нzror-

- 0,41

- 0,18

нrщ-

-О,о7

0,16

H2S04

0,05

0,28

нsor-

0,13

0,35

всоН)r-

0,67

0,91

нс оон-

-0,53

-0,31

СНзСОон-

-0,52

-0,29

Н3 0

- 1,51

- 1,31

а

электролитической диссоциации (отрыва протона)

также таких параметров 0-Н связи, как длина

в водном растворе для рассмотренных оксикислот

связи

v и заряд атома во­
дорода д при температуре 298,15 К.
Наконец, на рис. 7 приведена зависимость

от аналогичного значения, вычисленного из соот­

расчетного значения свободной энергии Гиббса

температуры

R,

оксикислот,

частота ее колебаний

ветствующей табличной величины показателя ки­
слотности рКа. В основу также легли данные для

298, 15

К.


О. С Неделина и др. Молекулярные анионы в формировании электрон-транспортных цепей

global, d = 0,01

357

local, d = 0,001

H2S04- - -~~E_h~~ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - aqueous
- - - - -solution
-- - - -- ·

global, d = 0,003

local 1, d = 0,003

НРО 3-

4

local 2, d = 0,003

Н РО -

3

global, d = 0,01

4

d=о,002

local, d = 0,003

B(OH)/-

HS042-

global, d=O,O 1

d=0,002

global, d=0,01

local, d=0,01

Рис.

5.

local, d=0,01

снзсоон-

нсоон-

Распределение спиновой плотности для глобальных (и некоторых локальных) минимумов изученных оксикислот;

изоповерхности для указанных значений плотности

d

Для каждой из исследуемых кислот рассмат­
ривался процесс захвата электрона низкой энер­

(в а. е.)

автоотрыву электрона, чего нельзя сказать про га­

зовую фазу (см. рис.

1).

Это соответствует явле­

гии и последующей диссоциации в газовой фазе и

нию стабилизации заряженных молекул в водном

в водной среде. Для неорганических кислот рас­

растворе. Положительно заряженные и нейтральные

сматривалась только диссоциация с отрывом ато­

частицы стабильны в обеих средах из-за кулонов­

ма водорода из ОН-группы. Для органических ки­

ского притяжения между электроном и остальной

слот внимание уделялось также отрыву атома во-

частью частицы. В однозарядных анионах многое

11орода, связанного с атомом углерода.

зависит от атомных зарядов и от дипольного мо­

Все исследованные оксикислоты, а также их

мента соответствующей электронейтральной час­

формы с захваченным (или избыточным) электро­

тицы. Подавляющее большинство многозарядных

ном, в водной среде стабильны по отношению к

анионов в газовой фазе нестабильны из-за куло-


358

Глава

III. Теоретические и экспериментальные

исследования предбиологических химических систем

Таблица

3

Значения величин, связанных с различными видами (по типу разрываемой связи) диссоциативного захвата
электрона муравьиной и уксусной кислотами в газовой фазе и в водной среде для двух температур,

r и 77

К. Справочные данные для температуры

298, 15

298, 15

К

К приведены для тех величин, для которых они доступны
Значение, эВ

Величина

№

Справочные данные

Данные работы

(298,15

(298,15 К)
1

ЛG~~(НСОО - Н)

2

ЕNФ(н+)

3

лс;tлсо-Н) (НСООН)

4

14,68

14,68

13,88

13,63

1,11 ±0,07

0,81

1,04

дG~~(Н - СООН)

-

16,22

16,22

5

лс;tлсс-ю (НСООН)

-

2,35

2,59

6

лс;~А(О-Н) (НСООН)

-

-1,91

-1,68

7

лс;~А(С-Н) (НСООН)

-

-0,27

-0,04

8

дG~~(СН 3 СОО - Н)

14,81±0,09

14,86

14,85

9

дс;tлсо-н)(СН 3 СООН)

1,21 ±0,09

0,98

1,22

10

ЛG~~(Н - СН 2 СООН)

15,66 ± 0,13

15,87

15,87

11

дс;tлсс-ю (СН 3 СООН)

2,06 ± 0,13

1,99

2,23

12

лс;~А(О-Н) (С Нз СООН)

-

-1,75

-1,50

13

лс;~А(С-Н) (С Нз СООН)

-

-{),53

-0,29

новского

отталкивания

13,60

между

тальной частью частицы
растворе,

благодаря

14,71±0,07

Данные работы

К)

ос­

гий между глобальным минимумом и локальным

В водном

в водной среде заметно меньше соответствующей

электроном

(Simons, 2008).

экранированию

(77 К)

и

поляризуе­

разницы в газовой фазе (см. рис.

1).

Наблюдаемый

мыми молекулами воды и образованию водород­

эффект согласуется с описанным ранее другими

ных связей между этими молекулами и молекулой

авторами явлением уменьшения разницы энергий

кислоты, многозарядные анионы могут быть ста­

между

бильны. В выбранной модели растворителя учи­

при переходе от случая газовой фазы к случаю

тывается только первый из этих двух эффектов.

водного раствора

изомерами

депротонированного

урацила

(Kurinovic, et al., 2000).

С идеей стабилизации оксикислот водным

Как уже упоминалось, при сольватации окси­

окружением согласуется также тот факт, что для

кислоты образуются водородные связи между ней

многих

и молекулами воды. Фосфорная кислота, к приме­

молекул

в

водной

среде

обнаружено

больше локальных минимумов на поверхности

ру, образует в среднем от

потенциальной энергии, чем в газовой фазе (см.

зависимости

рис.

1).

Стоит помнить, однако, что поверхность

от

11

степени

(Smiechowski et al., 2009).

до
ее

16

таких связей, в

протонирования

Каждый атом кислорода

потенциальной энергии чувствительна к выбору

ОН-группы в оксикислоте может иметь до двух

метода вычислений

водородных связей Р-О(Н)- · · Н-ОН с молекулами

(Zakharenko et al., 2008),

и та­

кое обилие минимумов может объясняться спе­

воды, а депротонированный атом кислорода

цификой выбранной нами модели учета раствори­

трех

теля и не наблюдаться при другом способе описа­

часть электронной плотности, эти связи ослабля­

ния водного окружения. Кроме того, в реальной

ют ковалентные связи 0-Н в молекуле кислоты.

(Bickmore, et al., 2006).

-

до

Перетягивая на себя

среде тепловое движение молекул будет вызывать

В результате длины связей 0-Н оксикислоты уве­

частые переходы между близкими по энергии ми­

личиваются. Увеличение длин связей приводит к

нимумами (как минимум, в пределах ~О,03 эВ,

увеличению атомных зарядов на атомах водорода,

т. е. ~kT при температуре ~300 К). Разница энер-

что, в свою очередь, приводит к увеличению ди-


О. С. Неделина и др. Молекулярные анионы в формировании электрон-транспортных цепей

R,A

v,

0,978

•

0,974

3800

у= О,004х

+ 0,9674

•
0,50

1,50

2,00

ЕА

2,50

~'

1,00

0,50

•

9
у= О,0416х

+ 0,1322

•

5

R2 =0,9421

0,170

•

1,50

Зависимость от сродства к электрону Ед (эВ), длины

+ 14,337
R2 = 0,9519

• ...

1,оо

0,50

•

-

1,50

2,00

связи 0-Н, частоты ее колебаний

рода б, значений рКа· Точки соответствуют кислотам Н 3 РО 4 , Н 2 РО4, НРо~-,
СН 3 СООН, квадрат

ЕА

+---~--~-------"'----

-3

R

2,50

у= -6,3519х

1

0,120 -r-----г---г-----.--,...--0,50
1,оо
1,50 2.00
2,50
ЕА

2,00

••

р

...

0,220

6.

•

3650
1,00

а.е.

Рис.

+ 3831,1
R2 =0,974

у= -54,633х

3725

R2 =0,9719

0,970
0,966

•

см-1

•

359

v,

2,50

ЕА

заряда на атомах водо­

H2 S0 4 и HS04, треугольники -

НСООН и

В(ОН)4

польного момента. Выбранная модель раствори­

теля не учитывает такие эффекты специфической

ЛGв+мп

сольватации, как образование водородных связей

•

2

у= 2,6743х

-0,177
R 2 = 0,9459

с молекулами воды. Тем не менее, вышеописан­
ные его последствия прослеживаются и в наших

данных: атомные заряды на протонах (см. рис.
и дипольные моменты молекул (см. рис.

3)

2)

1

•

в вод­

ной среде выше. Отметим, что минимальное зна­
чение дипольного момента, необходимое для воз­
можности

существования

диполь-связанного

стояния с электроном, составляет

1,6

Д

со­

0.4

-0,2

(Simons,

2008; Tonzani, et а/., 2006). Такое состояние, по
некоторым данным (Ajlatooni, et al., 2006), может
привести к захвату электрона на а*-орбиталь свя­

-1
Рис. 7. Линейная корреляция величин лс;;'! 2 и ЛG~~а (см.

зи 0-Н.

текст)

Именно из а*-орбиталей связей 0-Н преиму­
щественно состоят нижние вакантные молекуляр­

низка (см. табл.

ные орбитали

энергии (до

(LUMO)

всех рассмотренных неор­

ганических кислот в обеих средах (см. рис.

4).

1)

2 эВ).

для захвата электрона низкой
Для отрицательно заряженных

частиц из-за кулоновского отталкивания эта энер­

В случае органических кислот, если в какой-то

гия значительно выше. В водной среде энергия

среде про орбиталь

VAE

LUMO

нельзя сказать, что она

достаточно низка для всех рассмотренных

состоит преимущественно из а*-орбитали связи

молекул. Причем для молекул

0-Н, то это можно сказать про близкую по энер­

величина принимает наибольшее значение, что

гии (см. табл.

объясняется отсутствием протонов в их строении.

1)

орбиталь

LUMO+ 1 (см.

рис.

4).

В газовой фазе для электронейтральных час­
тиц энергия

VAE вертикального захвата электрона
LUMO (или LUMO+l) достаточно

на орбиталь

POl- и so~- эта

Этот факт указывает на значительную роль свя­
занных протонов в захвате электрона оксикисло­

той. Отметим, что в случае электронейтральных


360

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

молекул при переходе от газовой фазы к водной

энергии Гиббса ЛGн· при отрыве атома водорода

среде величина энергии

для температуры

ется (см. табл.

1).

VAE

немного увеличива­

Это является результатом экра­

нирования зарядов протонов благодаря поляризуе­

298,15

К ниже соответствующе­

го значения для температуры
(см. табл.

2).

77

К на

0,20-0,24 эВ

Это соответствует разнице расчетных

мости среды. В случае отрицательно заряженных

энергий атома водорода при этих температурах:

молекул при гидратации энергия

-13,88

существен­

VAE

эВ для температуры

298,15

К и

-13,64

эВ

но уменьшается из-за экранирования общего от­

для температуры

рицательного заряда аниона. Экранирование про­

одинаковые). Таким образом, как и в случае с

тонов также должно иметь место и для анионов,

адиабатическим

увеличивая

между энергиями соответствующих форм кислот

VAE,

однако этот эффект намного

слабее, чем экранирование нескомпенсированного

практически

отрицательного заряда.

формулу

не

К (в обеих средах значения

77

захватом

зависит

электрона,

разница

от температуры

(см.

3).

Полученные результаты позволяют объяснить

В газовой фазе из рассмотренных оксикислот
только серная способна захватить электрон в ста­

ряд экспериментальных наблюдений. При рН

бильное состояние, о чем говорит отрицательное

преобладающей формой фосфата в растворе явля­

значение энергии ААЕ адиабатического захвата

ется Н 3 РО 4 , при

< 2,12

факт вновь указывает на то, что именно связан­

2,12 < рН < 7,20 - Н 2 РО4, а при
7,20 < рН < 11,90 - НРО~- (Бржевская, и др.,
2008; Nedelina, et а/., 2008; Nedelina, et а/., 2009;
Smiechowski, et al., 2009). В экспериментах с фос­
форной кислотой (Бржевская, и др., 2008; Nedelina, et а/., 2008; Nedelina, et al., 2009) максимум

ный протон выступает локусом захвата электрона.

интенсивности сигнала ЭПР атома водорода на­

Во всех рассмотренных случаях значения энергии

блюдался при

адиабатического захвата электрона для темпера­

ний позволяют это объяснить. В конформациях

туры

глобального минимума молекул Н 2 РО~- и

электрона. В водной среде практически все рас­
смотренные

молекулы,

кроме

полностью

депро­

тонированных форм фосфорной и серной кислот,

обладают отрицательным значением ААЕ. Этот

298,15

К и для температуры

ся не более, чем на

0,02

77

К отличают­

эВ, т. е. практически сов­

3,5 < рН < 5,5.

Результаты вычисле­

HPol-,

в отличие от молекулы Н 3 РО4, избыточный элек­

падают. Таким образом, температура не оказывает

трон локализован вблизи протонов (см. рис.

сильного эффекта на захват электрона.

что способствует дальнейшему отрыву атома во­

Распределение спиновой плотности (см. рис.
отражает

локализацию

захваченного

5),

5),

дорода. Энергия диссоциации возрастает с умень­

электрона.

шением количества протонов в молекуле кислоты

В некоторых молекулах избыточный электрон ста­

(см.

билизирован протонами вблизи молекулы, причем

Семенова, указывает на увеличение активацион­

в стабилизации могут участвовать сразу несколь­

ного барьера для отрыва атома водорода. Судя по

ко ОН-групп (до трех в случае аниона борной ки­

экспериментальным данным, этот фактор менее

слоты), что способствует отрыву атома водорода,

существенен, чем локализация захваченного элек­

т. к. электрон фактически занимает пересечение

трона, что и приводит к образованию вышеупо­

сr*-орбиталей связей 0-Н.

мянутого максимума.

Изменение

свободной энергии Гиббса при

табл.

При

2),

что,

-3,00 <

согласно

рН

< 1,90

правилу Поляни­

преобладающей фор­

отрыве атома водорода из ОН-групп рассмотрен­

мой серной кислоты в растворе является нsо4.

ных молекул достаточно низко, а во многих слу­

В конформации глобального минимума молекулы

чаях даже отрицательно (см. табл.

HSO~-, в отличие от молекулы Н 2 РО~-, избыточ­

2).

В результате

почти во всех случаях, кроме случая аниона бор­

ный электрон локализован на центральных ато­

ной кислоты при температуре

мах, а не вблизи протонов (см. рис.

77

К, энергия дис­

5),

что не спо­

социативного захвата электрона с образованием

собствует дальнейшему отрыву атома водорода.

атома водорода, вычисленная по формуле

Изменение свободной энергии Гиббса при отрыве

5,

отри­

цательна. Таким образом, процесс ДЗЭ экзотер­

атома Водорода ОТ молекулы HSO~- В ВОДНОЙ сре­

мический, хотя и может иметь активационный

де положительно при обеих рассмотренных тем­

барьер для диссоциации. Отметим, что во всех

пературах (см. табл.

2),

что также неблагоприятно

рассмотренных

для

С

учетом

случаях

изменение

свободной

диссоциации.

вышесказанного,


О. С. Неделина и др. Молекулярные анионы в формировании электрон-транспортных цепей

можно ожидать, что сигнал ЭПР атома водорода в

< 1,

экспериментах с серной кислотой при рН

ко­

361

рН

> 1О (Бржевская, и др., 2008; Nedelina, et al.,
2008; Nedelina, et al., 2011).

гда основной формой оксикислоты в растворе яв­

Энергия

диссоциативного

захвата

электрона

ляется нsо4' будет слабее, чем в экспериментах с

муравьиной кислотой в газовой фазе с отрьmом ато-

фосфорной кислотой при рН:::::;

ма водорода из ОН-группы ЛG~~лсо-Н) (НСООН)

форма кислоты в растворе

-

5,5,

когда основная

Н 2 РО4. Но экспери­

ментальные данные (Бржевская, и др.,

2008; Nede-

lina, et al., 2008; Nedelina, et al., 2011)

указывают

на обратное.
Мы объясняем это активным участием гидро­
ксония в диссоциативном захвате электрона. При
рН

< 1в

растворе содержится достаточно большое

количество ионов гидроксония Н 3 0+, а именно
[Н 3 0+]

> 0,1 М.

имеют

относительно

В этой молекуле атомы водорода
большой

(см.

рис.

2 для
заряд +0,37

сравнения) положительный атомный

а. е., а атом кислорода практически нейтрально

заряжен

(-0,10

а. е.). Нижняя вакантная молеку­

лярная орбиталь локализована на протонах (см.
рис.

4),

для нее энергия вертикального захвата

электрона в водной среде самая низкая среди рас­

смотренных молекул (см. табл.

1).

Энергия адиа­

батического захвата электрона также относитель­
но низка (см. табл.

1),

а избыточный электрон в

молекуле Н 3 0 расположен преимушественно вбли­

зи протонов (см. рис.

5).

Изменение свободной

энергии Гиббса при отрыве атома водорода от мо­
лекулы Н 3 0 приведено в табл.

2:

реакция диссо­

циации сильно экзотермична. Полученные дан­
ные

указывают на то, что среди рассмотренных

молекул гидроксоний обладает свойствами, наи­

более способствующими диссоциативному захвату
электрона. При высоких рН его концентрация в
растворе

настолько

мала,

что

результат

его

вычислялась по формуле

6.

Необходимые данные

приведены в первых двух строках табл.
зультат

-

дены

соответствующие

3,

а ре­

в третьей. Также для сравнения приве­

(Mallard, et al., 1998)

справочные

данные

для температуры

298,15

К.

Во-первых, отметим хорошую точность выбран­
ного

метода вычислений.

Во-вторых, результат

согласуется с положением соответствующего экс­

периментального пика

Elfil(H")

= 1,2 эВ

(Scheer

et al., 2007).
Поскольку муравьиная и уксусная кисло­
ты, в отличие от рассмотренных неорганических
оксикислот,

содержат по два типа атомов водо­

рода (связанный с атомом кислорода и связанный
с атомом углерода), стоит проверить, какой имен­

но отрывается в результате ДЗЭ. В литературе

(Scheer et al., 2007)

есть упоминания того, что

в муравьиной кислоте энергии связей 0-Н и С-Н,
а также сродства к электрону образующихся при
их гомолитическом разрыве радикалов

(обозна­

чим их нсоо· и соон· соответственно) указы­
вают на то, что атом водорода образуется именно
в результате диссоциации связи 0-Н. Для расчета

энергии ДЗЭ с отрывом атома водорода, связанного
с атомом углерода, мы также использовали фор­
мулу

Необходимые данные приведены во вто­

6.

рой и четвертой строках табл.

3,

результат

в

-

пятой. При этом

уча­

стия в изучаемых процессах находится за преде­

лами чувствительности приборов, а при рН

ЛG~tлсо-ю(НСООН) < ЛG~tлсс-ю(НСООН),

< 1

гидроксоний может вносить существенный вклад,

что согласуются с тезисом о том, что атом водо­

например, в образование атомов водорода, что

рода образуется из связи 0-Н. В водной среде си­

помогает объяснить вышеупомянутую высокую

туация

интенсивность сигнала ЭПР атома водорода в экс­

приведены в строках

периментах

(Бржевская,

и др.,

et al" 2008; Nedelina, et al., 2011)
той при рН < 1.

2008; Nedelina,
с серной кисло­

диссоциативного

захвата

77 К

электрона

с

энергия

отрывом

Соответствующие

данные

6 и 7 табл. 3.

Для уксусной кислоты в газовой фазе известен
четкий пик ДЗЭ с образованием атома водорода

Eg1ifl(H

Тот факт, что в водной среде только для анио­

на борной кислоты при температуре

аналогична.

0
)

= 1,5 эВ

Его связы­

(Sailer et al., 2003).

вают с захватом электрона на орбиталь

LUMO+ 1,

с чем согласуются результаты наших вычислений

(см. табл. 1). Энергия ДЗЭ с образованием н· при

атома водорода положительна, позволяет объяс­

разрыве связи 0-Н вычислялась по формуле

нить низкую интенсивность сигнала ЭПР атома

Необходимые данные приведены в строках

водорода в экспериментах с борной кислотой при

табл.

3,

результат расчета

-

в строке

9.

2

и

6.
8

Энергия


362

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

ДЗЭ с образованием н· при разрыве связи С-Н

на терминальный акцептор (донор~ [МО&--If+] 4

вычислялась по той же формуле. Необходимые

~ акцептор) в условиях, когда молекулы окси­

данн;~е приведены в строках

ре­

кислоты посредством водородных связей образу­

Полученные данные указы­

ют электронтранспортную сеть, по которой элек­

зультат

-

в строке

11.

вают на то, что пику ДЗЭ при

2

и

10

табл.

3,

соответст­

Efrifl'(H")

трон может попасть на вторичный акцептор.

вует диссоциация именно связи 0-Н. В водной

Выявление нашими исследованиями прямого

среде также предпочтительным путем ДЗЭ уксус­

акцептирования электрона группой ОН, активи­

ной кислотой с образованием н· является тот, в ко­

рованной водородными связями и создающей в

тором разрывается связь 0-Н. Соответствующие

среде направляющую тропу связанных кислотных

данные приведены в строках

электрофильных протонов мо&--Н 8+, перенося­

12 и 13

табл.

3.

Что касается общих закономерностей, то для
рассмотренных

неорганических

кислот

(кроме

щих электрон, позволяет обсуждать ее непосред­
ственное

участие

в

межмолекулярном

переносе

аниона борной В(ОН)4) видна четкая линейная

электрона в биологических и химических систе­

корреляция между сродством к электрону и таки­

мах. Следует отметить, что на самых ранних эта­

ми

длина

пах добиологической эволюции именно молеку­

связи 0-Н, частота ее колебаний, атомный заряд

лярные анионы являются ведущими реагентами в

на протоне и значение рКа (см. рис.

образовании молекул, необходимых для зарожде­

характеристиками

оксикислоты,

как

6).

При этом

точки, соответствующие органическим муравьиной

ния жизни, в том числе воды

(Thomas, 2008).

и уксусной кислотам, лежат вблизи этих прямых.

Особенно важным является не имеющее пока

Выпадение аниона борной кислоты из общего ря­

прецедента обнаружение этого электронного пе­

да тетраэдрических

с

реносчика в водной конденсированной среде, мо­

тем, что только в нем в стабилизации избыточного

делирующей абиогенные условия. Это указывает

заряда в молекуле участвуют сразу три протона,

на

которые в результате перестройки молекулы «со­

ность строения химических и биологических элек­

бираются» на одной ее стороне (см. рис.

тронтранспортных цепей, в которых молекуляр­

кислот,

возможно,

связано

5).

Рас­

очень

рано

сформировавшуюся

смотрение большего количества тетраэдрических

ные

кислот позволит ответить на вопрос, разбиваются

ретрансляторов

ли они на два подкласса по количеству протонов,

(в том числе мембранных) средах.

участвующих в стабилизации избыточного элек­

анионы

выполняют

в

роль

консерватив­

одноэлектронных

гомогенных

и

гетерогенных

Введение в поле зрения молекулярного аниона,

способного к направленной доставке низкоэнер­

трона или нет.

Обнаруженные линейные корреляции сродст­

гетического

электрона

в

локус

синтеза

химиче­

ва к электрону со свойствами связи 0-Н и показа­

ских связей, может прояснить как многие меха­

телем кислотности рКа подтверждают тот факт,

низмы реакций абиогенеза, так и молекулярного

что в роли активного центра при захвате электро­

механизма действия АТФ-синтетазы.

на выступает связанный протон ОН-группы. От­
метим, что линейная связь сродства к электрону с
величиной рКа согласуется с озвученным ранее

Литература

другими исследователями наблюдением о том, что

более сильная кислота по Льюису зачастую ока­
зывается более сильной кислотой по Бронстеду

Таким образом, экспериментально и теорети­
выявлено

прямое

участие

молекулярного

аниона [МОН]· в качестве интермедиата одноэлек­
тронного

переноса

между

дистанционно

разде­

ленными донором и акцептором, осуществляемое
посредством

первичного

захвата

низкоэнергети­

Дегтярев Е. Н.,

Журавлева Т С.,

Зубков А. С., Клименко И. В., Шекшеев Э. М, Не­
делина О. С.

(Gupta et а/., 2007).
чески

Бржевская О. Н.,

Диссоциативный захват фото­

(2008)

электронов как модель акцептирования низкоэнер­

гетических электронов в биохимических реакци­

ях// Докл. Акад. Наук. Т.
Галимов Э. М

(2009)

420.

С.

406-411.

Феномен жизни: между равно­

весием и нелинейностью. Происхождение и прин­
ципы эволюции. М.:

URSS. 256

с.

Неделина О. С., Бржевская О. Н., Дегтярев Е. Н.

(2009)

ческого фотоэлектрона связанным кислым прото­

Неорганические оксикислоты АО 0--Н 0+ как одно­

ном оксикислоты с последующим его переносом

электронный ретранслятор в механизме кислот-


О. С. Неделина и др. Молекулярные анионы в формировании электрон-транспортных цепей

ного

катализа

окислительно-восстановительных

реакций// Докл. Акад. Наук. Т.

428.

№

4.

С.

474-

479.
Рубин А. Б.

(2004)

Т.

1:

Теоретическая

Учебник. Издательство МГУ.
Сент-Дьердьи А.

(1971)

Aflatooni К., Scheer А.

биофизика:

464 с.

Биоэлектроника. М.: Мир.

Bиrrow Р D. (2008) Total
dissociative electron attachment cross sections for
molecular constituents of DNA// J. Chem. Phys.
V. 125. Р. 054301.
Вickmore Barry R. (2006) Bond-valence methods for
рКа prediction. П. Bond-valence, electrostatic, тole­
cular geoтetry, and solvation effects // Geochiтica et
CosтochiтicaActa. V. 70. Р. 4057--4071.
Bиrrow Раи/ D., Gallиp Gordon А., Modelli Alberto (2008)
Are There л* Shape Resonances in Electron Scattering
froт Phosphate Groups? // J. Phys. Chem. А. V. 112.
Р. 4106--4113.
Closs G. L. Miller J. R. (1988) Intraтolecular Long-Distance Electron Transfer in Organic Molecules // Science, New Series. V. 240. № 4851Р.440--447
Cossi М (1996) АЬ initio study of solvated тolecules:
А new iтpleтentation of the polarizaЫe continuuт
тodel // Сhет. Phys. Lett. V. 255. Р. 327-335.

Drobner Е.,
Stetter К.

М,

НиЬеr Н.,
О.

Wiichtershiiиser G, Rose D.,
( 1990) Pyrite formation linked with hy-

drogen evolution under anaeroЬic conditions // Nature. V. 346. Р. 742-744.
Dunning Т. Н. (1989) Gaussian basis sets for use in
correlated тolecular calculations. I. The atoтs boron
through neon and hydrogen // J. Сhет. Phys. V. 90.
Р. 1007-1023.
Ferris J. Р, Hill А. R., Liи R., Orgel L. Е. (1996) Synthesis of long preЬiotic oligoтers on тineral surfaces //
Nature. V. 381. Р. 59-61.
Gohlke S., Abdoиl-Carime Н., lllenberger Е. (2003) Dehydrogenation of adenine induced Ьу slow (<3 eV)
electrons // Cheтical Physics Letters. V. 380. Р. 595599.
Gray Н. В., Winkler J. R. (2005) Long-range electron transfer // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. V. 102. Р. 3534-3539.
Gи Jiande, Xie Yaoming, Schaefer Henry F (2006) Near
О eV Electrons Attach to Nucleotides // J. Ат. Сhет.
Soc.2006. V. 128.Р. 1250-1252.
Gиpta К. (2007) Are Strong Bronsted Acids Necessarily
Strong Lewis Acids? // Joumal of Molecular Structure: ТНЕОСНЕМ. V. 812. Р. 13-24.
Head-Gordon М, PopleJ. А., Frisch М J. (1988) МР2
energy evaluation Ьу direct тethods // Сhет. Phys.
Lett. V. 153. Р. 503-506.
Huber С, Wiichtershiiuser G. (1997) Activated acetic acid
Ьу carbon fixation on (Fe, Ni)S under priтordial conditions // Science. V. 276. Р. 245-247.

НиЬеr С, Wiichtershiiиser

363

G. (2006) Hydroxy and aтino
acids under possiЫe Hadean, volcanic origin-of-life
conditions // Science. V. 314. Р. 630--б32.
Huber С, Wiichtershiiиser G. (1998) Peptides Ьу activation of aтino acids with СО: implications for the
origin oflife // Science. V. 281. Р. 670-672.
Klotz 1. М (1986) Introduction to Biomolecular Energetics. N. У.: Acad. Press. 138 р.
Krishnan R. (1980) Self-consistent тolecular orЬital тeth­
ods. ХХ. А basis set for correlated wave functions
(Joumal] // J. Сhет. Phys. V. 72. Р. 650-654.
Kиrinovich Mary Апп and Lee Jeehiиn К. (2000) The
Acidity of Uracil froт the Gas Phase to Solution: The
Coalescence of the Nl and N3 Sites and Iтplications
for Biological Glycosylation // J. Ат. Сhет. Soc.
V. 122. Р. 6258--6262.
Li Xifeng, Sevilla Michael D., Sanche Leon (2003) Density Functional Theory Studies of Electron Interaction
with DNA: Can Zero eV Electrons Induce Strand
Breaks? // J. Ат. Сhет. Soc. V. 125. Р. 13668-13669.
Liptak Matthew D., Shields George С (2001) Accurate
рКа Calculations for Carboxylic Acids Using Coтp­
lete Basis Set and Gaussian-n Models Combined with
СРСМ Continuum Solvation Methods // J. Ат.
Сhет. Soc. V. 123. Р. 7314-7319.
Mallard W G., Linstrom Р J. (1998) NIST Standard Reference Database [Online] // NIST Cheтistry WebBook.
Gaithersburg: National Institute of Standards and
Technology. 1998. [Online] http://webbook.nist.gov.
Marcus R. А. (2007) Н and Other Transfers in Enzymes
and in Solution: Theory and Coтputations, а Unified.
View. 2. Applications to Experiтent and Coтputa­
tions // J. Phys. Сhет. В. V. 111. Р. 6643-6654.
Mulliken R. S. (1955) Electronic Population Analysis on
LCAO-MO Molecular Wave Functions // J. Сhет.
Phys. V. 23. Р. 1833-1840.
Nedelina О. S., Brzhevskaya О. N., Degtyarev Е. N. (2011)
Atoтic Hydrogen trapping as а Probe of Intraтole­
cular photoelectron transfer тediated Ьу bound acidic
proton in oxyacid АОо.--Н 8+ // Subтitted Oxidation
Communications.
Nedelina О. S.,
Brzhevskaya О. N.,
Degtyarev Е. N.
(2009) Inorganic oxyacids АО 0--Н8+ as one-electron
relay in acid catalysis of redox reactions // Doklady
Cheтistry. V. 428. Р. 233-237.
Nedelina О. S., Brzhevskaya О. N., Degtyarev Е. N. Zublwv А. S. (2008) Dissociative Attachтent of Low-energy
Electrons (Ьelow Ionisation or Electronic Excitation
Тhresholds) in Frozen Aqueous Phosphate Solutions //
Oxidation Coтmunications. V. 31. Р. 786-797.
Neta Р, Schuler R. Н. (1972). Effect oflonic Dissociation
of Organic Coтpounds on their role of reaction with
hydrogen atoтs // J. Phys. Сhет. V. 76. № 19. Р. 26732678.


364

Глава

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

Nguyen Minh Tho, Chandra Asit К., Zeegers-Huyskens
(1998) Protonation and deprotonation energies of
uracil Implications for the uracil-water complex //
J1Chem. Soc., Faraday Trans. V. 94. Р. 1277-1280.
Niessen W von, SchirmerJ., Cederbaurn L. S. (1984) Computational methods for the one-particle Green's function //Сотр. Phys. Rep. V. 1. Р. 57-125.
Prabhudesai V. S., Kelkar А. Н, Nandi D, Krishnakurnar Е. (2005) Functional Group Dependent Site Specific Fragmentation of Molecules Ьу Low Energy
Electrons // Phys. Rev. Lett. V. 95. Р. 143202 (1--4).
Rappe А. К. et al. (1992) UFF, а full periodic tаЫе force
field for molecular mechanics and molecular dynamics simulations // V. 114. Р. 10024-10035.
Rice S. А. (1980) Do Excess Electrons Migrate from Trap
to Trap in Low Temperature Molecular Glasses?
Some Energetic and Кinetic Considerations // J. Phys.
Chem. V. 84. Р. 1280--1286.
Rustad J. R., Dixon D. А., Kublcki J. D., Felrny А. R. (2000)
Gas-Phase Acidities of Tetrahedral Oxyacids from аЬ
Initio Electronic Structure Тheory // J. Phys. Chem. А.
V. 104. Р. 4051--4057.
Sailer Wolfgang et al. (2003) Dissociative electron attachment to acetic acid // Chem. Phys. Lett. V. 378. Р. 250-256.
Sastre G" Lewis D. W, Corma А. (2000) Тhе role of the
electrostatic potential, electric field and electric field
gradient on the acidity of AFI and СНА zeotypes //
Physical Chemistry Chemical Physics V. 2. Р. 177185.
Scheer А. М et а/. (2007) Total dissociative electron
attachment cross sections of selected amino acids //
J. Chem. Phys. V. 126. Р. 174301.

Simons Jack (2008) Molecular Anions // J. Phys. Chem.
А. V. 112. Р. 6401-6511.
Smiechowski М, Gojdo Е, Stangret J. (2009) Systematic Study of Hydration Pattems of Phosphoric (V) acid and its Mono-, Di-, and Tripotassium Salts in
Aqueous Solution // J. Phys. Chem. V. 113. Р. 7650-7661.
Sun Xuejun and Lee Jeehiun К. (2008) Acidity and Proton Affinity of Hypoxanthine in the Gas Phase versus
in Solution: Intrinsic Reactivity and Biological Implications // J. Org. Chem. V. 72. Р. 6548-6555.
Thomas R. D. (2008) When electron meet molecular ions
and what happens next: dissociative recomЬination
from interstellar molecular clouds to intemalar combustion engines // Mass Spectrometry Reviews. V. 27.
Р. 485-530.
Tonzani Stefano, Greene Chris Н (2006) Low-energy
electron scattering from DNA and RNA bases: Shape
resonances and radiation damage // J. Chem. Phys.
V. 124. Р. 054312.
TzagoloffА. (1982) Mitochondria. N. У.: Plenum Press.
342р.

Vasil'ev У V., Figard В" Voinov V. G., Baroftky D. F,
Deinzer М L. (2006) Resonant electron capture Ьу
some amino acids and their methyl esters // J. Ат.
Chem. Soc. V. 128. Р. 5506-5515.
Wiichtershauser G. (1988) Pyrite formation, the first energy source for life: а hypothesis // Syst. Appl.
Microblol. V. 10. Р. 207-210.
Zakharenko А. А., Karthikyan S., Кiт К. S. (2008) АЬ
Initio Study of Different Acid Molecules Interacting
with Н2 0 // [Online] Comell University Library
arXiv.org. http://arxiv.org/pdf/0802.0625v 1.


ЛЮМИНЕСЦЕНТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРВИЧНЫХ СТАДИЙ ХИМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ
С УЧАСТИЕМ ПРОЧНОСВЯЗАННЫХ СТЭКИНГ-АГРЕГАТОВ АДЕНИНА И УРАЦИЛА

В. Л. Рапопорт, В. М Малкин, Е. А. Сафаргалеева,
К. И Решетова, В. В. Горючко
НИИ физики им. В. А. Фока физического факультета СПбГУ.
victor.rapoport@paloтa.spbи.ru

Ранее люминесцентным методом нами бьши обнаружены прочносвязанные стэкинг-агрегаты нуклеино­
вых оснований в воде, не распадающиеся даже при

85-90

°С

[1].

Было предположено, что они могли играть

роль предшественников РНК в химической эволюции, и была предложена схема их бесферментного размно­
жения при циклических нагревах и охлаждениях (от
И-связей, например, для аденина и тимина

7

1-2

°С, где образуются Н-связи, до температуры разрыва

°С) смешанных растворов комплементарных оснований

[1].

Эта

схема экспериментально проверялась для смеси аденина и урацила (С= 10-3 М, рН = 7).
В первоначальном эксперименте использовалось непрерывное освещение смеси для регистрации концен­

трации стэкинг-димеров по интенсивности их люминесценции. Показано, что в этих условиях можно наблю­
дать как рост, так иногда и падение концентрации при циклических нагревах и охлаждениях. Обнаружено, что
при замене непрерывного освещения на редкие короткие засветки наблюдается только монотонный рост кон­

центрации стэкинг-димеров. Влияние света объяснено в рамках усовершенствованной схемы размножения
стэкинг-димеров, включающей точку бифуркации, в которой без света на матрице одного димера из двух ком­
плементарных мономеров образуется новый димер, а при поглощении кванта света димер-матрица диссоции­
рует в поле двух мономеров, присоединенных к матрице И-связями.

Как показано ниже, роль предшественников РНК и

Введение

первых генетических матриц могли

играть

проч­

Проблема происхождения жизни является од­

носвязанные стопочные агрегаты азотистых осно­

ной из важных проблем естествознания. Основ­

ваний в воде, обнаруженные нами по люминес­

ным качеством живых систем является способ­

ценции (Рапопорт и др"

2006).

ность к размножению матричным способом на ос­

Известно, что азотистые основания нуклеино­

нове комплементарности аденина и тимина (ура­

вых кислот в воде образуют стопки (стэкинг-агре­

цила) и гуанина и цитозина. В настоящее время

гаты ), но они легко распадаются при нагреве (Зен­

известной простейшей системой, обладающей этим

гер,

1987).

В нашей работе (Рапопорт и др"

2006)

свойством, является молекула РНК («мир РНК»).

описаны обнаруженные по спектрам люминесцен­

Однако принято считать, в частности, из-за отно­

ции и ее возбуждения прочносвязанные стопочные

сительно

агрегаты аденина и аденозина в водных растворах,

короткого

времени

жизни

рибозы

в

предбиотических условиях, что миру РНК пр~д­

сохраняющиеся при

шествовали более простые органические репли­

стэкинг-агрегаты в динуклеотиде АрА распадаются

кативные системы

(Joyce et al., 1987).

Природа

85

°С, в то время как обычные

наполовину по данным УФ- и КД-спектроскопии

предшественников РНК обсуждается. Предпола­

уже при

галось, что ими могли быть или более простые по­

ных нами стэкинг-агрегатов характерны полосы лю­

лимеры

с

минесценции с максимумами в области

кольцом

(Joyce et al" 1987)

аналогами

нуклеозидов

с

открытым

27 °С (Powell et а/" 1972).

Дпя обнаружен­

400---500 нм

или полипептидные

и экситонные спектры возбуждения с расщепле­

нуклеиновые кислоты, где сахара-фосфатные цепи

нием 3000---4000 см-1, что соответствует межпло­

'Заменены на полипептидные

скостному расстоянию~ 3 А (плотная упаковка).

(Nielsen et al" 1991).


366

Глава

111. Теоретические

и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

<=••••
<=••••

димера (рис.

Тhу

Ade

мина (урацила) стэкинг-димера аденина.

/0°с/

В последующей работе нашей группы бьmи
обнаружены

Тhу

Естественно, возможен и обрат­

ный процесс: образование на стэкинг-димере ти­

а)

8Na+

8Na+

1).

прочносвязанные

стэкинг-димеры

других азотистых оснований в воде (тимин, ура­

б)

цил, гуанин), а также цитидина и двух нуклеоти­

jo cj
0

дов АМФ и ТМФ (Рапопорт и др.,

2008).

Их

спектры люминесценции и ее возбуждения лежа­
ли в тех же областях, что и спектры стэкинг-ди­

Тhу

Ade

меров аденина и аденозина, и они также были ус­
тойчивы даже при

85-90

°С.

Затем была начата экспериментальная про­
верка предложенной схемы размножения прочно­
связанных

Ade

стопочных

димеров

в

системе

аде­

нин+урацил в их смешанном водном растворе при
Рис.

1.

Образование стэкинг-димера

Thy (Ura) из двух мо­

номеров

Thy (Ura) на стэкинг-димерах Ade с уча­
0
стием двух ионов Na + при Т - О С с образованием
дуплекса и его развалом на два стэкинг-димера при

нагреве до Т ~

°С (Рапопорт и др.,

6

2006)

циклических охлаждениях и нагревах в пределах

2-1 О

0

С. Были обнаружены два явления, подтвер­

ждающие схему размножения. Во-первых, при на­
греве смешанного раствора, заранее охлажденного

до

димеров очень мала, они не дают заметного вклада

2-3 °С и выдержанного при этой температуре
30 мин, вместо температурного тушения наблю­
далась вспышка люминесценции при 5-7 °С, что

в спектр поглощения, но видны в люминесценции

было объяснено разрывом И-связей между проч­

за счет относительно высокого квантового выхода

носвязанным стопочным димером одного основа­

Концентрация

прочносвязанных

стопочных

их люминесценции (квантовые выходы люминес­

ния (матрица) и вновь образованным из двух мо­

ценции азотистых оснований в воде составляют

номеров при

2-3

°С стопочным димером компле­

всего 10-4, и такая слабая люминесценция иссле­

ментарного основания (рис.

дуется лишь несколькими группами в мире).

И-связи тушат люминесценцию. Температура раз­

Стабильность

флуоресцирующих

2),

т. к. известно, что

стэкинг­

рыва И-связей в мини-спирали из стопочных ди­

агрегатов позволяет рассматривать их в качестве

меров аденина и урацила не противоречит литера­

предшественников РНК в молекулярной эволю­

турным

ции (прото-РНК) и первых генетических матриц с

диссоциации двойных спиралей из олигонуклео­

участием оснований.

по

зависимости

стэкинг-агрегатов при цикли­

тида. Эта температура падает от
меров до

1О

0

из

ных

ких олигонуклеотидов данных нет.

пределах от

1 °С

комплементарных

оснований

в

до температуры разрыва И-свя­

зей (Рапопорт и др.,

2006).

Механизм основан на

8

°С для поли­

49

С для олигонуклеотидов, состоящих

ческих нагревах и охлаждениях смешанных вод­

растворов

температуры

тидов аденина и урацила от длины олигонуклео­

Нами бьm предложен бесферментный меха­
низм размножения

данным

мономеров (Зенгер,

1987).

Для более корот­

Во-вторых, при циклических нагревах и ох­

лаждениях

(2-1 о

0

С) смешанных растворов аде­

предположении, что при низкой температуре на

нин+урацил был обнаружен предсказанный рост

прочносвязанном стопочном димере (или другом

концентрации

агрегате) одного из комплементарных оснований

сивности

из мономеров может собираться прочносвязанный

нальна

димер другого комплементарного основания. При

растворов

этом при низкой температуре образуются И-связи

рост, а падение концентрации стэкинг-димеров в

между комплементарными основаниями, которые

тех же условиях эксперимента. Поиск природы

стэкинг-димеров

люминесценции,

концентрации

(D :::;

для

по

росту

которая

интен­

пропорцио­

неконцентрированных

О, 1). Однако иногда наблюдался не

рвутся при последующем нагреве, что приводит к

этой невоспроизводимости явился содержанием

освобождению вновь сформированного стэкинг-

этой работы.


В. Л. Рапопорт и др. Люминесцентное исследование первичных стадий химической эволюции

1,

367

ОТН. ед.

0,30
во

1,7°

0,25

I

Рис.

2.

45

40

35

время, мин

Кинетика интенсивности люминесценции стэкинг-агрегатов аденина и урацила при нагреве их смешанного раство­

ра. с-=

1.

Cua =1,5·10-З М, рН=7,О, Авоэб =320 нм, Арег =410 нм. Цифры вдоль кривой - температура раствора в С
0

вались стандартные фирменные кюветы 1х1 см

Техника эксперимента

из нелюминесцирующего кварца.

В работе использовались урацил и аденин фир­
мы

«Serva» без дополнительной очистки.

В качестве

Для изучения температурных зависимостей
интенсивности

люминесценции

использовалась

растворителя использовалась вода (бидистиллят),

специально изготовленная приставка к прибору,

причем

основанная на эффекте Пельтье и позволяющая

интенсивность

рамановского

рассеяния

в ней превосходила люминесценцию примесей в

получать температуры в интервале от

20-50 раз.

+90

При такой чистоте воды интенсивность

люминесценции растворителя с фосфатным буфером

ском

(Nа2НРО4: NаН2 Р0 4 производства фирм «Sigmю> и

температуру кюветы с точностью до

«CalЬiochem>>) для поддержания рН =

намическом

=

260 нм

бьmа не более

1115-1125

7,0

при А.озб =

от интенсивности

пика рамановского рассеяния, составляя менее

115

от интенсивности люминесценции образца при кон­

цеmрации хромофоров 5 · 10- -10-2 М, и вычиталась
5

режиме

либо

приставка

режиме

охлаждаться

удерживает

кювета

(до

°С до

4

заданную

0,1

может

заранее

температуры) со скоростью до

°С. В ди­

нагреваться

установленной

°С в минуту (как

правило, использовалась скорость нагрева
минуту).

Основные

исследования

интервале температур

из суммарных спектров.

-50

°С, работающая в двух режимах. В статиче­

2-1 О

0

1 °С

проведены

в
в

С. Полосы люминес­

Все спектры люминесценции и их интенсив­

ценции стэкинг-димеров аденина и урацила пере­

ность были зарегистрированы с помощью спек­

крываются, поэтому измерялась их суммарная ин­

трофлуориметра

тенсивность,

«Hitachi-850»

(Япония) с ксено­

пропорциональная

концентрации.

новой лампой в качестве источника света. В при­

При этом вклад стэкинг-димеров аденина был

боре использован двойной монохроматор возбуж­

примерно в

дения, благодаря чему доля рассеянного света не

урацила.

превышает

0,00001

3 раза

больше, чем стэкинг-димеров

от интенсивности света выде­

ленной полосы. Для регистрации люминесценции

используется светосильный монохроматор реги­

2.

Результаты и обсуждение

страции. Прибор оборудован встроенным процес­
сором, позволяющим получать корректированные

Как было сказано выше, при циклических на­

спектры испускания и возбуждения. В процессе

гревах и охлаждениях

юмерений проводилась коррекция спектров по

творов аденин+урацил можно получить рост, па­

методу квантового счетчика (с родамином-Б).

дение

Исследовались смешанные растворы аденина
11

урацила с концентрациями 1 · 10- М. Исполыо3

или

(2-1 о

неизменность

0

С) смешанных рас­

концентрации

димеров от цикла к циклу (рис.

3).

стэкинг­

В этих опытах

использовалось непрерывное освещение образца


Глава

368

111. Теоретические и экспериментальные

исследования предбиологических химических систем

:I:

1-

~ 14

-·

10

------------------------·--10

---·------

- - - - - - --- - - - - - -

·-

I

g:

2

- - -

2

3

•
•
-

g:

•

.

I
3

номер оnыта

•

-

-- - - -·- - - - - - --- - -

12

номер оnыта

:i 38
ь

--

I

3

2

<.5

номер оnыта

48

:i

1о

_:

111

<.5

-.- -"_ -

...

i - -111...

46

I

36

I
44
о

4

3

2

2

4

3

Рис. З.

5

номер оnыта

номер оnыта

Изменение концентрации стэкинг-димеров аденина и урацила при циклических нагревах и охлаждениях

смешанного раствора (приведены 5 серий с качественно различным поведением концентрации).
без буфера (рН "'6,0), ЛвозБ =310 нм, ЛРЕг =420 нм, постоянное освещение
светом,

возбуждающим

люминесценцию.

Было

раста образца. Из рис.

6

CAde

(2-10

°С) их

= Сuга = 10-З М,

видно, что старение об­

показано, что невоспроизводимость знака эффек­

разца приводит к падению положительного эф­

та наблюдается как в образцах с буфером (рН

фекта примерно в

(рис.

так и в образцах без буфера (рН

7,0)
6,0)

1,5 раза

за

1 месяц

хранения

образца в холодильнике, но знак эффекта при

Для образцов с буфером была проведена

этом не меняется. Присутствие буфера в растворе

серия измерений, в каждой из которых была

также не меняло качественно невоспроизводимо­

(рис.

21

4),
3).

определена средняя скорость относительного из­

сти результатов (сравните рис.

менения

постоянного освещения образца при циклических

концентрации

стэкинг-димеров

счете на один цикл. На рис.

5 приведены

в

пере­

данные о

частоте наблюдения той или иной скорости изме­
нения концентрации стэкинг-димеров в

Из рис.

5

21

серии.

видно, что падение концентрации на­

блюдается довольно редко

(3

менность концентрации

серии), в большинстве

серий

(14)

(4

серии), как и неиз­

наблюдался рост концентрации, при­

нагревах

и

охлаждениях

3

резко

и

4).

Исключение

повлияло

на

ре­

зультаты: исчезли случаи отрицательных эффек­
тов,

результаты

На рис.

7

стали

хорошо

воспроизводимы.

показана типичная кривая роста концен­

трации стэкинг-димеров аденина и урацила с чис­

лом циклов нагрева и охлаждения

(2-1 о

0

С), полу­

ченная в опыте, где освещение образца для измере­

чем в большинстве случаев относительная ско­

ния интенсивности люминесценции производилось

рость роста концентрации составляла

короткими засветками

1-3 %

за

цикл. Обычно в серии бьшо

длящийся около

общий эффект составлял

0,5

часа при

но

до

2

3-5 циклов, так что
3-15 %, что сушествен­
выше погрешности эксперимента;::: 1-2 %.
Нами рассматривались три возможные при­

чины невоспроизводимости результатов:

ние образца,

2)

влияние буфера и

3)

1)

старе­

влияние све­

та, возбуждающего люминесценцию. На рис.
показана

зависимость

относительной

6

скорости

изменения концентрации стэкинг-димеров от воз-

(1-2

мин)

5 раз

за цикл,

1 часа (выдерживание образца
2 °С, нагрев до 1О С и охлаждение
0

°С). Таким образом, было установлено, что

диссоциация стэкинг-димеров требует поглоще­
ния света, возбуждающего люминесценцию.
Этот результат позволил нам усовершенство­
вать схему размножения стэкинг-димеров, пред­

ставленную на рис.

1. Мы

предполагаем, что после

образования И-связей между двумя мономерами


369

В. Л. Рапопорт и др. Люминесцентное исследование первичных стадий химической эволюции

r:i
~

g:

13

:i::

1-

0_

"

11

ь

'~

12

с5 11

с5

1r,,

10
9
8

-·-

10

I

9

,._

8

_"
_"

I

7

7
о

о

2

2

номер оnыта

r:i
Q)

"
ь

•

_: 10

g:

•

11

с5

номероnыта

•

9

" 11
ь

с5

I

....

10

•

8

• .....

•

--•

•

2

3

•
I

....

7

9

6
4

3

2

5

6

номер оnыта

Рис.

n

4.

4
номер оnыта

Изменение концентрации стэкинг-агегатов аденина и урацила при циклических нагревах и охлаждениях (2-10 °С)
3
их смешанного раствора (приведены 4 серии с качественно различным поведением концентрации). Сме =Сига= 10- ,
с буфером (рН=7,0), ЛвозБ = 340 нм, ЛРЕГ = 530 нм (большие стэкинг-агегаты)

~

4
v, %

3

•4

2

.5- - -

•2

2

•3

О+--~~~~~~~~~~~~~~~~-

0

о~~~~~.._,...&.-',.......+-''тL--+--т"....,_~....,.~~~~~+-~~

-6
Рис.

-4

5.

о

-2

2

4

8

6

10

12

Число серий (п) с данной скоростью изменения кон­
центрации

стэкинг-димеров

аденина

и

10

20

урацила

30

40

возраст образца, дни

v, %
Рис.

в

6.

Зависимость относительной скорости

(v)

изменения

концентрации стэкинг-димеров аденина и урацила при

зависимости от величины этой скорости, усреднен­

ЦИКЛИЧеСКИХ нагревах И ОХЛаждеНИЯХ

ной по серии

смешанного раствора от возраста образца с момен­

(v) при циклических нагревах и охла­
ждениях (2-10 °С) их смешанного раствора. Сме =
Cura 10-З М, рН=7,0, ЛвозБ 310 НМ, ЛРЕГ 420 НМ,

=

=

=

- число циклов
измерений. с_= Cura =10...з М, рН = 7,0, ЛвоЗБ =310 нм,
ЛРЕr = 420 нм, постоянное освещение

аденина и урацила и стэкинг-димером аденина и

цесс идет по схеме рис.

урацила (рис.

чае

система оказывается в точке

°С) ИХ

та растворения. Цифры около точек

=

постоянное освещение

8, 3)

(2-10

поглощения

1 (рис. 8, 4,

кванта

слева). В слу­

света старым

стэкинг­

бифуркации. Если за время перехода в стэкинг­

димером до перехода в стэкинг-димер двjх моно­

димер двух мономеров аденина и урацила старый

меров аденина и урацила возбужденный старый

стэкинг-димер не поглощает кванта света, то про-

стэкинг-димер теряет плотную упаковку (рис.

8, 4,


370

Глава

111. Теоретические

и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

Ura

1.

2.9А]«В
Ade

Рис.

8.

Ura

Модифицированная схема процессов в смешанном растворе аденина и урацила:
мономеров аденина и урацила со стэкинг-димером аденина и урацила

димера

(2 °С, без света), 4 -

плотная упаковка нового димера при

(2

2 °С без света (слева) или потеря плотной упа­

ковки старым димером при поглощении системой кванта света (справа),

стэкинг-димеров друг от друга (разрыв Н-связей) при нагреве
ных стэкинг-димеров на мономеры

(?.6

(?. 6

1, 2 - образование Н-связей двух
- образование нового стэкинг­

°С), З

5-

освобождение плотноупакованных

°С) (слева) или диссоциация неплотноупакован­

°С) (справа)

завершая процесс образования нового стэкинг­

~

димера на матрице старого (рис.

...

:i:

о

~

8, 5,

слева), а стэ­

кинг-димеры в состоянии без плотной упаковки мо­

180

с5

гут диссоциировать на мономеры (рис.

8, 5,

справа).

Заключение
Изучены три возможные причины невоспро­

изводимости знака эффекта изменения концен­
о

2

3

4

5

6

трации

номер цикла

Рис.

7.

стэкинг-димеров

аденина и урацила при

циклических нагревах и охлаждениях

Рост концентрации стэкинг-димеров аденина и ураци­

их смешанного раствора:

ла при циклических нагревах и охлаждениях

(2-10 °С)

2)

их смешанного раствора. Регистрация при

0

1О

С. с_

=

=Cura =10-3 М, рН =7,0, ЛвоэБ =310 НМ, ЛРЕГ =420 НМ,
короткие засветки

влияние возраста образца,

1) влияние
3) влияние

(2-1 о

0

С)

буфера,
постоян­

ного освещения в процессе опыта светом, возбу­
ждающим люминесценцию. Показано, что невос­
производимость связана с влиянием постоянного

справа). Таким образом, в случае без возбуждения

освещения

и

объяснена

тем,

что

поглощение

светом старый плотноупакованный димер служит

кванта

матрицей для образования нового, также плотно­

ным с двумя мономерами урацила И-связями, мо­

упакованного, димера. В случае же поглощения

жет привести к диссоциации стэкинг-димера аде­

кванта света новообразованный димер (без плот­

нина. В опытах с короткими редкими засветками

ной упаковки) может служить матрицей, застав­

для

ляющей старый димер перейти также в состояние

удалось получить воспроизводимый и монотон­

света

стэкинг-димером

измерения

концентрации

аденина,

связан­

стэкинг-димеров

без плотной упаковки. При повышении температу­

ный рост их концентрации при циклических на­

ры раствора

(?:6 °С)

происходит разрыв Н-связей,

гревах и охлаждениях. Предложена модифициро­

плотноупакованные

стэкинг-димеры расходятся,

ванная

схема

процессов

в

смешанном

растворе


В. Л. Рапопорт и др. Люминесцентное исследование первичных стадий химической эволюции

аденина и урацила, в которой могут протекать два

ческой эволюции

конкурирующих процесса:

биосферы/ Ред. Э. М. Галимов. М:

стэкинг-димера урацила
ция стэкинг-димера

1) образование нового
(без света), 2) диссоциа­

аденина, связанного И-свя­

зями с двумя мономерами урацила, при поглоще­
нии им кванта света.

Рапопорт В. Л.,
ров СМ,

(1987)

Принципы структурной организации

584 с.

Рапопорт В. Л., Малкин В. М, Быков Н. А., Горючка В. В.

(2008)

Малкин В. М,

URSS.

эволюция
С.

169-178.

Зорина С В.,

(2006)

прочносвязанных

Кома­

Люминесцентное
стэкинг-агрегатов

аденина и аденозина в водных растворах

-

кан­

дидатов на роль первых генетических матриц

Литература

нуклеиновых кислот. М: Мир.

Происхождение и

Горючка В. В.

обнаружение

//
406. № 3. С. 402-406.
Joyce G. F, Schwartz А. W, Orgel !. Е., Miller S. L. (1987)
Тhе case for an ancestral genetic system involving
simple analogues of the nucleotides // Proc. Nat. Acad.
Sci. USA. V. 84. № 13. Р. 4398-4402.
Nielsen РЕ., Egholm М, Berg R. Н., Buchardt О. (1991)
Sequence-selective recognition of DNA Ьу strand displacement with а thymine-substituted polyamide // Science. 254. № 5037. Р. 1497-1500.
Powell J.R., Richards E.G., Gratzer WB. (1972) The
nature of stacking equilibria in polynucleotides // Biopolimers. V. 11. Р. 235-250.
ДАН. Т.

Зенгер В.

//

371

Изучение прочносвязанных стэкинг-агрега­

тов адениловых и тимидиловых нуклеотидов в воде
и на поверхности кварца люминесцентным методом

в связи с моделированием первичных стадий хими-


ВЛИЯНИЕ ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА
НА ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

И А. Наговицьи/*), (**\ Г. К. Чудинова(*),
Г. В. Синька

(***)

, Г.

Г. Комиссаров
(*)

(**)

Центр естественно-научных исследований

Института общей физики им. А. М Прохорова РАН.
langmиir@raтЫer.ru,

galkon@list.ru

(**)Институт химической физики им. Н. Н. Семенова РАН.
koтiss@chph.ras.ru, gkoтiss@yandex.ru
(***)

Российский федеральный ядерный центр -

Всероссийский научно-исследовательский институт

технической физики им. Е. И Забабахина.

g.v.sinko@vniitf.ru

Пероксид водорода рассматривается как фактор, влиявший на формирование фотоакrивных макромолеку­
лярных систем в абиотический период эволюции Земли и на формирование оксшенного фотосинтеза. Исследо­
вано изменение свойств модельных пшмент-содержаших систем в растворах и rmенках Ленгмюра под действием
пероксида водорода. Проведены расчеты энергетических параметров ассоциатов хлорофилла а с водой и перок­
сидом водорода с использованием программы

Gaussian 03.

ности, наиболее исследована. Активные формы

Введение

кислорода действуют как вторичные мессендже­

В настоящей работе исследования проводили

ры, необходимые для адекватного ответа расти­

в соответствии с новой концепцией фотосинтеза,

тельных клеток, в том числе и на уровне генной

где пероксид водорода (ПВ) является источником

экспрессии (Полесская,

кислорода

процессах

ложить, что ПВ мог существенно влиять на фото­

(водорода)

в

природных

2007).

Логично предпо­

ПВ мог играть существенную

химические характеристики фотоактивных систем

роль в формировании гомохиральности биоорга­

в абиогенный период эволюции, а также оказы­

нического мира, участвуя в абиогенном синтезе

вать регулирующее действие на биохимические

органических

процессы первичных одноклеточных организмов.

(Комиссаров,

2003).

соединений

(Комиссаров,

2003).

Проведенный нами анализ показывает, что ПВ яв­

Однако в ряде работ (например, в работе

ляется

schild, 2008))

несомненным

участником

процессов,

ис­

(Roth-

роль ПВ сводится к вызыванию

следованных в тех многочисленных эксперимен­

окислительного стресса, приводящего к разруше­

тах, которые моделируют условия образования

нию мембран, белков и пигментов. Тем не менее,

органических соединений на Земле в абиотиче­

в настоящее время роли ПВ в эволюции биосферы

ский период (Комиссаров,

уделяется все большее внимание. ПВ мог быть

2003).

В последние годы большое внимание уделя­

донором электрона для фотосистемы П на ранних

ется сигнальной роли активных форм кислорода в

этапах эволюции

биохимических процессах животных и раститель­

1991;

ных организмов. В отличие, например, от синг­

Бланкеншип и Хартман полагают, что ПИ играл

летного кислорода и суперооксид анион радикала,

решающую

сигнальная роль ПВ, из-за его большей стабиль-

фотосинтеза

Rиtherford,

роль

(Bader, 1994; МсКау, Hartтan,
Nitschke, 1996; Saтиilov, 1997).
в

происхождении

(Вlankenship

R.

Е.,

оксигенного

Hartman, 1998).


374

Глава

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

Оледенения в архее и раннем протерозое могли

рабатывали ультразвуком в течение

быть

установке

Таким образом, ПВ мог быть одним из решающих

45 минут на
Branson 1510. Пленки переносили на
кварцевые подложки и Sn0 2 оптически про­
зрачные электроды (Sn0 2 -ОПЭ) методом Лен­

факторов в эволюции оксигенного фотосинтеза

гмюра-Шефера

(Liang et а!., 2006).

15

причиной

интенсивной

фотохимической

продукции ПВ и его депонирования в толще льда.

Дополнительный интерес пред­

при

поверхностном

давлении

мН/м.
Измерение фотовольтаических характеристик

ставляет недавнее обнаружение ПВ в межзвезд­

Также ПВ,

проводили на компьютеризированной установке,

по-видимому, образовывался в самый ранний пе­

собранной в лаборатории фотобионики ИХФ РАН,

риод истории Земли при метеоритной бомбарди­

в режиме реального времени при различных со­

ровке (Манагадзе,

противлениях нагрузки (Rн) (от 103 до 10 Ом).

ном пространстве

(Bergman et al.,2011).

7

2009).

Нами исследованы комплексы сывороточных

Схема установки приведена в (Наговицын и др.,

альбуминов и порфиринов, которые рассматрива­

2004а).

ются

сравнения находились в двух кюветах, связанных

как

модельные

системы

мент-белковых комплексов.
энергетических

параметров

природных

пиг­

Проведены расчеты
ассоциатов

хлоро­

филла а с водой и пероксидом водорода.

SnOz-OПЭ и хлорсеребряный электрод

солевым мостиком, содержащих О, 1 М раствор

Для

освещения

использовали

источник

KCl.

белого

света с мощностью светового потока 80 мВ/см .
2

Представленные ниже значения фотопотенциала

являются средним арифметическим измерений на

1.

Методика эксперимента

3-5

Sn0 2 -ОПЭ электродах.

Использовали без дополнительной очистки

2.

мезотетрафенилпорфирин (ТФП), его цинковый

Влияние пероксида

комплекс (ZnТФП), фуллерен-СбО, сывороточные

водорода на оптические

альбумины быка (САБ) и человека (САЧ) компа­

свойства комплексов

нии Aldrich.

мезотетрафенилпорфирина

Комплексы с белками готовили перемешива­

и сывороточных альбуминов

нием при комнатной температуре водно-солевого

(0,1 М NaCl) раствора альбумина (10- 5 М) и рас­

Адсорбция порфириновых молекул на поверх­

твора пигмента в хлороформе (для спектроско­

ности или образование агрегированных структур

пии,

до испарения последнего, растворы

приводит к смещению красной границы активно­

отфильтровывали. Получали мольные соотноше­

го излучения в длинноволновую область, следова­

ния САЧ: ТФП =

тельно, по сравнению с газовой фазой увеличива­

Uvasol)

10: 1, 1 : 1, 1 : 2, 1 : 3 и 1 : 6 и
комплексы САБ : ТФП = 1 : 2. Спектры поглоще­
ния регистрировали на спектрофотометрах Shimadzu UV-1800, спектры флуоресценции - на спек­
трофлуориметре SHIMADZU RF-5300pc.
Ленгмюровские пленки готовили на установке
молекулярного наслаивания

Joyce

LоеЫ (Велико­

ется

доля

солнечного

излучения,

которая

могла

быть использована в абиогенном синтезе. Полу­
чены комплексы САЧ: ТФП при различных моль­
ных соотношениях компонентов. Для комплексов

САЧ: ТФП =

10: 1, 1 : 1, 1 : 2, 1 : 3

и

1:6

макси­

мум полосы Соре ТФП смещается батохромно с

британия). Использовали раствор САБ-ТФП с кон­

419

центрацией САБ равной 10- Мв 0,1 М NaCl; суб­

нанесенного на САЧ. Полосы в спектрах уширены

фаза

по сравнению с полосами в спектре ТФП в хло­

5

-

0,05

М

KCl.

Раствор ПВ добавляли к САБ­

до

423

нм при увеличении количества ТФП,

ТФП таким образом, чтобы его концентрация со­

роформе. Форма спектров поглощения (рис.

ставляла 10-б, 10-5, 10-4 М. Для приготовления

значительно изменяется с увеличением количест­

1) не­

пленок порфиринов их растворы в хлороформе с

ва ТФ П, нанесенного на альбумин; взаимодейст­

концентрациями

мг/мл наносили на водную

вие (агрегация) порфириновых молекул выражено

субфазу, не содержащую солей. Смеси ZnТФП и

значительно слабее, чем в пленках Ленгмюра­

фуллерена-СбО готовили в хлороформе, навеску

Шефера. Так, в хлороформе максимум полосы

фуллерена-СбО в хлороформе предварительно об-

Соре располагается при

0,6

418

нм и смещается до


И А. Наговицын и др. Влияние пероксида водорода на фотосинтетические модельные системы

нм в однокомпонентных пленках ТФП (Наго­

437

вицын и др.,

ности в области полосы Соре и интенсивности

флуоресценции (Лех

= 420 нм, Aem = 658-660 нм) от

количества ТФП близки к линейным; оптическая
плотность увеличивается от

сивность флуоресценции

0,004 до 0,027, интен­
от 1,66 до 5,11 отн. ед.

(для растворов, разбавленных до содержания САЧ

10- М). Зависимости интенсивности флуоресцен­
ции белка (Аех = 280 нм, Aem = 340 нм) от количе­
7

5

0,25

Зависимости оптической плот­

2005).

~ 0,20
о

I

5

2

0,15

о:

"'"'
t.)

~ 0,10
....i:::
о

0,05

ства нанесенного ТФП нелинейны, интенсивность

зоо

400

100

600

500

800

нм

флуоресценции белка с увеличением количества
ТФП изменяется незначительно.

375

Рис.

Спектры поглощения комплексов САЧ

1.

: ТФП

в О, 1 М

Na CI. [САЧ]=10-6 М. Мольное соотношение компонен­

Поскольку в исследованном интервале соот­

тов

ношений САЧ: ТФП изменение количества ТФП

в

исходном

растворе для

приготовления

ком­

плекса САЧ

: ТФП = 1О : 1 (кривая 1), 1 : 1 (кривая 2),
1 : 2 (кривая 3), 1 : З (кривая 4) и 1 : 6 (кривая 5)

не приводит к качественным изменением оптиче­

ских характеристик комплексов, для исследования

влияния ПВ было выбрано только одно соотно­
шение. Комплексы ТФП готовили с бычьим сыво­

роточным альбумином. Исследования влияния ПВ
проводили с растворами комплексов САБ: ТФП =
=

Регистрировали изменение флуоресценции

1 : 2.

комплексов САБ

: ТФП Р•ех = 420 нм, Aem = 658 нм)
в растворе в течение 20 минут после добавления
ПВ (10-6-10-2 М). Полученные зависимости (не
показаны) во всех случаях немонотонны и отли­

::::

1,0

"'"'

::r

0,9

I

ф

::r
t.)
ф
а.

.

g, ai:

.е. ~о
J)

....

0,7

t.)
о

I

"'"'
t.)

[Н2О2],~

0,6

I

ф

....I

"'

чаются для различных концентраций ПВ. Мак­
симальные наблюдаемые изменения интенсивно­

\,

0,8

о

Рис.

2.

сти флуоресценции для раствора САБ: ТФП без

10-6

10-S

10-З

10-<

10-2

Зависимость относительной интенсивности флуорес­

ценции комплексов САБ : ТФП 10- М в водно-соле­
вом растворе (0,1 М NaCI) от концентрации Н 2 02
в растворе через 200 с (1) и через 1000 с (2) после
7

добавления пв и при добавлении пв 1о-{) м близ­
ки и составляют около 25 %. При увеличении

добавления Н2О2

концентрации ПВ явно выражено снижение ин­
тенсивности флуоресценции, величина которого

составляет

34-46 %.

носительной

Примеры зависимостей от­

интенсивности

флуоресценции

комплексов САБ: ТФП в водно-солевом раство­

ре

(0,1

М

NaCl)

от концентрации ПВ приведены

на рис.

2.

Добавление ПВ даже в низких концен­

трациях, близких к физиологическим, приводит
к

заметному изменению

интенсивности

3.

Влияние пероксида водорода
на поведение ленгмюровских
монослоев комплексов

мезотетрафенилпорфирина

и сывороточного альбумина

флуо­

ресценции комплексов. По мере хранения рас­

Активные формы кислорода, в том числе ПВ,

°С) происходят незначительные из­

могут оказывать различные действия на функцио­

менения в спектрах поглощения. Так, величина

нирование пигмент-белковых комплексов, меха­

оптической плотности в максимуме полосы Соре

низмы которого в настоящее время изучены слабо.

контрольного образца САБ: ТФП =

Предполагается, во-первых, прямое воздействие и

творов

(+ 4

бавления ПВ) за

1,9 %,

23

1:2

(без до­

дня уменьшалась всего на

а изменение интегральной оптической плот­

окисление белков, во-вторых, образование вторич-

~

"'

ных мессенджеров как результат реакции окисления

ности (площадь под кривой спектра поглощения)

активными формами кислорода других соедине­

составило

ний, и, в третьих, регуляция работы ферментных

4, 7 %.


376

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

40

а)

а)

::<

J:
::<

_,;

:s:

q

"'3"

:i:
ф

~

5мН/м

N<{

30

а)

12000

10000

15мН/м

о

с:;

20

<tl

q

i:::
о:

8000

"'

ф

:i:

о

а.
о:

:i:

....(.)
о

~

10

:i:

"'

ф

х
а.

6000

а

::;:

ф

m
о
с:

4000

6000

8000

10000

12000

14000

10-6

о

д2

10-4

[H,QJ.M

40

б)

6)

::;:

J:::;:
ф

:s:

12000

4:

30

_,;

q

"
""'q

ф

5мН/м

10000

"'3"

с:;

о

i:::

20

ф

i:::

8000

о:

о

"'

:i:

....

:i:

u

а.
о:

о

:i:

х

а.

~

10

"'i:::

6000

ф

ф

"

2

о

i:::

о

::;:

4000

о

2000

4000

6000

10000 12000 14000

8000

2000

д2

о

Рис. 3. Изотермы сжатия комплексов САБ : ТФП 10-5 М: (а) сразу после добавления пероксида водорода (ПВ) в
раствор комплекса; (б)

-

вторного добавления ПВ.

Рис.

4.

через трое суток без по­

1-

Молекулярные площади комплексов САБ

нослое: (а)

без добавления ПВ;

-

водорода (ПВ) в раствор комплекса;

2 - 10-6 М ПВ; 3 - 10-s М ПВ; 4-10-4 М ПВ

: ТФП

в мо­

сразу после добавления пероксида

(6) -

через

трое суток без повторного добавления ПВ.

зависит от кшщентрации активных форм кислорода

для растворов с концентрацией ПВ О, 10--6, 10-5 ,
10-4 М соответственно (рис. За). Такое уменьшение

(Полесская,

систем изменением редокс-статуса клетки, который

Перераспределение энергии в

молекулярной площади может быть связано с кон­

фотосинтетической мембране зависит от зарядового

формационными изменениями белковой rnобулы.

состояния пигмент-белковых комплексов и элек­

Через трое суток (рис.

тростатических взаимодействий между ними, регу­

кулярной площади нивелируется и для растворов с

лирующих конформационное состояние мембраны.

концентрацией ПВ О, 10--6, 10-5 , 10-4 М молекуляр­

Приведенные ниже результаты показьmают, что ПВ

ная площадь комплексов

2007).

в физиологических концентрациях может оказы­

36) разница в значения моле­

САБ : ТФ П составляет
2
8811, 8487, 8146, 8812 А , соответственно.

вать влияние на конформационное состояние белка.
При исследовании монослойньIХ пленок Лен­
гмюра комплексов САБ: ТФП =

нии ПВ в наносимый на

1: 2 при добавле­
субфазу (0,05 М KCl) рас­

4.

Влияние пероксида водорода
на фотовольтаические

твор во всех случаях наблюдали уменьшение вели­

свойства пленок

чин молекулярной площади. На рис.

приведены

смеси

молекуляр­

мезотетрафенилпорфирина

изотермы сжатия комплексов, на рис.

3
4

ные площади, полученные для растворов с добавле­
нием различньIХ концентраций ПВ. Так, сразу по­
сле

приготовления

при

комплекса

и фуллерена-С60

поверхностном

С девяностых годов прошлого века большое

15 мН/м молекулярная площадь комплек­
сов САБ: ТФП составляет 9505, 8556, 7914, 7806 А2

количество работ посвящено исследованию кова­

давлении

растворов

Zn

лентно связанных диад и триад фотоактивных со-


377

И. А. Наговицын и др. Влияние пероксида водорода на фотосинтетические модельные системы

единений, содержащих фуллерены, причем авторы

20

а)

многих работ считают, что такая постановка зада­
::;

чи может способствовать выяснению механизмов
первичных

процессов

:с 15
::;

фотосинтеза

(Kuciauskas
et al.,1996; Kodis et al., 2004; Deviprasad et а!.,
2006; Zhan et al., 2010). В 2010 г. фуллерены были
обнаружены в космическом пространстве ( Cami
et al., 2010). Г. Г. Манагадзе, моделируя воздейст­

ф

:s:

:i:

"
i::;
ш

~ 10

"....
о

:i:

u

о

:i:
х

Q.

ние

500-600 млн

5

"
ш

вие метеоритных ударов, продолжавшихся в тече­

о

i::

лет на ранних этапах эволюции

Земли, обнаружил образование фуллеренов-С60,
фуллеренов-С70

и

более

структур (Манагадзе,

2009).

тяжелых

добиотический

период

эволюции

на

Земле.

Фуллерены могли являться частью фотоактивных
кластеров

-

10

15

20

25

30

35

40

45

50

молекулярная площадь, А2

Таким образом, мож­

но считать весьма вероятным наличие фуллеренов
в

5

углеродных

предшественников современных фо­

тосинтетических структур. В связи с этим нами
предприняты попытки исследовать

оптические и

фотовольтаические характеристики комплексов

Zn

6)
N

30

::;

"....

Q.

е
:i:

"'

,;

20

1:(

"'3"
о

i::;
i::

"'"'
"'
:i:

Q.

комплекса мезотетрафенилпорфирина и фуллере­
поведение

пленок

~

"

на-С60 в присутствии пероксида водорода.
Исследовано

10

Q.

смеси

а
::;:

ZnТФП: фуллерен-СбО на поверхности раздела

о

20

фаз вода-воздух. Молекулярная площадь ZnТФП
в однокомпонентной пленке уменьшается от

36,9

до 19,5 А.2 при повышении поверхностного дав­
ления (ПД) от
ловиях

1

до

20

молекулярная

Рис.

5.

мН/м. В аналогичных ус­
площадь

величин

смесей ZnТФП

молекулярной

: фуллерен-С60

(а)

-

изотермы сжатия пленок ZпТФП: фуллерен­

=1 : О (кривая 1), 3 : 1 (кривая 2), 1 : 1 (кривая 3),
(кривая

4),

О:

1

(кривая

(б)

5);

зависимость

-

молекулярной площади от массового соотношения
компонентов в пленке Ленгмюра-Шефера смесей

ZпТФП: фуллерен-СбО.

•-15

• -

5

мН/м;

• -

Таблица

монослойных пленок Ленгмюра-Шефера

провести между значениями молекулярной площа­

ZnТФП: фуллерен-С60

смесь ZnТФП: фуллерен-С60,

.._ -

5

-

рис.

5 б,

сплошная линия,

мН/м) соответствует гипотетическому от­

Массовое соотношение

Положение

компонентов в смеси

максимумов в спектре

ZпТФП

значения

молекулярной

площади

: фуллерен-С60

поглощения, нм

1:о
3:1
1:1
1:3

сутствию взаимодействия компонентов в смеси.

Большие

1

Положение максимумов в спектре поглощения

отношения компонентов. Линия, которую можно

ди однокомпонентных пленок (пример

мН/м;

10

мН/м

площади

от массового со­

100

масс.

%

СбО

1:3

безметального

ТФП составляет 6-10 А. 2 , по-видимому, образова­
ние Zn комплекса сушественно снижает склон­
ность пигмента к агрегации. На рис. 4 приведены
зависимости

80

60

40

содержание ZпТФП в смеси,

в

пленках смеси по сравнению со значениями этой
линии говорит о том, что взаимодействие компо­

437,555,588
438, 554,589
437, 555,587
439,555

нентов в пленке происходит с образованием ком­
плекса, молекулярная площадь которого больше

структур наблюдали для пленок смеси ZnТФП

суммы площадей индивидуальных веществ. Мак­

лерен-С60 батохромное смещение полосы Соре на

симумы полос поглощения ZnТФП незначительно

2 нм.

изменяются

увеличение фотопотенциала (ФП) в

(табл.

1),

при

добавлении

и только при избытке

фуллерена-С60

(75 %

масс.) нано-

Предварительные

эксперименты

при избытке фуллерена-С60

(75 %

2

: фул­

показаl!.и

и более раза

масс.) по срав-


Глава

378

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем
Исследования равновесных

5.

нм

60

положений молекул воды
и пероксида водорода

50

в ассоциации с молекулами

хлорофилла а

40

Использованные нами ранее порфириновые

30

соединения рассматриваются нами как синтетиче­

20

ские аналоги природных фотосинтетических пиг­
ментов

10

хлорофиллов (Комиссаров,

-

2003).

химические свойства порфириновых соединений и

хлорофиллов сравнимы (Ханова, Тарасевич,
о

Рудаков и др.,

6.

1985;

1977;

Теренин; Илатовский и др.,

Использование порфиринов в большей час­

1993).
Рис.

Фото­

АСМ-изображение поверхности пленок смеси

ти нашего исследования объясняется их более вы­

ZпТФП

сокой стабильностью, дешевизной и большими

: фуллерен-СбО

в массовом соотношении

4: 1

значениями фототоков и фотопотенциалов в плен­
ках

8

при

одинаковых

условиях

приготовления

по

сравнению с хлорофиллами. Задачей исследования
было выявления степени воздействия ассоцииро­

6

ванного с пигментами ПВ по сравнению с водой

q:

на энергетические параметры ассоциатов.

4

I

Изучение взаимодействия хлорофилла а с мо­

с

~

2

лекулами воды и ПВ проводилось с использовани­

ем программы

Расчеты выполнены с

Gaussian 03.

набором базисных функций

-2

6--31G

в

DFT

прибли­

жении, с использованием обменно-корреляцион­
ного функционала
10-5

10-<>

о

10-4

[Н,02 ], М

PBElPBE.

На рис.

8

приведена

структура молекулы хлорофилла а, на рис.

9-

социаты хлорофилла а с водой (а) и ПВ

Полная

(6).

ас­

энергия и энергия связи молекул воды и ПВ в ас­
Рис.

Приращение темнового (ТП), светового (СП) и фо­

7.

топотенциала (ФП) пленок Ленгмюра-Шефера сме­
си ZnТФП

:

фуллерена-СбО

=3 : 1

социатах даны в табл.
табл.

2,

2.

энергия связи хлорофилла а с водой боль­

ше, чем с ПВ примерно на

пению с ФП однокомпонентных пленок порфири­
на.

Структуру

пленок

контролировали методом

атомно-силовой микроскопии (рис.

6).

Исследовано влияние ПВ на величину потен­

Как видно из данных

2,2 ккал/моль (0,095

эВ).

В исследованных нами ленгмюровских плен­
ках порфирины находятся в агрегированном со­

стоянии (Наговицын и др., 2004а; Наговицын и др.,

2005;

Наговицын и др.,

20046).

В природном фото­

циала пленок смеси ZnТФП: фуллерен-СбО в мас­

синтетическом аппарате растений пигменты также

совом соотношении

находятся в составе агрегатов

ФП в кювету
по

200

(20

3:1

(рис.

7).

При измерении

мл) добавляли последовательно

мкл раствора ПВ высокой концентрации

2000);

(Amerongen et а!.,

первичный донор фотосистемы П пред­

ставляет собой димер хлорофилла а
Т.,

(Renger G,

Увеличение батохромного сдвига

таким образом, чтобы его концентрация в кювете

Renger

составляла 10-3, 10-4, 10-5 , 10- М. Во всех случа­

полос в спектре поглощения с ростом количества

ях наблюдали падение ФП при добавлении ПВ.

ТФП,

6

2008).

нанесенного

на сывороточный

альбумин

Например, при добавлении ПВ в концентрации

(см. выше) также говорит об образовании ассо­

10-3 М изменение ФП составляет -2,85 мВ, т. е.
31 % от усредненной величины ФП без добавле­

циатов ТФП. Было решено провести расчеты рас­

ния ПВ.

с водой и пв.

четы параметров ассоциатов димеров хлорофилла а


379

И. А. Наговицын и др. Влияние пероксида водорода на фотосинтетические модельные системы

Таблица

2

а)

Полные энергии Е и энергии связи ЛЕ хлорофилла а
с молекулой воды и пероксида водорода
дЕ (ккал/моль) ЛЕ(эВ)

E(Hr)
Хлорофилл

а+Н2О
Хлорофилл

а+Н2О2
Димер хлоро-

филлаа+Н2О
Димер хлоро-

филла а

+ Н2О2

-3007 ,8090934

19,42

0,843

-3082,8527245

17,19

0,746

-5939,2928333

12,42

0,539

-6014,3451925

15,30

0,664

б)

Рис.

9.

Комплексы хлорофилла а: (а)

-

с водой; (б)

-

с пе­

роксидом водорода. Молекулы воды (на рисунке а)
и пероксида водорода (на рисунке б) расположены
в окрестности атомов магния

(1,467 эВ). Структура этого ком­
плекса показана на рис. 10. Полная энергия ком­
плекса равна -5862,9 Hr. Полные энергии и энергии
33,8

Рис.

8.

Рассчитанная структура молекулы хлорофилла а

Из двух молекул хлорофилла а возможно по­

ккал/моль

связи ассоциатов димеров с водой и ПВ приведе­
ны в табл.

2.

В противоположность мономерному

строить ряд различных комплексов. Рассмотрев

хлорофиллу а большая энергия связи наблюдается

несколько конфигураций димеров хлорофилла а,

у димера с ПВ. Таким образом, образование агрега­

мы выбрали для дальнейших исследований одну,

тов качественно влияет на фотохимические свойст­

имеющую максимальную энергию связи, равную

ва пигментов. Отметим также уменьшение энергии

J.

Рис.

1О.

Структура димера хлорофилла а, ассоциированного с молекулой воды


Глава

380

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

связей как воды, так и ПВ с димерными формами
хлорофилла а по сравнению с мономерами.
Итак, присугствие пероксида водорода на ран­

них этапах эволюции биосферы как в добиотиче­
ский период, так и в период суrцествования пер­

вичных клеточных форм жизни в настоящее время
не вызьmает сомнений. Пероксид водорода мог

оказьmать суrцественное влияние на фотохимиче­
ские

характеристики пигментов,

их

ассоциатов

с

белками и, таким образом, являться одним из ре­

шающих факторов, влиявших на возникновение и

эволюцию оксигенного фотосинтеза на Земле.

Литература
Илатовский В. А" Шапошников Г П.. Осипов Ю. М

(1993)

Зависимость фотоактивности пленок экстракоорди­
нированных фталоцианинов от распределения элек­

тронной плотности в молекулах// Биофизика. Т.
№

3.

с.

38.

554.

Комиссаров Г Г

(2003) Фотосинтез: физико-химиче­
URSS. 224 с.
Манагадзе Г Г (2009) Плазма метеоритного удара и
добиологическая эволюция. М.: Физматлит. 352 с.
ский подход. М.:

Наговицын И А., Чудинова Г К., Саврансl(иЙ В. В., Ко­
миссаров Г Г

Фотовольтаические свойства

(2004)

ленгмюровских пленок хлорофилла а и 13-каротина
Биофизика. Т.

49.

№.

4.

//

С. 646-б51.

Наговицын И А., Чудинова Г К., Щербаl(ов Д Ю., Сав­

ранс/(ий В. В., Комиссаров Г Г

Фотовольтаи­

(2005)

ческие свойства двухкомпонентных ленгмюровских

пленок 13-каротина и мезотетрафенилпорфирина
Краткие сообщения по физике ФИАН. №
Наговицын И А., Щербаl(ов Д Ю.,

4.

С.

//
15-25.

Чудинова Г К., Сав­

ранс/(ий В. В., Комиссаров Г Г

(2004)

Влияние пе­

роксида водорода на фотовольтаические свойства
ленгмюровских пленок порфиринов
общения по физике ФИАН. №
Полессl(ая О. Г

(2007)

2.

С.

// Краткие
3-10.

Растительная клетка и активные

формы кислорода: учебное пособие
маков. М.: КДУ

со­

/

Ред. И. П. Ер­

140 с.

Рудаl(ов В. М, Илатовс/(ий В. А., Дмитриев И Б. и др.

(1985)

Влияние модификации молекул порфиринов

на фотовольтаическую активность тонких пигментных
пленок// ДАН СССР. Т.
Теренин А. Н.

(1967)

284.

№

6.

С.

1427-1429.

Фотоника молекул красителей и

родственных органических соединений// Л.: Наука.

616

с.

Ханова Л. А., Тарасевич М Р

(1977)

Электрохимическое

поведение адсорбированных пленок хлорофилла
ДАН СССР. Т.

234.

С.

211.

//

Amerongen Н. van, Valkиnas L., Grondelle R. van (2000)
Photosenthetic Exiton. Singapore: World Scientific.
Bader К. Р (1994) Physiological and evolutionary aspects
of the О 2/Н20-сусlе in cyanobacteria // Biochim.
Biophys. Acta. V. 1188. Р. 213-219.
Bergman Р, Parise В., Liseaи R., Larsson В., Olofsson Н.,
Menten К. М, Gйsten R. (2011) Detection of interstellar hydrogen peroxide // Astronomy & Astrophysics.
V. 531. L8.
Вlankenship R. Е., Hartman Н. (1998) Тhе Origin and EvoJution of Oxygenic Photosynthesis // Trends Biochem.
Sci. V. 23. Р. 94-97.
Cami J., Bernard-Salas J., Peeters Е., Malek S. Е. (2010)
Detection of С60 and С70 in а Young Planetary Nebula //
Science. V. 329. №. 5996. Р. 1180-1182.
Deviprasad G. R., Smith Р. М, Zandler М Е., Rogers L. М,
D'Soиza F (2006) Fluorophore(s) appended fullerene
dyads and triads for probing photoinduced energy transfer: syntheses, electronic structure, and fluorescence
studies // Photosynth. Res. V. 87(1). Р. 105-114.
Kodis G., Liddell Р. А., Moore А. L., Moore Т. А., Gиst D.
(2004) Synthesis and photochemistry of а caroteneporphyrin-fullerene model photosynthetic reaction center // Joumal of Physical Organic Chemistry. V. 17. №.
9. Р. 724-734.
Kиciaиskas D., Lin S., Seely G. R., Moore А. L., Moore Т. А.,
Drovetskaya Т., Reed С. А., Boyd D. W (1996) Energy
and Photoinduced Electron Transfer in Porphyrin-Fullerene Dyads // J. Phys. Chem. V. 100. №. 39. Р. 1592615932.
Liang М-С., Hartman Н., Корр R. Е., Кirschvink J. L.,
Уипg У. L. (2006) Production of hydrogen peroxide in
the atrnosphere of а Snowball Earth and the origin of
oxygenic photosynthesis // PNAS. V 103. № 50. Р. 1889618899.
МсКау С. Р., Hartman Н. (1991) Hydrogen peroxide and
the evolution of oxygenic photosynthesis // Origins
Life Evol. Biosphere. V. 21. Р. 157-163.
Renger G, Renger Т. (2008) Photosystem 11: Тhе machinery ofphotosynthetic water splitting // Photosynth. Res.
V. 98. №. 1-3. Р. 53-80.
Rothschild L. J. (2008) The evolution of photosynthesis ...
again? // Phil. Trans. R. Soc. В. V. 363. Р. 2787-2801.
Rиtheiford А. W, Nitschke W (1996) / Eds. Н. Baltscheffsky. Origin and Evolution of Biological Energy Conversion. N. У.: VCH PuЫishers. Р. 143-175.
Samиilov V. D. (1997) Photosynthetic oxygen: the role of
Н 2 0 2 : а review // Biochemistry (Moscow). V. 62. Р. 451454.
Zhan W, Jiang К., Smith М D., Bostic Н. Е., Best М D.,
Аиаd М L., Rиppel J. V., Кiт С., Zhang Х Р. (2010)
Photocuпent Generation from Porphyrin/Fullerene
Complexes AssemЫed in а Tethered Lipid Bilayer //
Langmuir. V. 26. №. 19. Р. 15671-15679.


АССОЦИАЦИЯ ОЛИГОГЛИЦИНОВ НА СЛЮДЕ

С. В. Цыганкова, А. А. Формановский, А. А. Чинарев,
А. Б. Тузиков, Н. В. Бовин
Институт биоорганической химии

им. М М Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН.

bovin@carb.ibch.ru

В гипотезе самопроизвольного зарождения жизни на Земле важное место занимает стадия обособления
пребиотического вещества от окружающей среды. Мы предполагаем, что про-клетка могла быть построена из
супрамолекулярных

полиглициновых

везикул,

так

как

для

полиглицина

характерна

активная

и

минерал­

промотированная самосборка и возможность селективной адсорбции АТФ, глицин же является широко рас­
пространенной пребиотической молекулой. Показано, что движущая сила самоассоциации глициновых олиго­
меров резко возрастает, если молекулы организованы в так называемые антенные структуры, где две, три или

четыре коротких молекулы

(Gly7)
-

ко распространенном минерале

олигоглицина ковалентно соединены в одной точке. В то же время, на широ­
слюде

-

возможна сборка значительно более коротких олигомеров глици­

на, в том числе линейных. Эти данные свидетельствуют о разнообразии путей и механизмов формирования
полиглициновой везикулы, то есть, значительно более широких возможностях, чем предполагалось ранее.
В данной работе с помощью атомно-силовой микроскопии исследованы серии антенных и линейных олигог­
лицинов, представлены сравнительные данные по их способности к ассоциации в самопроизвольном режиме,
а также роли слюды в формировании ассоциатов.

кооперативный процесс самосборки из относи­

Введение

тельно простых и широко распространенных пре­

Ключевую роль в гипотезе самопроизвольно­

го зарождения жизни на Земле играет стадия пер­

биотических молекул. Самой простой и наиболее
распространенной

аминокислотой

пребиотиче­

воначального обособления от окружающей среды

ской Земли бьm глицин. Олигомеры глицина, об­

того пребиотического вещества, из которого в

разующиеся в результате термической конденса­

дальнейшем формировалась про-клетка. Первич­

ции аминокислоты-мономера в водных растворах,

ный вариант клеточной оболочки мог быть со­

способны собираться в везикулы микрометровых

вершенно непохож на фосфолипидную мембрану

размеров, которые как раз и могли бы быть прото­

современных клеток, достаточно вспомнить строе­

типом пребиотической клеточной оболочки. Само­

ние оболочек простейших вирусов, которые со­

ассоциация глициновых олигомеров резко возрас­

стоят исключительно из белка. Пример вирусов

тает, если молекулы организованы в так называе­

наталкивает нас

о том,

мые антенные структуры, где две, три или четыре

как скорее всего формировалась первичная обо­

коротких молекулы олигоглицина ковалентно со­

лочка. Вероятно, это должен был быть высоко-

единены в одной точке. Антенные олигоглицины

на построение

гипотезы

способны образовывать как плоские, так и полые
Авторы выражают благодарность И. Гороховой, И. Зайцеву,
Д. Клинову, В. Прохорову (ИБХ РАН), а также Н. Северину

(Plasmachem GmbH,

Geпnany) за методологическую и кон­

агрегаты,

называемые тектомера­

извольно, так и при каталитическом влиянии по­

сультативную поддержку данного исследования.

Работа была выполнена при финансовой поддержке програм­
мы фундаментальных исследований Президиума РАН №

везикулярные

ми, процесс ассоциации может идти как самопро­

25

«Происхождение биосферы и эволюция геобиологических

верхности. Наиболее интересным в связи с ,1обо­
значенной выше проблемой представляется резко

систем», а также программы фундаментальных исследований

ускоренная сборка тектомеров на широко распро­

Президиума РАН «Молекулярная и клеточная биология».

страненном минерале

-

слюде. В нашей работе


382

Глава

111. Теоретические и экспериментальные

исследования предбиологических химических систем

{N-R~-R
НзС
три

тетра

R-NxN-R
н
н
R-N

N-R

===
н

1.

R,

н

N,

N

н

R

= Н, Glyл *CF 3COOH/HCI;

n = 7 (тетра, три), 4-5

н

ен

R

н

R-N~N,R

N-R

н

Рис.

ДИ

(ди)

~

Структуры исходных тетра-, три-, диантенных аминов и их производных

представлены данные по синтезу и способности к

глицинов в тектомерном слое (рис.

ассоциации нескольких классов антенных олигог­

2008). Сборка на поверхности слюды приводит к

2)

(Бовин и др"

лицинов, а также роли слюды в формировании

формированию слоя, в котором олигопептидные

тектомеров.

цепи, образуя структуру полиглицина П, располо­

Антенные олигоглицины мы синтезировали ме­

тодом активированных эфиров

(Chinarev et а!" 1999),

жены нормально к поверхности. Случаи горизон­
тально лежащих молекул в экспериментах на слю­

пошаговое наращивание глициновых цепей осу­

де

ществляли по N-концу с помощью N-оксисукци­

гликопроизводными при использования очень раз­

нимидных эфиров

(BocGlyONs

или

BocGly20Ns,

встречались

только

с

моно-

и

трехантенными

бавленных растворов на поверхности (в данной

ОNs-N-оксисукцинимид). В качестве исходного

работе рассматриваться не будут)

соединения брали соответствующий тетра-, три-,

2011).

или диамин (рис.

(Prokhorov et а!.,

Сборка тектомерного слоя, как уже отмеча­

Вое-группы (трет-бутилокси­

лось выше, протекает на поверхности, хотя фор­

карбонильная защитная группа) количественно уда­

мирование небольших ассоциатов, «зародышей», в

ляли трифторуксусной кислотой, после чего осво­

растворе исключать нельзя. Процесс роста вклю­

божденную аминогруппу снова вводили в реакцию

чает в себя образование островковых структур, их

наращивания цепи.

рост в

1).

горизонтальном

направлении

и

постепен­

ное заполнение всей поверхности.

1.

Ассоциация антенных олигоглициновых струк­

Изучение ассоциации

тур была исследована в режимах постоянного

олигоглицинов

(contact mode) и прерывистого контактов (tapping mode)

с помощью атомно-силовой

на

микроскопии (АСМ)

высоко-ориентированного пирографита

поверхности

слюды,

а

также,

для

сравнения,

(HOPG);

в

условиях реального времени (в динамике) резуль­

Процесс формирования ассоциатов (тектоме­

таты получали в жидкостной ячейке, в то время

ров ), движущей силой которого служит образование

как в экспериментах на воздухе (без жидкости)

высоко-кооперативной системы водородных свя­

удавалось наблюдать только конечный результат.

зей, проходит как в растворе, так и на поверхности.

АСМ-изображения ассоциатов на слюде в жидко­

Сопоставление результатов измерения светорас­

стной ячейке были получены только в режиме по­

сеяния в растворе и наблюдения роста тектомеров

стоянного контакта. На основании АСМ-исследо­

на поверхности слюды методом АСМ показало, что

ваний показано, что в зависимости от природы и

поверхность

ассоциацию,

концентрации пептида в водном растворе, а также

увеличивая ее скорость многократно. В спектрах

значения рН среды, продолжительности выдер­

комбинационного рассеяния (КР) тектомеров в твер­

живания в растворе (период времени после при­

дой фазе и в водном растворе содержатся харак­

бавления основания к раствору соли до нанесения

может

промотировать

1

теристические полосы 884, 1382, 1424, 1654 см- ,
отвечающие структуре полиглицина II (Krimm,
Bandekar, 1986). Молекулярное моделирование в

полученной смеси на поверхность) и на поверхно­
сти

Uexp. период времени от начала нанесения сме­

си на поверхность и до момента удаления жидко­

совокупности с данными, полученными с помощью

сти) получаются разные по морфологии тектоме­

методов КР и АСМ, позволили предложить модель

ры;

пространственной организации антенных олиго-

условий хорошо воспроизводится и морфология

в то же время, при точном воспроизведении


С. В. Цыганкова и др. Ассоциация олигоглицинов на слюде

к=-к -

а)

ккккккккк ·}~

"2+2"

б)-1\

в)

т

--

"3+0"

mmmmm~··-••t··

-

~н:

гт

]

/ - n-

't

1 аминогруппа

:: n

-

•

олиrоrлициновая

метильная

антенна

2.

dlИИIHIИIЧ~
....

•

2.Онм

"2+0"

Рис.

383

illПli!ER

-(СН,) 0 •

группа

Модели сборки антенных олигоглицинов на поверхности слюды: (а)- тетраантенные молекулы образуют мо­
нослой, в котором мономеры представлены в конформации
две другие

в противоположную); (б)

-

конформацией мономеров

«3 + 0»

«2 + 2»

(две антенны направлены в одну сторону, а

триантенные молекулы формируют моно- и бислойные тектомеры с

-

(все антенны направлены в одну сторону); (в)

собны образовывать моно- и бислои с конформацией мономеров

«2 + 0»

диантенные молекулы спо­

-

(антенны ориентированы в одну сто­

рону). Измеренные высоты (АСМ) соответствуют рассчитанным для пептидных цепей в конформации полиглицин-11
(Бовин и др.,

2008)

тектомеров. Подробно синтез и условия проведе­

нерала. Поверхность свежесколотой слюды несет

ния АСМ-экспериментов рассмотрены в работах

отрицательный заряд, а N-концы пептидов

(Tuzikov et а!., 2003; Тsygankova et а!., 2011; Chugunov et а!" 2009; Gorokhova et а!., 2006).

тичный

положительный заряд.

Таким

-

час­

образом,

ожидалось, что электростатическое взаимодейст­

вие будет способствовать первичной адсорбции,
то

Четырехантенный олигоглицин

2.

есть

промотировать

ассоциацию

мономерных

пептидов на поверхности.

[H-Gly7-NHCH2]4C

Действительно, было показано, что в при­

сутствии
Необходимо отметить, что производные общей
формулы

[H-(Gly)n-NHCH2 ] 4 C

циновыми антеннами (п

< 7)

с короткими гли-

тектомеров на по­

верхности слюды и в водных растворах не обра­
зуют. Только при п, равном или больше
ходит ассоциация,

7

проис­

а движущая сила ее столь ве­

лика, что даже протонированная, то есть заряженная

Na 2C0 3 четырехантенный олигоглицин
[H-Gly 7-NHCH2 ] 4 C ассоциирует на слюде с обра-

зованием тектомерного слоя или слоев непосред­

ственно на поверхности. В условиях эксперимен­

та в жидкостной ячейке (в динамике)

удалось

проследить за образованием небольших тектоме­
ров

островкового

типа,

размеры

которых

посте­

пенно увеличиваются, и, в конце концов, они сли­

форма мономеров, легко ассоциирует, преодолевая

ваются друг с другом, покрывая всю поверхность

электростатическое

молекул-моно­

ровным слоем. Высота тектомерного слоя состав­

Наиболее яркие и од­

ляет ~4,5 нм, что соответствует длине одной вы­

меров

отталкивание

(Tuzikov et а!., 2003).

нозначно

интерпретируемые

результаты

с

точки

тянутой молекулы и хорошо коррелирует с дан­

зрения изучения влияния поверхности на процесс

ными, полученными ранее

самосборки получены в случае тетраантенного

Таким образом, образуется монослойный текто­

пептида

мер,

[H-Gly7-NHCH2 ] 4 C.

С помощью экспе-

риментов в жидкостной ячейке АСМ мы показали,

котором

молекулы

имеют

поверхности ориентацию (см. рис.

нормальнУl';i

к

2).

При выборе небольшой области сканирования

что ассоциация происходит как в растворе, так и

на поверхности слюды благодаря соучастию ми-

в

(Tuzikov et а!., 2003).

(до

1 х 1 мкм)

в результате усиления воздействия


384

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

а)
Рис. З.

б)

Разрушение и восстановление тектомерного слоя

в)

[H-(Gly) 7-NHCH 2] 4 C.

Фазовые АСМ-изображения, измерение в жидкостной ячейке:
(а)
(б)

частично разрушенный действием кантилевера слой, выделен участок сканирования

-

частичное восстановление разрушенного тектомерного слоя

(е)- полное восстановление тектомерного слоя
Т

мономерный тектомер; С

-

-

(5

(3

х

1

1 мкм;

мин после разрушения);

мин после разрушения);

непокрытые участки слюды

АСМ-зонда происходит локальное разрушение и

представляется возможным. Было замечено, что

удаление тектомерного слоя (эффект разрушения

независимо от природы основания, время инкуба­

исследуемой поверхности при замедлении скоро­

ции в растворе почти не влияет на структуру фор­

сти сканирования); при сканировании большего

мирующихся тектомеров, то есть мы видим одина­

кадра (при увеличении скорости сканирования)

ковые АСМ-представления для образцов с инку­

можно

визуализировать

полученный

дефект

в

бационным временем в растворе от О до

120

ми­

слое, размеры и форма которого совпадают с уча­

нут. Это доказывает, что в данных экспериментах

стком предварительного сканирования (рис. За);

тектомерные слои растут на поверхности слюды,

минут

а не выпадают ранее сформировавшимися из рас­

слой восстанавливается (рис. Зв), скорее всего, за

твора. Определяющим в данном случае фактором

счет мономеров,

Для

является время инкубации на поверхности слюды

приведены фазо­

Uexp), а также природа прибавляемого основания.

Данные из экспериментов на воздухе в режи­

промотируемая ассоциация, так как максимальное

при отмене действия зонда, в течение

находящихся

большей наглядности на рис.

3

5

в растворе.

вые АСМ-изображения.

Таким

образом,

на

идет

время

влияние природы прибавляемого основания, вре­

аморфного осадка в растворе почти в два раза

мени инкубации в растворе и времени инкубации

больше, чем на поверхности слюды.

поверхности

NaHC0 3
на слюде

с

появлением

(lexp). При добавлении

Сравнивая результаты, полученные в экспе­

к водному раствору соли пептида, в за­

риментах в жидкостной ячейке и в экспериментах

висимости

от

слюды

ассоциации

поверхность­

ме прерывистого контакта позволили нам оценить

на

необратимой

слюде

продолжительности

вьщерживания

на поверхности получаются моно-,

fexp,

на воздухе,

можно

сделать следующие

В обоих случаях в присутствии

Na2C0 3

выводы.

на слюде

би- или мультислойные тектомеры (высота перво­

образуются монослойные тектомеры, в то время

го слоя составляет ~4,5 нм). Интересно, что при

как использование

использовании в качестве основания

нию мультислоев. Рост тектомера происходит в

Na2C0 3

вос­

NaHC03

приводит к образова­

производимо формируются только монослойные

первую

тектомеры (рис.

растворе, хотя нельзя исключить механизм, когда

В обоих случаях планарные

4 ).

очередь

на

поверхности

слюды,

а

не

в

тектомеров

сначала в растворе образуются небольшие пер­

достигают нескольких микрометров, а шерохова­

вичные (еще легко диффундирующие) тектомеры,

тость не превышает

которые затем адсорбирутся на поверхности, по­

размеры

водит

к

полученных

тому,

оказывается

что

под

островковых

0,2

нм. Увеличение fexp при­

постепенно

тектомерным

больше

60

менная

поверхность,

вся

поверхность

слоем;

при

fexp

минут результатом является бесфор­
анализировать

которую

не

сле чего начинается рост островкового тектомера

(с нормальной ориентацией), его разрастание в го­
ризонтальном

направлении

и,

ние всей поверхности слюды.

наконец,

заполне­


С. В. Цыганкова и др. Ассоциация олигоглицинов на слюде

а)

385

6)

нм
нм

!:ь

':j
о

2

3

'~

о

5

4

2

мкм

Рис.

4.

Морфология островковых тектомеров

[H-Gly7-NHCH 2]4 C

4

3

5
мкм

на поверхности слюды. АСМ-представления в режиме

прерывистого контакта на воздухе:

(а)

-

(1 экв. на NН 2 -группу), texp = 30 сек;
(1 экв. на NН2-rруппу), texp = 10 сек;
4,5 нм;

ассоциация в присутствии NаНСОз

(б)- ассоциация в присутствии Nа2СОз
расстояния
Т

3.

-

1-2, 2-3

и

3-4

составляют

монослойный тектомер, С

-

непокрытые участки слюды

Согласно данным рис.

Трехантенный олигоглицин

[CFзCOOH*Gly 7-NHCH 2 ] 3 CCHз
Ассоциация трехантенного олигоглицина на
поверхности слюды протекает не столь однознач­
но, как выше описано для четырехантенного ана­

fexp =

5-1 О

6,

за короткое время

минут происходит образование текто­

мерного слоя. Интересно, что на том участке по­
верхности,

где

проводилось

непрерывное

скани­

рование, слой из [H-GlyгNHCH 2 ]зCCH 3 не обра­
зуется и не восстанавливается со временем (рис.

5

лога. За процессом наблюдали в контактном ре­

(6-д)), как это наблюдали для четырехантенного

жиме в жидкостной ячейке. Здесь, в отличие от

олигоглицина. Высота монослоя составляет

четырехантенного олигоглицина, как таковой ди­

2,5

2,0 -

нм, согласно предложенной модели.

намики роста слоя (слоев) на поверхности слю­

В отличие от четырехантенного олигоглицина,

ды/в растворе зафиксировать не удалось, но пока­

его трехантенный аналог с семью глициновыми

зано, что ассоциация начинается с формирования

остатками в антенне способен ассоциировать на

«зародышей» (небольших ассоциатов) в растворе.

поверхности слюды и графита даже без основания

Формирование последних явно отображается в

(рис. 7а), что мы также наблюдали в эксперимен­

АСМ-изображениях, как без добавления, так и в

тах в жидкостной ячейке. Тектомерные округлые

присутствии основания (рис. 5а), где на поверх­

структуры высотой

ности присутствуют округлые структуры пример­

мерами

но одинаковых размеров с высотой ~2-2,5 нм и

сти. При использовании

планарными размерами ~50-100 нм; в ряде случа­

нулярные структуры, образующие рыхлые слоh с

ев сразу после добавления основания наблюдают­

множеством «дырою> и бесформенных агрегатов

ся ассоциаты двойной высоты (рис.

(глубина дырок достигает от

6).

100-150 нм

2,0-2,5

нм и планарными раз­

располагаются на поверхно­

NaHC0 3

получаются гра­

1 до 2,5

нм, планар-


386

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

а)

в)

6)

г)

Рис.

5.

Ассоциация пептида

[H-Gly7NHCH2]3CCH3

в присутствии

Na2C0 3 (2

сти слюды в жидкостной ячейке. АСМ-фазовые изображения,

50

Рис.

6.

мин; (д)

-

57

[H-Gly7 -NHCH 2] 3CCH 3

ячейке. Двуслойные тектомеры с высотой

-4-4,5

эквивалента на NН 2 -группу) на поверхно­

-

2

мин; (б)

-

8 мин; (в)- 23 мин; (г)-

в присутствии Nа2СОз, контактный режим АСМ в жидкостной

нм (слева

10 до 45 нм, рис. 76). Вы­
сота верхнего слоя составляет 2,0-2,5 нм. Умень­
шение концентрации пептида в 1О раз не изменяет
-

(а)

мин после начала эксперимента

АСМ-представление пептида

ные размеры дырок

texp:

от

морфологии полученных тектомеров, уменьшается

-

фаза, справа

-

топография)

антенны направлены в одну сторону). На поверхно­

сти двойного тектомерного слоя видно формирова­
ние второго двойного слоя (рис. 7в).
В связи с тем, что молекула трехантенного

основного

олигоглицина имеет гидрофобную часть в виде ме­

слоя, но дырки остаются; то есть образование ды­

тильной группы, интересным представлялось изу­

рок нельзя объяснять нехваткой пептида в растворе.

чение ассоциации таких пептидов на гидрофобной

Замена основания на Na2C0 3 приводит к другой ор­

поверхности графита. Показано, что пептиды без

ганизации поверхности (рис. 7в). Во-первых, слой

добавления основания способны организовываться

менее рыхлый и не содержит дырок. Во-вторых,

в слой, покрывающий всю поверхность графита

высота тектомера кратна двум и составляет

(не показано). По шероховатости этот слой имеет

только

количество

агрегатов

поверх

4-4,5 нм,
что соответствует двойному слою (рис. 2), где мо­
номеры представлены в конформации «3 + 0» (три

разброс 5 А, скорее всего это слоистая структура с
параллельной ориентацией молекул. В присутствии


С. В. Цыганкова и др. Ассоциация олигоглицинов на слюде

а)

387

в)

б)

8

1

---------

2

-----

7

2.5
6
2

!

I

I

1.5

4

N

N

N

3

2
0.5

.......

о
о

20

40

60

80

100

120

140

о

50

X[nm]
Рис.

100

1

о

150

100

X[nm]

300

200

400

X[nm]

7. Зависимость морфологии тектомеров [H-Gly 7 -NHCH 2] 3 CCHз, образующихся на поверхности слюды, от природы
основания, режим прерывистого контакта АСМ на воздухе:
(а) ассоциация без основания приводит к образованию округлых структур,

(б)

ассоциация в присутствии

(в) ассоциация в присутствии
Т1 -

NaHC03 ведет к формированию не сплошного слоя,
Na 2C0 3 ведет к формированию бислойного тектомера.

монослойный тектомер, Т 2 - бислойный тектомер

8

2 - - - ---

.·· ..

7
3 ····-··-········

6

5

!

4

N

3

,:__ ... .._,--,

/••"

!
_;

·'

,(

2

!

.

:

.::
о
о

50

100

150

200

250

X[nm]
J.
Рис.

8.

Островковые тектомеры, образованные из пептида
контакта АСМ на воздухе

[Gly 7-NHCHJ 3CCH 3

в присутствии NаНСОз, режим прерывистого


Глава

388

111. Теоретические и

экспериментальные исследования предбиологических химических систем

Рис.

в)

б)

а)

9. Динамика роста тектомера, образованного из пептида [-(CH2)sNHGly4]2 на слюде в присутствии NаНСОз, прерыви­
стый режим АСМ на воздухе.

Серия образцов была приготовлена через фиксированные промежутки времени: (а)-

2

мин;

Т

-

h = 3,7

30

сек,

(6)- 60

сек, (в)-

нм.

слой тектомера; С

-

непокрытые участки слюды

основания помимо сплошного покрытия наблю­

Даже при использовании указанной низкой кон­

дается формирование небольших тектомеров ост­

центрации

ровкового типа (рис.

верхности слюды зафиксировать не удалось. Уже

8)

высоты

4

и

8 нм,

что соот­

пептида

динамику роста

слоя

на

по­

ветствует двойному и четверному слоям согласно

к концу второго сканирования

модели на рис.

ность слюды была полностью покрыта ровным

2

(следует заметить, что ориента­

(2

минуты) поверх­

ция молекул в слое обратная той, что показана на

бездефектным тектомером. По высоте тектомера,

рис.

равной

2,

что согласуется с гидрофобными свойст­
образом,

на

слюде

нм, можно предположить формирова­

ние монослоя, согласно модели ассоциации (см.

вами поверхности графита).
Таким

2,65

в

присутствии

рис.

2)

с конформацией цепей

«2 + 0».

Деформаций

трехантенный олигоглицин образует двой­

или разрушений монослоя зондом в жидкостной

ной молекулярный слой, высота которого состав­

ячейке не наблюдали, то есть при сканировании

ляет

малых площадей (от 200 нм 2 до 1ООО нм2 ) текто­

Na2C03

4,0--4,5

нм. В обоих случаях (на воздухе и в

жидкостной ячейке), при использовании

NaHC0 3

формируются гранулярные ассоциаты, как в рас­
творе, так и на поверхности, в то время как фор­
мирования ровного упорядоченного тектомерного

мер либо очень быстро восстанавливался, либо
вообще не подвергался влиянию зонда.
На рис.

9

показана серия сканов, отражающих

результат ассоциации пептида [--(CH 2 ) 5 NHGlycHЬ

покрытия без дырок в этих экспериментах зафик­

(в присутствии

сировано не было; образование сферических ве­

динамике: для небольших времен texp, характерно

зикул в данных условиях не наблюдалось.

образование островковых тектомеров (рис. 9а), ко­

NaHC0 3 , 1

экв. на NН2-группу) в

торые с течением времени увеличиваются в пла­

нарных размерах (рис.

4.

Двухантенные олигоглицины

96),

и в конце концов пол­

ностью покрьmают всю поверхность ровным слоем

(рис. 9в). Для больших времен texp характерно по­
Двухантенные олигоглицины изучались в кон­

центрации

0,1

мг/мл, при использовании более

высокой концентрации

явление

вторичных

структур

поверх

первичного

слоя, по-видимому, как результат быстрой ассо­

мг/мл) ассоциация идет

циации на поверхности или осаждения тектомеров,

настолько быстро, что интерпретация результатов,

сформировавшихся в растворе и затем выпавших

особенно в динамическом развитии, оказывается

на поверхность (не показано).

(1

Были подобраны оптимальные условия для

затрудненной.
Изучение

ассоциации двухантенных пепти­

получения ровного слоя, когда поверхность почти

дов на поверхности слюды в жидкостной ячей~е

полностью покрыта, а из раствора еще не начали

было проведено на примере [-(CH 2 ) 5 NHGlycHЬ.

выпадать бесформенные агрегаты. Для получения


С. В. Цыганкова и др. Ассоциация олигоглицинов на слюде

389

а)

о

100

200

400

300

X[nm]
б)

о

100

200

300

400

X[nm)
Рис.

10.

Морфология тектомеров, образующихся из пептида

[-(CH 2 ) 5 NHGly5-H] 2

на поверхности (а)

-

слюды; (б)- графита

в присутствии NаНСОз, режим прерывистого контакта АСМ на воздухе

ровного тектомера без дефектов оптимальное ин­

верной, п-й слой (высота первого двойного слоя со­

кубационное время составляет

ставляет

сота образующегося слоя

1-2 минуты.
равна 3,7-3,8 нм,

Вы­

что

5

слою,

если

молекулы

(«2 + 0»),

ассоциируют

в

второго четверного

-

10 нм,

п-го

-

х п нм).

соответствует двойному слою при условии, что

молекулы сложены пополам

5 нм,

Аналогичным образом для пептида

или моно­

[-(CH2)sNHGlys-HЬ

вытянутом

Поверхность тектомера облада­

бьши проведены эксперименты по ассоциации на

ет характерным рельефом (рис. 9в), который хоро­

поверхности графита. Предполагалось образование

состоянии

(«1+1»).

шо воспроизводится. Наличие подобного рельефа

ассоциатов

на поверхности слюды можно объяснить разной

правленных гидрофобной серединой к поверхности

направленностью молекул в верхнем слое бислой­

графита (предполагаемая ориентация цепей на раз­

ного тектомера, шероховатость такого покрытия по

ных поверхностях приведена на рис.

из

сложенных

пополам

молекул,

1О

на­

в правом

разности высот на внешней стороне составляет

верхнем углу). Как и на поверхности слюды, на

примерно

графите можно заметить образование многослой­

0,2 нм.

С точки зрения морфологии, ассоциация

ных тектомеров с кратной высотой (рис.

(CH2)sNНGlycHЬ, но медленнее. Результат
ровковые

структуры,

увеличивающиеся

в

ост­
гори­

зонтальном направлении и постепенно переходя­

щие в ровный слой (рис.

10).

Нередко на поверх­

ности первого двойного слоя располагается чет-

10).

Таким образом, ассоциация диантенных мо­

[-(CH2) 5 NHGly 5 -Н] 2 протекает так же, как и

лекул идет при низкой концентрации пептида

(0,1

мг/мл), слой растет на поверхности Q~Люды

(а не в растворе). Скорость ассоциации на поверх­
ности слюды у двухантенных молекул выше, чем у
трех- и четырехантенных аналогов.


390

Глава

111. Теоретические

и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

Рис.

5.

11.

Структура одноантенных олигоглицинов

Одноантенные олигоглицины

мому,

в

использованных условиях

ассоциация

в

случае этого класса молекул происходит одновре­

Для полного описания класса олигоглицинов

менно по разным механизмам, и необходимы до­

был синтезирован ряд «одноантенных» пептидов

полнительные исследования для того, чтобы на­

в виде амидов (рис.

править процесс

11 ).

Ассоциация «одноантенных» пептидов (кон­

центрация

1 мг/мл)

на поверхности слюды (рис.

селективно в сторону сборки

только одного вида тектомеров.

12)

в значительной степени зависит от условий про­

татков глицина в молекуле.

нии

Na2C0 3

Gly3NH 2

Гликопроизводные

6.

ведения эксперимента, а также от количества ос­

при добавле­

олигоглицинов

в эквимолярных количествах образу­

ет на поверхности островковые структуры, похо­

Так как в пребиотических условиях есть ве­

жие на тектомеры ди- и тетраантенных олигогли­

роятность модификации олигоглицинов простыми

цинов. Высота одного слоя составляет

углеводами, мы изучили свойства гликопептидов,

Gly4NH2

и

GlysNH 2 независимо

2,5-3

нм.

от природы осно­

вания образуют трубчатые структуры (в случае с

Gly4NH 2

на АСМ-представлениях можно видеть

отличающихся от описанных выше антенных оли­
гоглицинов

ного

наличием

заместителя

дополнительного

б'SLN

углевод­

(6'-сиалиллактозамин).

ориентирующее действие подложки (эпитаксию)).

При изучении трехантенных гликопептидов (струк­

Следует отметить, что в случае

туры представлены на рис.

Gly5NH2

на по­

верхности также присутствует слой из молекул,

высота которого составляет

1 нм.

Пептид

образует плоские тектомеры высотой

Gly6NH 2 . трациях

2 нм,

что

13) на воздухе в режиме

прерывистого контакта АСМ при разных концен-

на поверхности слюды и графита были

получены следующие результаты.

приблизительно соответствует высоте монослоя

При

использовании

высоких концентраций

мг/мл) гликопептида наблюдается появле­

(длина молекулы H-Gly6 NН 2 в полностью вытяну­

(0,1-1

той конформации составляет

ние небольших частиц округлой формы с планар­

мации полиглицина

11 -

2, 1 нм,

1,8 нм)

а в конфор­

(Галимов,

2008).

ными

размерами

20-30 нм

и

высотой

около

На основании данных по ассоциации пептидов,

3,5

уже описанных выше, предполагается, что моно­

обладающих нормальной ориентацией к поверх­

антенные олигоглицины также должны

ности (см. ниже). Вне зависимости от спейсера

ассоции­

нм, располагающихся поверх слоя молекул, не

ровать на поверхности с образованием тектомеров

(выделено серым фоном на рис.

с нормальной ориентацией (аминогруппа направ­

структуры имеет примерно

лена в сторону поверхности слюды), но, по-види-

и, согласно расчетам, представляют собой моно-

13)

тектомерные

одинаковые размеры


С. В. Цыганкова и др. Ассоциация олигоглицинов на слюде

а)
Рис.

12.

391

б)

Ассоциация одноантенных олигоглицинов
на воздухе. (а)-

Gly4NH2;

в)

мг/мл) на поверхности слюды, режим прерывистого контакта АСМ

(1

(б)-Gly5NH 2 ; (в)-

Gly6NH 2

(RGly 7) 3-EG 5-sp-6'SLN"

R=Boc,

о

Jl /'. . .

R-Gly7 -NH

R-Gly,-NH'"~::- ~ ~

R-GlyгN-;;;;

Н

l' N~б'SLN

/°'-.._

/

б'SLN

-

Н

6'-сиалиллактозамин

'
(RGly 7 )з-sp-6'SLN
Рис.

слойные ассоциаты

с

13.

Структуры трехантенных гликопептидов

нормальной ориентацией

хорошо она видна на образцах, сделанных на гра­

молекул. Высота тектомеров с разными спейсерами

фите. В ряде случаев было зафиксировано образо­

оказалась почти одинаковой, что указывает на ком­

вание двойного ламелярного слоя. На рис.

пактизацию

молекулы.

(HGly 7 )з-EG 5 -sp-6'SLN хорошо прослеживается

Число ассоциатов с нормальной ориентацией растет

формирование второго слоя на первом. Подобная

с

слоистая

непептидного

увеличением

фрагмента

концентрации гликопептида.

низких концентрациях

(0,01-1

При

мкг/мл) наблюдается

слоистая, возможно ламелярная струюура (рис.

14).

Тектомерных струюур, нормально направлен­

структура

встречается

и

при

15

для

высоких

концентрациях, именно на таком слое располага­

ются тектомерные ассоциаты с нормальной ориен­

тацией молекул. При низких концентрациях (менее

ных к поверхности, зафиксировано не бьmо, веро­

1 мкг/мл)

ятно, концентрация мономера бьmа низкой. Вслед­

даются малые округлые структуры разной высоты

на поверхности слюды и графита наблю­

ствие того, что слюда, как и графит, имеет гексаго­

(3,0-5,0 нм) (АСМ-представления не приведены).

нальную симметрию, на приведенных изображениях

Гликозилированные диантенные олигоглици­

можно встретить углы между направлениями роста

ны также способны к ассоциации, морфология ас­

ламелей, кратные

социатов

60°

(рис.

14),

так называемую

эпитаксию. Высота слоя составляет
соответствует

толщине

молекулы

0,5-0, 7 нм,
в

что

«лежачем»

положении. Слоистым структурам также присуща
гранулярность

-

возможное существование «Эле­

зависит

от

числа

Так, при величине п =
тектомеры с высотой

250-400 нм),

глициновых

звеньев.

7 образуются островковые
5,7 нм (планарные размеры

в то время как более короткий гомо­

лог с шестью глициновыми остатками не образует

ментарных» ассоциатов, формирующихся в рас­

одновысотных

творе и собирающихся на поверхности. Особенно

(АСМ изображения не приведены).

хорошо

организованных

структур


392

Глава

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

1,2

l

в)

5

1,4

4
~

!

0,8

3

N

N

0,6
0,4
0,2
о

40
X[nm]

100

о

100

200

300
X[nm]

а)
Рис.

14.

400

500

б)

Морфология ассоциатов, образованных из трехантенных гликолипидов на поверхности слюды и графита. (а) (BocGly7)3-sp-6'SLN (1 мкг/мл); (б)- BocGly7)з-EGs-sp-O'SLN (1 мг/мл; (в)- (BocGly7)з-EGs-sp-6'SLN (1 мкг/мл)

Заключение
;::::
:i::
С>

$
.,.,

"<!"

<-<

О/"\

С точки зрения проблемы обособления пре­
биотического материала от вещества окружающей

О/"\

С>

N•

С>

среды, наиболее важным результатом данного ис­

"<!"

следования

С>
О/"\

"'

С>

'

являются

данные

по

ассоциации ли­

нейных, то есть наиболее просто организованных

N'·

8

олигоглицинов. Во-первых, для образования пер­

"'
.,.,
N
С>

<Г).

;::::
:i::

8
N

вичного «контейнера» формирование относительно
сложных трехантенных (Галимов,

2008)

структур,

по-видимому, не является обязательным. Во-вто­

q

С>

рых, благодаря промотированию сборки со сторо­

"'

ны слюды, даже такие короткие олигоглицины как

о

;::;

тример и тетрамер, оказываются способными к

"'

о·

формированию сложных архитектур, некоторым

о

оп

из которых (трубчатым), в принципе, не запрещено
Q

о

Рис.

50

100

150

200 250

300

350 400 450

выполнять роль первичных контейнеров. В-треть­

нм

15. АСМ-изображение слоистой структуры (HGly1 )з­
EGs-sp-б'SLN на поверхности графита (1 мкг/мл);
высота первого слоя составляет О, 7 нм, высота
двойного слоя составляет 1,4 нм. Ориентирующее
влияние

поверхности

прослеживается

втором слое (углы, кратные

60°)

даже

на

их, эпитаксия линейных олигоглицинов на поверх­

ности слюды создает благоприятные условия для

термической,

микроволновой

или

фотохимиче­

ской селективной сшивки линейных блоков в бо­
лее сложные и более склонные к самоассоциации
антенные молекулы.


С. В. Цыганкова и др. Ассоциация олигоглицинов на слюде

Литература
Бовин Н. В., Тузиков А. Б., Чинарев А. А.
глицины:

материал

стями для нанотехнологий

нологии. Т.
Чинарев А. А.,

вин Н. В.

3.

С.

//

Олиго­

Российские Нанотех­

48-61.

Цыганкова С. В.,

(2008)

(2008)

с неограниченными возможно­

Кубракова И В.,

Бо­

Обособление и концентрирование

аденозинтрифосфата в пребиотических условиях:
гипотеза и экспериментальные данные// Проблемы
зарождения и эволюции биосферы

/ Под редакцией
URSS. 119-125.
Chinarev А. А., Tuzikov А. В., Gambaryan А. S., Matrosovich М N., Imberty А., Bovin N. V. (1999) 11 Sialobiology and Other Novel Forms of Glycosylation / Eds.
У. Ynoue, У. С. Lee, F. А. Troy П. Osaka: Gakushin
PuЫishing Со. Р. 135-143.
Chugunov Р. А., Chinarev А. А., Tuzikov А. В., Formanovsky А. А., Prokhorov V. V., Gambaryan А. S., Bovin N. V.
(2009) Monosialoside with multimer-like anti-influenza
potency // Mendeleev Commun. V. 19. Р. 62-63.
Э. М. Галимова .. М.:

393

Gorokhova !. V., Chinarev А. А., Tuzikov А. В., Tsygankova S. V., Bovin N. V. (2006) Spontaneous and Promoted
Association of Linear Oligoglycines // Russian Joumal
of Bioorganic Chemistгy. V. 32. Р. 420-428.
Krimm S., Bandekar J. ( 1986) Vibrational spectroscopy and
conformation of peptides, polypeptides and proteins /
Eds. С. В. Anfinsen, J. Т. Edsall and F. М. Richards //
Adv. Protein Chem. Academic Press. V. 38. Р. 181-364.
Prokhorov V. V., Кlinov D. V., Chinarev А. А., Tuzikov А. В.,
Gorokhova !. V., Bovin N. V. (2011) High-Resolution
Atomic Force Microscopy Study of Hexaglycylamide
Epitaxial Structures on Graphite // Langmuir. V. 27.
Р. 5879-589.
Тsygankova S. V., Chinarev А. А., Tuzikov А. В., Zaitsev I S.,
Severin N., Kalachev А. А., Rabe J. Р., Bovin N. V. (2011)
AssemЫy of Oligoglycine Layers on Mica Surface //
Joumal of Biomaterials and Nanobiotechnology. V. 2.
Р. 91-97.
Tuzikov А. В., Chinarev А. А., Gambaryan А. S. (2003) Polyglycine ll nanosheets: Supramolecular antivirals? //
Chembiochem. V. 4. Р. 147-154.

.1,


ВЛИЯНИЕ МЕТЕОРИТНЫХ ПОДЛОЖЕК И ЛУННОГО ГРУНТА

НА ПРЕБИОТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ НУКЛЕОТИДОВ

Е. А. Кузичева, М Б. Симаков, Н Б. Гонтарева
Институт цитологии РАН

ngontar@тail. cytspb. rssi. ru

Настоящая работа продолжает цикл исследований по воздействию излучений различной природы, при­
сутствующих в космосе, на пребиотический синтез компонентов нуклеиновых кислот и белков. Целью на­

стоящей работы является изучение вклада ультрафиолетового излучения (БУФ) и роли метеоритов Алленде,
Мерчисона и лунного грунта в реакциях синтеза нуклеотидов в условиях облучения сухих пленок. Такие
пленки рассматриваются нами как космическая модель поверхности метеоритов, комет и частиц межзвездной

пыли. Образцы метеоритов и лунного грунта были взяты как минералы внеземного происхождения, как мо­
дель кометной, метеоритной, межпланетной или космической пыли. Настоящая работа представляет интерес в
связи с изучением процессов синтеза и распада компонентов нуклеиновых кислот и белков под действием ис­

точников энергии, имеющихся в космосе. Работа связана с экзобиологическими исследованиями на орбите
земли, с вопросом о происхождении жизни на нашей планете, а так же с поисками жизни вне Земли.
Подобные исследования важны для понимания механизмов повреждений различных биологических

структур, начиная с нуклеотидов, пептидов и других биологически значимых соединений (БЗС), вплоть до по­
вреждений на клеточном уровне.
В этом смысле важными представляются результаты, свидетельствующие о присутствии сложных орга­

нических молекул в космосе. Так, в межзвездной среде был обнаружен Н 2 СО, легко способный образовывать
углеводы. Установлено присутствие

HCN

и его производных, необходимых для синтеза азотистых оснований

и аминокислот. Зарегистрировано присутствие органических кислот, сложных эфиров, нитрилов, аминонит­
рилов, аминопроизводных и других соединений

(Cooper et al., 1992; Cronin et al .. 1988; Raulin et а/., 1999).

К этому следует добавить данные об изучении состава метеоритов. В них обнаружены аминокислоты, азоти­

стые основания, алифатические и ароматические углеводороды

(Cooper, 1997).

скими методами бьшо обнаружено около

Введение

100

видов

органических соединений в разных районах Все­
Проблема изучения закономерностей возник­

ленной, необходимых для образования предбиоло­

новения биологически значимых соединений (БЗС)

гических систем. Так, углистые хондриты содержат

на различных космических объектах является ча­

аминокислоты

стью общей проблемы эволюции органических со­
единений в космосе и, в конечном итоге, возникно­

1998) и основания нуклеиновых кислот
Schwartz, 1981). При изучении содержания

вения жизни, как во Вселенной, так и на перво­

нических соединений кометы Галлея были обна­

бытной Земле. Данная работа важна при изучении

ружены

вклада различных

(Dе!sетте,

источников

энергии

открытого

и

их

предшественники

аминокислоты,

1991).

пурины

и

( Cronin,
(Stocks,
орга­

пиримидины

Зарегистрировано присутствие

космоса в процессах синтеза компонентов белков и

органических кислот, непредельных соединений,

нуклеиновых кислот. Это, в первую очередь, ульт­

сложных эфиров, нитрилов и других соединений

Delseттe,

(Irvine,

пловая энергия и другие источники.

и аденин были открыты с помощью метода масс­

Важными представляются данные, свидетель­

1991; Greenberg, 1993).

Фосфор

рафиолетовое излучение, протоны, а-частицы, те­

спектрометрии в гранулах кометы Галлея

(Kissel,
~'

Сравнительно недавно бьm обнару-

ствующие о наличии предшественников сложных

Kruger, 1987).

органических молекул в космосе. Так, астрономиче-

жен формальдегид, способный легко образовывать


396

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

углеводы, во внутреннем газовом и пылевом обла­

145 нм) с мощностью излучения 4,25 · 10 Дж/м /час.

ке вблизи центра нашей галактики

Поток излучения разряда, падающий на образец,

(Hollis, 2000).

Таким образом, органические соединения доста­
точно широко распространены

2

5

был равен 5·10 квант/см2/с.
15

В работе использовали следующие соединения:

во Вселенной и

процессы абиогенеза под воздействием источников

аденозин, аденин, аденозин-5'-монофосфат

энергии протекают на различных космических те­

нозин-2 '-монофосфат

лах. Известно, что ультрафиолетовое излучение

фат

Солнца является наиболее интенсивным и ста­

3'5'-циклофосфат

бильным источником энергии в открытом космосе

фат натрия х. ч., перекристаллизованный; дигидро­

в настоящее время и в добиологический период ис­

фосфат тетрабутиламмония (<<Красный химик»).

тории Земли. Исследователи в настоящее время
полагают,

что

внеземные

органические

молекулы

являются важным источником БЗС и что они могли

быть привнесены на первобытную землю метеори­

Na,

Na,

Na,

аде­

аденозин-3'-монофос­

аденозин-2'3'-циклофосфат

Na

(фирма

Na, аденозин«Serva»), дигидрофос­

Водные растворы нуклеозида

534 мкг)

и

NaH2P0 4 (2

сили на торцевую поверхность
2

(площадь

тами и гранулами кометной пыли. Поэтому важен

(2 мкмоля или
312 мг) нано­
лампы из MgF 2

мкмоля или

см) и высушивали на воздухе.

2,4

При исследовании влияния лунного грунта в

вопрос о роли минеральных подложек, защищаю­

пробу добавляли

щих образовавшиеся в космосе БЗС от разрушаю­

на землю автоматической станцией «Луна-16>> из

щего действия космической радиации

Моря Изобилия. Проба грунта №

(Barbler et al.,

1998; Нornek, 1999).

3

мг реголита. Он был доставлен

1640

представ­

ляла собой базальт темно-серого цвета, электроот­
рицательный, гидрофобный, диаметр частиц ме­
нее

1.

Материал и методика

0,2

мм (Вуд,

1975).

Анализ продуктов реакции проводили мето­

дом ВЭЖХ на приборе фирмы
В работе использовали следующие соединения:

аденин, аденозин, аденозин-5'-монофосфат
нозин-2'-монофосфат

фат

Na,

Na,

Na,

аде­

аденозин-2'3'-циклофос­

аденозин-3'5'-циклофосфат

Все реак­

Na.

тивы производства фирмы «Servю).

2
(312

мкМ аденозина

(534

мкг) и

2

«DuPon»

дифференциальный

спектрофотометр серии
с объемом петли

20

8800,

(США),

сканирующий

инжектор

«Reodyne»

мкл (аналитическая хромато­

графия), хроматографическая колонка

µ-Bonapack
3,9·300 мм, диаметр зерна 5 мкм)
фирмы «Millipore-Waters» (США), элюент: 0,2 М
(рН 6,25), в объемном соотношении 80 : 20. Значе­
ние рН корректировалось с точностью до + 0,005
на рН-метре РНМ-85 («Radiometer», Дания). Пе­
С18 (размеры

Реакционная смесь в сухой пленке содержа­

ла

включающем

мкМ

NaH 2P0 4

мкг). Водную смесь нуклеозида и фосфата

наносили на торцевую поверхность лампы из

MgF2
2
(площадь поверхности 2,4 см при длине лампы
22 мм, ширина 11 мм). Пробы высушивались на

ред использованием элюенты фильтровали через

воздухе. При изучении влияния метеоритов в вод­

(США), дегазировали гелием. Калибровку колон­

ную смесь на лампе добавляли

микрофильтр

типа

GV-0.22 «Millipore-Waters»

мг породы. Ме­

ки проводили перед анализом проб. Обсчет хро­

теориты Алленде и Мерчисон были предоставлены

матограмм осуществляли при помощи интегратора

Комитетом по метеоритам РАН. Пробы метеоритов

GI-lOOA («Kovo»,

представляли собой темно-серый порошок, диа­

по результатам трех измерений. Доверительный

3

метр частиц которого составлял примерно

0,2

мм.

После облучения образцы растворяли в воде
и

Чехия). Данные рассчитывали

интервал выходов нуклеотидов рассчитывали при

р=

95,0 %

(Урбах,

1975).

анализировали продукты методом высокоэф­

фективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).
Идентификация

осуществлялась

на

основании

2.

Результаты и обсуждение

совпадения времен удерживания пиков на хрома­

тограммах

анализируемого

творов с точностью не менее

и

стандартного

рас­

98 %.

Источником ВУФ излучения служила лампа с

барьерным разрядом в криптоне (длина волны

При ВУФ облучении сухих пленок аденози­
на и неорганического фосфата были обнаружены
следующие

продукты:

5'АМР,

2'3'сАМР, 3'5'сАМР (см. табл.

3'АМР,

1).

2'АМР,

Фотооблуче-


Е. А. Кузичева и др. Метеоритные подложки и лунный грунт и пребиотический синтез нуклеотидов

э

х

~

:i:

о

ro

L..

:2: ro
f-

о

<:{

::r

о

о

:i:
<:{
о
х

Q..

(..)

1.!)

ф

х

i::::

1i
a::i

ш

:s:
f-

:i:

:s:

О')

о

:i:

ф

<:{

ro

о

397

Выход 5'АМФ в результате облучения
коротким ультрафиолетом

1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2

~Контрольные образцы

- - - В присутствии
мет. Алленде
-е- В присутствии
мет. Мерчисон

о
о

3

7

5

9

Время облучения, часы
Рис.

Выход 5'АМФ в реакции фосфорилирования аденозина от времени ВУФ облучения.

1.

Кривая
Кривая
Кривая

1 (+) - выход
2 (•)-выход
3 (о)- выход

5'АМФ без подложки (контроль).
5'АМФ в присутствии метеорита Алленде.
5'АМФ в присутствии метеорита Мерчисона

ние

проводили в интервале доз от 1 часа
(0,42 · 10 6Дж м-2 ) до 9 час (3,8 · 106 Дж м-2 ). Мак­

ритные частицы повышают выход 3'АМР и 2'АМР
в

симальные выходы всех продуктов синтеза зафик­

сированы при дозе облучения равной

(1.26 · 5'АМР).

3

часам

Значения максимальных выходов

приведены в таблице.
Как видно из табл.
ном

отношении

1,5-2,0 раза.
Выход циклических мононуклеотидов незна­

чительный:

0,050 %

для 2'3'цАМР и

0,015 %

для

3'5'цАМР. Вместе с тем тенденция увеличения вы­
ходов этих монофосфатов в присутствии r,~етеори­

1

и рис.

доминирует

1,

в количествен­

процесс

5'АМР. Его максимальный выход равен

тов сохраняется. Метеорит Алленде увеличивает

синтеза

выход 2'3'цАМР с

0,32 %.

Мерчисона

-

до

0,050 % до 0,055 %; метеорит
0,060 %. Выход нуклеотида

Влияние метеоритной подложки на образование

3'5'цАМР также незначительно увеличивается:

5'АМР видно из кривых

с

(рис.

1,

кривая

1)

1-3

(рис.

1).

В контроле

выход 5'АМР составляет

0,32 %,
в присутствии метеорита Алленде - 0,62 % (рис. 1,
кривая 2), метеорита Мерчисона - 1,50 % (рис. 1,
кривая 3). Таким образом, метеоритные частицы
повышают выход 5'АМР в 1,93 раза в случае ме­
теорита Алленде и в 4,6 раза в присутствии ме­

0,015 % до 0,018 % (метеорит
0,021 % (метеорит Мерчисона).

В таблице также приведены значения сум­
марного выхода анализируемых продуктов синте­

за. Последние равны

(контроль)<

0,953 %

9

ча­

сов выход 5'АМР уменьшается во всех трех вари­

антах проведения опытов (рис.
количественном

1 кривые 1-3).

отношении

идут

при ВУФ-облучении сухих пленок аденозин

Да­

реакции

+ фосфат

в присутствии метеоритов Алленде и Мерчисона

Анализи-

образования мононуклеотидов 3'АМР и 2'АМР.

руемые

Эффективность образования данных соединений

продукты

Фактор: БУФ-излучение
6
2

(145 нм) доза
1,26 · 10 Дж м- (3 час)

Отсутст-

Присутствие Присутствие

вие под-

метеорита

метеорита

ЛОЖКИ

Алленде

Мерчисона

5'АМР

0,320

0,62

1,50

Присутствие

3'АМР

0,140

0,16

0,18

метеоритов при облучении повышает выход дан­

2'АМР

0,050

0,10

0,15

ных веществ. В присутствии метеоритов Алленде

2'3'сАМР

0,050

0,055

0,011

и Мерчисона выходы 3'АМР и 2'АМР составля­

3'5'сАМР

0,015

0,018

0,021

ют:

Суммарный

0,575

0,953

1,911

значительно ниже, чем процесс синтеза 5'АМР.
Так, в контроле выход 3'АМР составляет

2'АМР

-

0,16 %

0,05 %

и

венно (табл.

1

Выход нуклеотидов (в%), синтезированных

С увеличением дозы фотооблучения до

в

0,575 %

Таблица

теорита Мерчисона.

лее

Алленде) и до

соответственно.

0,14 %,

а

0,18 %; 0,10 % и 0,15 % соответст­
1, рис. 2 и рис. 3). В среднем метео-

выход продуктов


398

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

Выход З'АМФ в результате облучения
коротким ультрафиолетом

е

::;Е

~

С")

q
о

х

ro
f-

::t:

ф

::r

о

х

а.
[:;

11)

ID

]i

о

L..

о

::t:

q

о
х
(.)

~ Контрольные

ro

::t:

образцы

"'::t:

-о- В присутствии

:s:

о

мет. Алленде

ф

:s: q
f-

ro

---в- В присутствии

о

мет. Мерчисон

о

3

5

7

9

Время облучения, часы
Рис.

2.

Выход З'АМФ в реакции фосфорилирования аденозина от времени ВУФ облучения.
Кривая
Кривая
Кривая

1 (+)-выход
2 (•)-выход
3 (о)- выход

З'АМФ без подложки (контроль).
З'АМФ в присутствии метеорита Алленде.
З'АМФ в присутствии метеорита Мерчисона

Выход 2'АМФ в результате облучения
коротким ультрафиолетом

0,2
е

::;Е

х

ro

f-

О.
L..

о

~

::t:

ф

q

q

::r

о

N

о
х

о

а.

]i

[:;

11)

ID

::t:

х
(.)

ro

~ Контрольные

:s:

образцы

::t:

"'::t:
о

-Q--

ф

:s: q

f-

В присутствии

мет. Алленде

ro

о

---в- В присутствии
мет. Мерчисон

о

3

5

7

9

Время облучения, часы
Рис.

3.

Выход 2'АМФ в реакции фосфорилирования аденозина от времени ВУФ облучения.
Кривая

Кривая
Кривая

1 (+)-выход
2 (•)-выход
3 (о)- выход

(метеорит Алленде)

2'АМФ без подложки (контроль).

2'АМФ в присутствии метеорита Алленде.
2'АМФ в присутствии метеорита Мерчисона

< 1,911 %

(метеорит Мерчи­

чивает

выход

синтезированных

мосе нуклеотидов и пептидов в

сона).
Таким образом, на основании приведенных

Механизмы

в

открытом

кос­

1,5-2,0 раза.

фотохимического

синтеза

нук­

данных можно заключить, что было обнаружено

леозидов в безводном состоянии в присутствии

усложнение структур исходных молекул под дей­

минеральных подложек остаются малоизученными.

ствием БУФ излучения, и это усложнение ведет к

Вполне возможно, что минералы могут опосредо­

образованию природных монофосфатов аденози­

ванно передавать свою энергию другим молекулам

на. Второй вывод состоит в том, что метеоритная

в процессе синтеза, также возможно, что они ме­

подложка защищает образовавшиеся нуклеотиды

ханически защищают синтезированные молекулы

от разрушающего действия БУФ излучения. Ана­

от разрушающего действия БУФ радиации.

логичный результат мы получили ранее при экс­

Обращает на себя внимание тот факт, что при

пиримидиновых

БУФ облучении пленок аденозина, фосфата и ме­

нуклеозидов и аминокислот в присутствии лунно­

теоритной подложки всегда доминирует реакция

позиции

пленок

пуриновых

и

го грунта на поверхности орбитальной станции

образования

«Мир» (Кузичева, Гонтарева,

лучается

2001).

Было уста­

новлено, что присутствие лунного грунта увели-

- щихся

5' -производных.

весь

Хотя при этом и по­

набор монофосфатов,

встречаю-

в живых организмах. Подобная законом ер-


Е. А. Кузичева и др. Метеоритные подложки и лунный грунт и пребиотический синтез нуклеотидов

<tl
::i:

::R
~
о
о
ID :I:

&Ф

~~

2,5
1,77

2

о

-----

q::i:

~g
:в

t3

:s:
1-

2,05

2,08

0,8

0,8

0,77

1,5

~о
1.{) L...

са

1,94

04

--

0,5
о

о

о 7

...--.:..---------------

'

о

5

3

7

--Ряд1

9

---Ряд2

Время облучения, часы
Рис.

4.

Образование 5'АМФ в результате УФ облучения смеси аденозин+фосфат в присутствии (ряд

2)

(ряд

399

1)

и в отсутствие

лунного грунта

Таблица
Выход продуктов реакции (в

%

и в наномолях), синтезированных при ВУФ облучении

пленок аденозина и

NaH2P04 (доза 9 час)*

Присутствие лунного грунта

Продукты реакции
5'АМФ
2'3'цАМФ

2

Отсутствие лунного грунта

О/о

наномоль

О/о

наномоль

2,080 ± О, 104

30 ± 1,5

0,760 ± 0,038

10 ± 0,5

0,070 ± 0,003

1±0,05

0,050 ± 0,0025

0,7 ± 0,035

2'АМФ

0,008 ± 0,0004

0,1±0,005

0,004 ± 0,0002

0,06 ± 0,003

3'5'цАМФ

0,003 ± 0,0001

0,04 ± 0,002

0,002 ± 0,0001

0,04 ±0,002

3'АМФ

0,002 ± 0,0001

0,03 ± 0,0015

0,002 ± 0,0001

0,03 ± 0,001

2,16

0,3117

0,81

0,01083

Суммарный выход продуктов

* Выход образовавшихся продуктов рассчитывали по отношению к исходному количеству нуклеозида.
Очевидно, что при тепловом синтезе реак­

ность наблюдалась нами ранее под действием сум­

1992).

мы источников энергии открытого космоса и дейст­

ция синтеза данных нуклеотидов происходит с ми­

вию ВУФ излучения на сухие пленки пуриновых,

нимальной затратой свободной энергии по сравне­

пиримидиновых

нию с другими нуклеотидами и поэтому их выбор

нуклеозидов

и

неорганического

фосфата. Во всех случаях преимущественно синте­
зировались

5' -монофосфаты

1999; Додонова и др.,

1999;
1994).

Кузичева, Гон­

1-3,

кривые

1)

являются

неорганического фосфата в присутствии лунного
грунта и в его отсутствие были обнаружены нук­

В количественном отношении величины вы­

хода продуктов синтеза порядка
рис.

При фотооблучении сухих пленок аденозина и

соответствующих нук­

леозидов (Кузичева, Симаков,

тарева

земной жизнью не случаен.

0,5 %

(табл.

невысокими.

1,

Но

леотиды

5', 2'

и

3' монофосфаты наряду с цикличе­
2',3' цАМФ и 3',5' цАМФ.

скими монофосфатами

5'

ди- и

5'

трифосфаты бьmи идентифицированы в

нужно учитывать тот факт, что кванты ВУФ излуче­

следовых

ния обладают избыточной для синтеза БЗС энерги­

грунта. Суммарный выход всех монофосфатов при

ей. Это приводит, с одной стороны, к образованию и

при повышенных температурах ~ 160 °С (районы

максимальной дозе облучения 4· 10 Дж/м (9 ч)
составил 2,08 % в присутствии лунного грунта и
0,76 % в его отсутствие (см. табл. 2), т. е. в отсут­
ствие лунного грунта выход снижался в 2, 7 раза.
Как следует из данных табл. 2 и рис. 4, в ко­

вулканической деятельности)

образуются только

личественном

используемые земной жизнью

4

большего числа других соединений, не связанных с
жизнью, а с другой стороны, способствует распаду
образованных веществ. Нами было показано, что

нуклеотида, при­

ков

(рис.

2-4 %

(Кузичева

и др.,

присутствии

лунного

2

отношении

превалирует

пр9цесс

синтеза 5'АМФ. Влияние лунного грунта на син­

чем их выход из соответствующих предшественни­

величин

в

5

тез

достигает

количествах

5'

АМФ видно при сравнении кривых

1).

1

и

2

С увеличением длительности ВУФ облу-


Глава

400

111. Теоретические и

экспериментальные исследования предбиологических химических систем

чения выход 5'АМФ увеличивается в обоих слу­

тидов. В этом заключается основное различие в

чаях и достигает максимального значения при

механизмах действия двух видов ультрафиолето­

9

7

и

ч. Больший выход в присутствии лунного грунта

(рис.

1,

кривая

1)

говорит о том, что он защищает

вого излучения

БУФ и биологически активного

-

ультрафиолета. При действии мягкого УФ излу­

вновь образовавшийся нуклеотид от распада. Син­

чения

тез

связан с возбуждением только основания в соста­

5'

АМФ в отсутствие грунта снижается более,

чем в два раза (рис.

1, кривая 2).

зования циклического мононуклеотида

2',3'

АМФ.

Его выход в присутствии лунного грунта (табл.

1,4 раза

2)

выше, чем в его отсутствие.

То есть так же, как и в случае синтеза 5'АМФ,
и в

синтеза

нуклеотидов

So

~

S 1).

По

этой причине синтез нуклеотидов под действием

мягкого УФ излучения является малоэффективной
реакцией и выходы нуклеотидов на порядок ниже,

чем при БУФ облучении (Кузичева и др"

1997;

Kuzicheva, Gontareva, 1999).

лунная порода повышает выход 2',З'цАМФ. Вы­
ход 2'АМФ и 3',5'цАМФ в

механизм

ве нуклеозида (электронный переход

Следующей по скорости идет реакция обра­

примерно в

(254 нм)

Результаты настоящей работы позволяют сде­

раза (соответ­

лать вывод, что при ВУФ облучении пленок адено­

ственно) выше, чем в отсутствии реголита. Не уда­

зина, неорганического фосфата и лунного грунта

лось зафиксировать влияние лунной породы на вы­

происходит абиогенный синтез природных моно­

ход З'АМФ из-за чрезвычайно низкого образования

нуклеотидов. Данная реакция идет с преимущест­

данного нуклеотида -

венным образованием

2

порядка

1,3

0,002 %.

Наряду с процессами синтеза нуклеотидов

при БУФ

облучении происходили и процессы

5'

производных, хотя и по­

лучается весь набор монофосфатов, встречающихся
в живых организмах.

распада как исходных соединений, так и вновь

Преимущественное

возникновение

моно­

5'

синтезированных. Наряду с процессами деграда­

фосфатов говорит о том, что гидроксильная rруппа

ции пуринового кольца с образованием продук­

в пятом положении рибозильного остатка аденози­

тов, которые не поглощают в области

на наиболее реакционноспособна в данных услови­

254

нм, про­

текали реакции разрыва N-гликозидной связи с

ях. Аналогичная закономерность наблюдалась нами

выделением свободного аденина. Максимальный

ранее при действии БУФ излучения и суммы ис­

распад аденозина составляет примерно

точников

1О %,

а

энергии

открытого

космоса

на

сухие

максимальное освобождение аденина равно при­

пленки

близительно

дезоксиаденозина и неорганического фосфата

При этом аденин образуется

уридина,

цитидина,

тимидина,

аденозина,

Процессы синтеза и распада идут одновременно и

( Ур­
1975; Кузичева и др., 1997; Kuzicheva, Gontareva, 1999; Додоноваи др., 1994). Во всех случаях с
максимальным выходом синтезировались 5' моно­

конкурируют друг с другом. Поэтому с увеличе­

фосфаты соответствующих нуклеозидов.

15 %.

как при распаде исходного нуклеозида, так и при
распаде

вновь

синтезированных

нуклеотидов.

нием дозы БУФ излучения реакции распада начи­

Нами бьшо показано, что производные адено­

10-15 % при

9-часовом облу­

чении, тогда как пиримидиновые нуклеозиды

в среднем на

50 %

(Урбах,

1975).

Данные, полученные в процессе изучения
действия БУФ облучения на сухие смеси нуклео­

нают доминировать над процессами синтеза.

зина распадаются на

бах,

-

Таким образом,

зид-фосфат в присутствии лунного грунта по­
зволяют предполагать, что в условиях открытого

космоса, на лунной поверхности, на поверхности
комет,

астероидов, метеоритов, частиц космиче­

пуриновая структура устойчивее к БУФ облуче­

ской пыли может протекать абиогенный синтез

нию, чем пиримидиновая.

достаточно сложных соединений

Излучению с длинами волн менее

-

мономерных

нм со­

звеньев нуклеиновых кислот. Почти все необходи­

ответствует поглощение с возбуждением Snn-со­

мые исходные компоненты для подобных синтезов

стояний пуринового кольца аденозина. В дцнной

обнаружены при исследованиях космических тел

спектральной области также дополнительно про­

(Cooper et al., 1992; Cronin et al., 1988; Raulin et al.,
1999; Cooper, 1997; Kuzicheva, Simakov, 1999).

200

исходит возбуждение электронных состояний уг­
леводных и фосфатных групп. Первый процесс

Подобные

процессы

абиогенного

синтеза

приводит к деструкции с разрывом N-гликозид­

могли протекать уже на начальных этапах форми­

ной связи, а два последних

рования Солнечной системы, а к моменту образо-

-

к синтезу нуклео-


Е. А. Кузичева и др. Метеоритные подложки и лунный грунт и пребиотический синтез нуклеотидов

вания нашей планеты химическая эволюция могла

нуклеотидов под действием вакуумного ультрафио­

быть очень близка к той стадии, за которой уже

летового излучения// Биофизика. Т.

следует биологическая эволюция. Таким образом,
можно предположить, что земная химическая эво­
люция могла начаться сразу со стадии полимери­

зации или даже еще с более позднего этапа. Меха­
низм доставки синтезированных в космосе биоло­

гически значимых соединений на первобытную
Землю при помощи комет и метеоритов широко

обсуждается в последнее время. Возможно, по­
добные предположения помогут немного прибли­

зить нас к разрешению парадокса столь быстрого
возникновения жизни на только что сформировав­
шейся Земле. Последние исследования показыва­

ют, что наша планета как единое целое сформиро­
валась примерно

4,0-4,5

млрд лет назад. Наличие

развитых живых организмов ученые регистрируют

уже

3,5 млрд лет назад. По
0,5-1,0 млрд лет составляют

космическим меркам
очень малый срок для

зарождения жизни на Земле.
Данные, полученные нами в процессе изучения
синтеза нуклеотидов в присутствии метеоритных
подложек, позволяют предполагать, что на поверх­

ности комет, астероидов, метеоритов, частиц косми­

ческой пьmи может протекать синтез компонентов

нуклеиновых кислот. Почти все необходимые ком­
поненты для подобных синтезов обнаружены при
исследовании космических тел. Синтезированные

подобным образом биологически значимые соеди­
нения вполне могли достигать поверхности Земли
в добиологический период ее развития и способст­
вовать зарождению

первых живых

организмов.

Литература
ВудДж. А.

(1975)

Обзор типов лунных пород и срав­

нение лунной и земной коры
планет. М. С.

//

Космохимия Луны и

29-45.

Додонова Н. Я., Цыганенка Н. М., Кузичева Е. А., Си­

маков МБ.

1

401

(1994)

Абиогенный синтез уридиновых

Кузичева Е. А., Симаков МБ.,

39., 1. С. 26--31.
Малько ИЛ. (1997) Вклад

вакуумного ультрафиолетового излучения в абио­
генный синтез пиримидиновых нуклеотидов

Ж. эвол. биохим. и физиол. Т.
Урбах В. Ю.

(1975)

33.

№

2.

С.

//

129-133.

Статистический анализ в биологиче­

ских и медицинских исследованиях. М.: Медицина.
с.

295.

BarЬier В., ChaЬin А.,

Chaput D., Brack А. (1998) Photochemical processing of amino acids in Earth orbit //
Planet. Space Sci. V. 46. № 4. Р. 391-398.
Cooper G. W (1997) An investigation of sugars and other
possiЫe formaldehyde products in the Murchinson
meteorite // Proceed. Of sixth symposium on chemical evolution and the origin and evolution of life.
Р. 48.
Cooper G. W, Onwo W М, Cronin J. (1992) Alkyl phosphonic acids and sulphonic acids in Murchinson meteorite // Geochim. Cosmochim. Acta. V. 56. Р. 41094115.
Cronin J. R., Pizarello S., Cruickshank D. Р (1988) Organic matter in carbonaceous chondrites, planetary satellites, asteroids and comets // Meteorites and the Early
Solar System // Tuscon University of Arizona Press.
Р. 819-857.
Horneck G. (1999) European activities in exobiology in
Earth orbit: results and perspectives // Adv. Space res.
V. 23. № 2. Р. 381-386.
Horneck G. (l 995) ExoЬiology, the study of origin, evolution and distribution of life within the context of cosmic
evolution // Planet. Space Sci. V. 43. № 1/2. Р. 189-217.
Kuzicheva Е. А., Gontareva N. В. (1999) The possibility of
nucleotide aboigenic synthesis in conditions of «Cosmos-2044» satellite space flight // Adv. Space Res.
V. 23, 2. Р. 393-396.
Kuzicheva Е. А" Simakov М В. (1999) AЬiogenic synthesis
of nucleotides in conditions of space flight of BIOSPUTNIK «Bion-11» // Adv. Space Res. V. 23, 2. Р. 387-391.
Raulin F, Sternberg R., Coscia D., Vidal-Madjar С., Millot М-С., SeЬillle В" Jsrael G. (1999) Chromatographic instrumentation in space: past, present and future developments for exobiological studies // Adv. Space Res.
V. 23. № 2, РР. 361-366.


ЗАРОЖДЕНИЕ ПРИМИТИВНОГО ХЕМОАВТОТРОФНОГО МЕТАБОЛИЗМА
В ГИДРОТЕРМАХ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПРЕДКОВЫХ ТАКСОНОВ ПРОКАРИОТ

С А. Маракушев, О. В. Белоногова
Институт проблем химической физики РАН.
тarak@cat.icp.ac. rи

Последний общий предшественник
нентов

центрального

промежуточного

(last common ancestor метаболизма,

LCA)

обладал минимальным пулом компо­

представляющего

собой

систему

сопряженных

3-

гидроксипропионатного (3-ГП) и восстановительного цитратного (ВЦ) архаических циклов хемоавтотрофной

фиксации СО 2

(CAF

бицикл). Конкуренция между ними и физико-химический (в дальнейшем естественный)

отбор в гидротермальных условиях привел к дивергенции содержащих

образова­

нием преДковых бактериальных типов

эволюци­

Chloroflexi

CAF бицикл протоклеток с
Aquificae (ВЦ цикл). Аналогичный

(3-ГП цикл) и

онный механизм предложен для дивергенции протоклеток последнего архейского общего предшественника с
формированием предковых отрядов

Thermoproteales и Desulfurococcales (восстановительный дикарбоксилат­
Sulfolobales (3-гидроксипропионатный/4-гидроксибутиратный цикл)
субдомене Archaea - Crenarchaeota.

ный/4-гидроксибутиратный цикл), а также
в

остается невыясненной. Эта проблема связана с

Введение

определением «минимальной клетки»
Развитие биохимии и молекулярной биоло­

2004;

Lиisi

et а!., 2006;

Szathтary

(Islas et а!.,
et а!., 2005) как

гии последнего века показало, что все биологиче­

минимальной

ские объекты имеют общие биохимические корни,

уровне, представляющей собой совокупность трех

т. к. главные структурные составляющие клетки и

основных свойств всех организмов: самоподдер­

«единицы

жизни»

на

клеточном

принципы молекулярной генетики, а также основ­

живание (метаболизм), самовоспроизведение (реп­

ные метаболические реакции представлены во всех

ликация) и способность к развитию. По определе­

трех фундаментальных доменах жизни,

нию

консервативный

лизм

-

Archaea

и

Таким образом, гипотеза по­

Eucarya.

следнего общего предшественника

ancestor -

LCA)

Bacteria,

(last common

всех современных организмов

имеет существенное обоснование. Независимо от
того, был ли

промежуточный

метабо­

это центральные пути анаболизма и ката­

болизма углерода, биосинтеза аминокислот, нуклео­
тидов, витаминов и кофакторов
Большинство

глубоко

(Downs, 2006).

укорененных

линий

единообразным организмом,

прокариотов являются гипертермофилами (Воиssаи

т. е. индивидуальной клеткой, обладающей боль­

et а!., 2008; Bиrggraf et а!., 1992; Расе, 1997; Reysenbach, Shock, 2002). Например, при реконструк­
ции фактора элонгации трансляции EF-Tu/EF-1 а

LCA

шей частью особенностей, присущих современ­
ным организмам, или популяцией клеток, сумми­

рующей эти особенности

природа

(серии белков, соответствующих различным внут­

метаболизма

ренним узлам филогенетического древа) измерение

(синтез и взаимопревращение наиболее важных

термостабильности белков показало, что темпера­

метаболитов общих для большинства организмов)

тура среды, в которой жили древние прокариоты

первичного

ядра

( Woese, 1998),

промежуточного

3 млрд
Работа выполнена при финансовой поддержке программы
фундаментальных исследований Президиума РАН №
программа

1:

28

(под­

«Происхождение и эволюция биосферы: от кос­

мохимии к биогеохимии»).

~

лет назад была значительно выше совре-

меннои (Гельфанд,

2009).

l

Есть существенные ос-

нования считать, что первые формы жизни могли
возникнуть в окружении, аналогичном современ-


Глава

404

111. Теоретические

и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

ным гидротермальным системам

(Martin, Russel/,

2007; Reysenbach, Cady, 2001),

а глубочайшие

прокариотах (Маракушев,

2007;

Маракушев,

2008).

Предложена объединенная система архаической

корни филогенетического древа представляют со­

фиксации СО 2 (СО 2

archaic fixation -

CAF) в виде

бой хемолитотрофные автотрофы (организмы, по­

совмещенных ацетил-СоА пути, 3-ГП цикла и ВЦ

лучающие энергию из неорганических субстратов

цикла, содержащая редокс-пару сукцинат ~ фума­

и использующие СО 2 в качестве единственного

рат, способную к переключению потока электро­

источника углерода), что указывает на автотрофию

нов в прямом или обратном направлении в зави­

как первичный метаболический процесс. Впервые

симости от редокс-потенциала окружающей гео­

идею о том, что первыми организмами на Земле

химической среды (Маракушев, Белоногова,

были анаэробные автотрофы выдвинул русский

Marakushev, Belonogova, 2009).

2009;

Показано,

что

микробиолог Константин Сергеевич Мережков­

окислительно-восстановительный геохимический

ский

режим,

один из создателей теории симбиогенеза

-

(термин

Мережковского)

Mereschkowski, 191 О).

(Мереж:ковский,

1909;

Существует также возмож­

обусловленный температурой,

составом

гидротермального флюида и минеральным окру­
жением

определяет

возможности

самоорганиза­

ность, что хемолитотрофия предшествует авто­

ции цикла и устойчивость компонентов автоката­

трофии и, следовательно, первый хемолитотроф

литического

являлся хемолитотрофным гетеротрофом, исполь­

ции) с углеводородами.

CAF

цикла в парагенезисе

(ассоциа­

и

Хемоавтотрофная модель архаической фик­

абиогенные органические вещества, как источни­

сации СО 2 на основе ацетил-СоА пути (путь Ву­

ки углерода

да-Люнгдала) в качестве первичного ядра про­

зующим

неорганические

источники

энергии

(Kelly, Wood, 2006).

Современные модели происхождения биохи­

межуточного метаболизма детально рассматрива­

мии автотрофного метаболизма базируются на об­
щей схеме образования сложных систем из про­

ется в работах (Martin, Russell, 2003; Martin, Russell, 2007; Russell, Martin, 2004). В этом сценарии

стых, включающей систему автотрофной фикса­

в

ции СО 2 , как основу эволюции первичного про­

никах продуктом архаического автотрофного аце­

межуточного метаболизма. Известно, что цитрат­

тил-СоА пути фиксации СО 2 является ацетат, тогда

ный цикл (цикл лимонной кислоты, цикл трикар­

как в высокотемпературных источниках образует­

боновых кислот, цикл Кребса), способный функ­

ся метан, что на уровне

ционировать как в окислительном, так и в восста­

между ацетогенами и метаногенами, создавшими

новительном

впоследствии домены

низкотемпературных

гидротермальных

LCA

источ­

создало разделение

(Hartman, 1975).

Bacteria и Archaea (Martin,
Russell, 2007; Nitschke, Russell, 2009). То есть пер­

Именно восстановительный цитратный (ВЦ) цикл

вые свободно живущие бактерии сформировались

фиксации СО 2 (цикл Арнона-Баханана) явился

на основе ацетогенезиса, тогда как первые археи

направлении,

играет

роль в промежуточном метаболизме

центральную

основой теории первичного поверхностного ме­

на основе метаногенезиса. Тем не менее, рассмот­

таболизма

рение ацетил-СоА пути, как первичной метаболи­

1990)

(Wiichtershduser, 1988; Wachtershauser,

и фундаментом развития представлений об

ческой системы маловероятно вследствие доста­

метаболизма

точно сложного механизма фиксации СО 2 , выяв­

как автокаталитической химической сети (Lindahl,
2004; Morowitz et а!., 1999; Morowitz et а!., 2000;
Morowitz et а!., 2007). ВЦ цикл имеет особенно­

ленного на основе данных по изотопному фрак­

сти, благоприятствующие химической самоорга­

ных кофакторов, участвующих в катализе реакций

низации. Он является автокаталитической цепью

ацетогенезиса и метаногенезиса. Кроме того, по­

в виде одной короткой петли, его синтетические

следние филогенетические данные анализа вставок

реакции избыточны и все реакции интермедиатов

и делеций

цикла реакции первого порядка (Smith, Morowitz, 2004; Trefil et а!., 2009). Дополнительно к ВЦ

незис из первичного примитивного метаболизма, а

универсальности

промежуточного

ционированию углерода (напр.,

(House et а!., 2003)),

и необходимости изначально структурно изощрен­

(Lake et а!., 2009)

исключают метаноге­

фундаментальные исследования мембранной хи­

таболизма был предложен 3-гидроксипропионатный

мии и топологии ( Cavalier-Smith, 2006; CavalierSmith, 2010) убедительно доказывают, что к корню

(3-ГП) цикл, функционирующий в термофильных

древа жизни наиболее приближены термофильные

циклу нами в качестве ядра промежуточного ме­


405

С. А. Маракушев, О. В. Белоногова. Примитивный хемоавтотрофный метаболизм в гидротермах

таксоны домена

Bacteria,

а ветвь домена

Archaea

слот, представленных

13 составами системы С-Н--0.

является значительно более поздней генерацией

Синтез карбоксильных кислот, являющихся анап­

эволюционирующего древа жизни.

леротическими (возмещающими) интермедиатами

Большинство исследователей считает, что мы

должны рассматривать

LCA как пул

генов, распре­

системы архаической хемоавтотрофной фиксации

СО 2

(CAF

бицикла), происходил в гидротермах

как

при окислении углеводородов (Маракушев, 2008;
Marakushev, Belonogova, 2009). ВЦ и 3-ГП циклы в
составе CAF бицикла объединены на основе общей

набор сопряженных метаболических циклов ере-

последовательности малат +-+ фумарат +-+ сукци-

ди

пат, реакции в которой идут в противоположных

деленных среди огромного количества первичных

организмов. Однако в настоящей работе представ­
лен более примитивный образ

популяции

LCA -

зарождающихся

LCA

протоклеток.

Обосновывается гипотеза, что последний общий

направлениях,

бактериальный

образом электрохимическим потенциалом реакции

предшественник

bacterial ancestor - LBCA)

(last common

обладал минимальным

(СН)2(СООН) 2

которые

+ Н2 =

определяются

главным

(СН2)2(СООН) 2 . Объединение

пулом компонентов центрального промежуточно­

этих циклов на основе этой общей последова­

го метаболизма, представляющего собой систему

тельности позволяет значительно увеличить

ста­

сопряженных 3-гидроксипропионатного (3-ГП) и

бильность системы в целом к изменению редокс­

восстановительного цитратного (ВЦ) архаических

условий окружающей

циклов хемоавтотрофной фиксации СО 2

(модульная комбинация циклов) обосновывается

(CAF

би-

цикл). Конкуренция между ними и физико-хими-

ческий (в

дальнейшем

реликтовой

Это

объединение

конструкционной

отбор в

мозаики этих трех метаболических путей в ряде

гидротермальных условиях привел к дивергенции

таксонов прокариот расположенных вблизи корня

содержащих

CAF

естественный)

существованием

среды.

бицикл протоклеток с образова­

нием предковых бактериальных таксонов

flexi

(3-ГП цикл) и

Aquificae

филогенетического древа жизни. В принципе мо­

Chloro-

дулярность сложных биохимических сетей опре­

(ВЦ цикл). Анало­

деляет устойчивость, гибкость и способность к

гичный эволюционный механизм предложен для

эволюции всех

дивергенции протоклеток последнего архейского

Spirin et al., 2006).

общего предшественника с формированием пред­

хаический ВЦ цикл должен быть частью сети сце­

ковых отрядов

пленных гомологичных циклов впервые постули­

Thennoproteales

и

Desulfurococcales

организмов

(Samal et al., 2006;

Предположение о том, что ар­

(восстановительный дикарбоксилатный/4-гидрокси­

ровалось в работах Гюнтера Вахтершаузера

бутиратный цикл), а также

tershi:iuser, 1988; Wachtershauser, 1990).

Sulfolobales

(3-гидро­

ксипропионатный/4-гидроксибутиратный цикл) в
субдомене Archaea -

( Wach-

Результатом фиксации двух молекул СО 2 в ВЦ

цикле является ацетат (при диспропорционирова­

Crenarchaeota.

нии молекулы цитрата на ацетат и оксалоацетат),

1.

который возвращается в цикл восстановительным

Зарождение и устойчивость

карбоксилированием до пирувата. Пируват кар­

комбинированных

боксилируется до оксалоацетата и замыкает

автокаталитических циклов

цикл, рис.

хемоавтотрофной фиксации

цикле приводит к образованию глиоксилата (дис­

двуокиси углерода

пропорционированием малата на глиоксилат и аце­

1.

CAF

Фиксация двух молекул НСО 3 - в 3-ГП

тат). Без рассмотрения пути регенерации молеку­
Число органических реакций необходимых для

лы глиоксилата, который репродуцирует очеред­

возникновения организованного ядра метаболиз­

ную молекулу ацетата с сопутствующим образо­

ма на удивление чрезвычайно мало и согласно

(Srinivasan, Morowitz, 2009)

минимальный авто­

трофный метаболом содержит только около
карбоксильных кислот. На рис.

65

1 представлена ре­

дуцированная версия, в которой интегральная сис­

ванием пирувата (на схеме не показано), две петли

CAF

цикла (ацетат

ацетат

-

-

малат, 3-ГП цикл и оксало­

цитрат, ВЦ цикл) являются самовоспро­

изводящимися

автокаталитическими

системаvи.

Источником электронов и энергии в бицикле явля­

тема ядра промежуточного метаболизма содержит

ется молекулярный водород, глубинное поступле­

только

ние

18

самоорганизованных карбоксильных ки-

которого

создает

условия

стационарности


406

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

~i r_:.~IШpp~

Ala,Нis
....,.. __ _

Jl , ,. . . ._он

но~

..__,,,-

\(----~Пе,

Val,
Met, Тrр

о

Рис.

1.

rlU

-

он

ноЛо

3-ГидрОIССШiрОПИОНВТ

Ядро архаического хемоавтотрофного промежуточного метаболизма последнего бактериального общего предшест­
венника

(LBCA) -

CAF

бицикл в виде сопряженных автокаталитических петель восстановительного цитратного (ВЦ)

и 3-гидроксипропионатного (3-ГП) циклов. Сукцинат и ацетат

фиксирует СО 2 , а 3-ГП цикл -

-

НСОз-. Равновесие сукцинат -

центральные интермедиаты

CAF

бицикла. ВЦ цикл

фумарат определяет направление потока электро­

нов в бицикле. Пунктирными стрелками показаны пути образования важнейших метаболитов (строительных блоков) из
интермедиатов циклов

-

пуринов, пиримидинов, липидов, сахаров и аминокислот: аспартата

(Asp), аспарагина
(Arg), метионина (Met), лейцина (Leu), изолейцина (lle), глутамата (Glu), глутамина
(His), глицина (Gly), серина (Sег), валина (Val), триптофана (Тгр), аланина (Ala)

(Аsп), треонина (Тhг), аргинина
(Glп), пролина (Рго), гистидина

Архаический 3-ГП цикл также представляет

и устойчивости рассматриваемой системы. Счита­

2004).

ется, что содержание водорода в глубинных флюи­

собой автокаталитическую петлю со свойствами

дах и в гидротермальных системах древней Земли

положительной обратной связи, подобно, например,

было выше современного

реакции

(Fedonkin, 2008).

Автокаталитическая природа ВЦ цикла рас­
смотрена в работах

(Morowitz, 1999; Smith, Morowitz,

ЗНСОз- + зн+
= 6Н2О

+ 6Н2 + СН2(ОН)СН2СООН =
+ 2СН 2 (0Н)СН 2 СООН


407

С А. Маракушев, О. В. Белоногова. Примитивный хемоавтотрофный метаболизм в гидротермах

Таблица

1

Свободные энергии Гиббса (дG т) суммарных реакций одного оборота архаических ВЦ и 3-ГП циклов в щелочных
0

условиях гидротермальных полей при температурах (Т, К)
Константы из работ

298, 373 и 473 К и
(Amend, Shock, 2001; Miller, Smith-Magowan, 1990). µн 2 -

Реакция

2НСОз-+ Н+

+

лd'29s

Лd'373

ЛG'm

ЛG'298-Лd'm

кДж/моль

кДж/моль

кДж/моль

кДж/моль

-33,40

-33,81

-35,28

+1,88

давлении насыщения паров воды.
химический потенциал водорода
Архаи-

+

3-ГП

+ЗН 2 0

+ 4Н 2 =

2С0 2

= СН 3 соо- (Ацетат-)+

142,61

-117,24

-13,85

-8,17

-76,95

65,66

циклов

циклы

2Н 2 =

= ОСНСОО-(Глиоксилат)

Характеристики

ческие

1. Высокие Т
2. Низкий µн2
1.
2.
3.

вц

+ Н+ +2Н 2 0

(рис.

2)

Низкие Т

Высокий µн 2 (рис.

2).

Участие сульфидов ме-

таллов в реакциях

FeS + H2S = FeS 2 + Н2

-13,85

о

(один 3-гидроксипропионат--+ два 3-гидроксипро­

Эмиссия углеводородов на океаническое дно

пионата), что создает свойство сетевого автоката­

связана со щелочным магматизмом (Маракушев,

МаракушевА. А., Маракушев С. А.,

лиза, предохраняющего промежуточные интерме­

1999;

диаты от их участия в побочных паразитических

ракушев А. А., Маракушев С. А.,

2008),

2006;

Ма­

а идеальной

реакциях. Такое ограничение степеней свободы в

симуляцией гидротермальной системы, обуслав­

системе, согласно

ливающей генерацию компонентов системы фик­

(Galimov, 2004),

приводит к ее

упорядоченности.

сации СО 2 , являются гидротермальные поля Лост

Сити в Атлантическом океане, выбрасывающие
щелочные флюиды с рН

2.

отбор» архаических

9-11, содержащие угле­
водороды (Копп et al., 2009; Proskurowski et al.,
2008) и органические кислоты (Lang et al., 2010).

автокаталитических циклов

В этих условиях карбоксильные кислоты, обра­

Конкуренция и «естественный

зующие

Окисление алкенов (этилен) приводит к появ­

архаическую

фиксации

COz,

автокаталитическую

сеть

находятся практически в полно­

лению областей термодинамической устойчивости

стью ионизированном состоянии. В табл.

(фаций) ацетата и сукцината при температурах

ставлены свободные энергии суммарной реакции

выше и ниже ::::;бОО К соответственно. Окисление

одного оборота архаических циклов в составе

алканов (этан) приводит к образованию ацетата и

в

сукцината при температурах выше и ниже

гидротермальных источников. Изменения свобод­

соответственно

ной энергии ЛG 298

::::;450 К
(Marakushev, Belonogova, 2009).

различных

температурных

--+

режимах

1

пред­

CAF

щелочных

ЛG 473 также свидетельству­

Ацетат карбоксилируется с образованием малона­

ют,

та (3-ГП цикл) и пирувата (ВЦ и 3-ГП цикл), а

мальной среды более благоприятны для архаиче­

сукцинат

ского 3-ГП цикла по сравнению с ВЦ циклом.

-

цикл) (рис.

с образованием 2-оксотоглутарата (ВЦ

1).

Увеличение концентрации субстра­

что

высокотемпературные

условия

гидротер­

На диаграмме химический потенциал водо­

тов этих реакций в результате окисления углево­

рода (µю)

дородных гидротермальных флюидов будет сдви­

ся система углеводородов (источников интерме­

гать равновесие этих реакций, приводя к внедре­

диатов

нию атома углерода в состав молекул сукцината и

(С2Н2), алкенами (С 2 Н 4 ) и алканами (С2Нб, СН 4 ) в

-

CAF

температура (рис.

2)

рассматривает­

бицикла), представленных алкинами

ацетата и эти реакции фиксации СО 2 инициируют

гидротермальной среде при давлении

в целом эти автокаталитические циклы. Таким об­

дород переходит из

разом, углеводороды геохимических гидротермаль­

параметры (µн 2 ) наряду с температурой и давле­

ных систем пополняют пул центральных интерме­

нием, а двухкомпонентная система С-Н, пред-

диатов

CAF

цикла, приводя к интенсификации кар­

экстенсивных в

500

бар. Во­

интенсивные

А

ставленная совокупностью углеводородов, стано-

боксилирования ацетата при высоких температурах

вится однокомпонентной. Пунктирные линии на

(3-ГП цикл) и сукцината при низких (ВЦ цикл).

диаграмме,

представляющие

собой двухфазные


Глава

408

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

µн, кДж/моль
2

-40

-80

-120

400
Рис.

2.

600

Диаграмма химический потенциал водорода (µн2)

-

800

температура (Т) при давлении

стантам и методике, приведенным в работах (Маракушев, Белоногова,

500 бар, построенная по кон­
2009; Marakushev, Belonogova, 2009; Oe/kers et а/.,

1995). Система углеводородов, представленных метаном (СН4), этаном (С2Нв). этиленом (С2Н4) и ацетиленом
(С 2 Н2) показана моновариантными равновесиями в виде пунктирных линий. Сплошные линии

моновариант­

-

ные равновесия карбоксильных кислот. Формулы равновесия сукцинат-фумарат выделены жирным шрифтом.

Штрихпунктирные линии -

изоактивности молекулярного водорода (10-n М). Приведены температуры (К) нонва­

риантных равновесий (точки)

моновариантные

антные

поля

равновесия,

разделяют

термодинамической

дивари­

устойчивости

Равновесие «сукцинат

-

докс-переключателем,

изменяющим

фумарат» является ре­
поток

элек­

(фации) углеводородов. Точки, обозначенные зна­

тронов в направлении архаических ВЦ или 3-ГП

чениями температуры, представляют собой трех­

циклов (рис.

фазные нонвариантные равновесия

моотношения между ними и определяет возмож­

С2НсСН4 и

677 К,

(811

К, С 2 Нг

С2НсС2Нб-СН4). Реальное су­

1),

что создает конкурентные взаи­

ности дивергенции исходного

CAF

бицикла в за­

ществование этих метастабильных равновесий в

висимости от химического потенциала водорода

гидротермальных системах было эксперименталь­

(Маракушев, Белоногова,

но обосновано в работах

ляет

(Seewald, 1994; Seewald,

CAF

2011).

Это опреде­

бицикл как систему с отрицательной

В фазовом пространстве этой углеводород­

обратной связью, позволяющей переключать на­

ной системы рассмотрим равновесия «сукцинат

правления его функционирования. Фазовое про­

(СН2)2(СООН)2

странство выше равновесия сукцинат

2001).

-

тат (СН 3 СООН)»,

фумарат (СН)2(СООН)2

-

аце­

представляющие собой сово­

-

фумарат

благоприятно для развития реакций ВЦ цикла,

купность двухфазных моновариантных равновесий

ниже

(сплошные линии), координируемых нонвариант­

сукцината (фация ВЦ цикла) практически полно­

ным трехфазным равновесием при

стью располагается в фации этана, распространяясь

589 К

(рис.

2).

-

для 3-ГП цикла. Область устойчивости


С. А. Маракушев, О. В. Белоногова. Примитивный хемоавтотрофный метаболизм в гидротермах

до температуры

К, и только при высоких по­

598

Происхождение предковых

3.

тенциалах водорода возникает парагенезис «сук­

цинат

-

409

таксонов бактерий

метаю>. Фумарат устойчив в областях

низких потенциалов водорода (фация 3-ГП цик­

Мы предполагаем, что рассмотренная выше

ла) и образует парагенезисы с этаном, этиленом и

комбинаторная система из двух архаических цик­

ацетиленом и парагенезис с метаном в области

лов

высоких температур.

промежуточного хемоавтотрофного метаболизма

Таким образом, редокс-равновесие автоката­

(CAF

бицикл) стала основой «примитивного»

последнего общего бактериального предшествен­

лизаторов сукцинат-фумарат определяет возмож­

ника

ность дивергенции

автономных протоклеток на древней Земле. Пер­

CAF

бицикла в направлении

(LBCA),

открывая путь для эволюции первых

архаического ВЦ или 3-ГП цикла, что и является

вичная популяция протоклеток

«естественным отбором», определяемым физико­

шаяся в результате коэволюции «метаболизм

LBCA,

образовав­

нетический анализ показывает, что «естественный

мембрана» (напр" (Munteanu et al., 2007; Szathmary,
2007)), содержала функционирующий CAF бицикл,

отбор» популяций автокатализаторов происходит

являвшийся автокаталитическим ядром архаиче­

химическими условиями окружающей среды. Ки­

при условии, когда процессы внутри популяций

ского промежуточного метаболизма. Амфифильные

протекают вблизи их термодинамического равно­

компоненты,

весия

(Parmon, 2001; Parmon, 2002),

а на основании

изотопных данных существование стационарности

брану,

самоорганизующиеся

образовывались

гидротермальном

в

в

протомем­

высокотемпературном

синтезе из эндогенных

углево­

биохимических систем недалеко от химического

дородов (Маракушев,

равновесия постулируется также в работах (ГШiи­

Shock, 1995),

мов,

цикл от окружающей среды. Каталитическая са­

2001; Galimov, 2004).
Сульфидная энергетика автотрофных циклов,

FeS + H2S = FeS2 + Н2 (Kalapos, 2007; Marakushev, Belonogova, 2009; MichaZkova, 2011; Wiichtershiiuser, 1990), имеет смысл
связанная с реакцией

2008; Bradley et а!., 2009;
CAF би­

пространственно изолируя

моорганизация тройного флюида из углеводоро­

дов, амфифилов и воды

(McCaskill et al., 2007)

с

циклом привела к созданию первой само­

CAF

воспроизводящейся протоклетки. Такая первич­

только для низкотемпературного ВЦ цикла, по­

ная

скольку с повышением температуры свободная

С-Н-0 способна к саморазмножению и накопле­

энергия этой реакции увеличивается (например,

автокаталитическая

протоклеточная

система

нию биомассы при стационарном поступлении Н 2

ЛG0298 = -13,81 кДж/моль, а ЛG 41з =О, табл. 1).

и СО 2 (а также ряда органических кислот, в каче­

Тем не менее, катализируемое сульфидами желе­

стве анаплеротических интермедиатов бицикла)

за и никеля образование метилтиоацетата (аналога

из гидротермального резервуара.

0

ацетил-СоА), синтезируемого как из СО

(Huber,
Wachtershiiuser, 2007; Michalkova et al., 2011; Wiichtershiiuser, 2006), так и из углеводородов (Мара­

Интермедиаты

CAF

бицикла

это исходный

-

материал для синтеза главных классов биологиче­
ских молекул (рис.

1,

пунктирные стрелки). По­

кушев, Белоногова, 2010а), видимо, необходимо для

ступление аммиака из гидротермальных флюидов

обоих циклов.

приводило к аминированию кетокислот

Конкуренция между архаическими хемоавто­

-

интер­

медиатов цикла с образованием аминокислот: гли­

CAF бицикла (рис. 1)

цин, серин (источник -глиоксилат), а-аланин (пи­

в условиях древней Земли должна была приво­

руват), ~-аланин (акрилат), аспартат (оксалоацетат),

трофными циклами в составе

дить к физико-химическому или «естественному»

глутамат (2-оксоглутарат) и др. В дальнейшем цик­

отбору, основными факторами которого являлись

лические

изменения

температуры

(термоцикл)

температура, окислительно-восстановительный по­

приводили к образованию автокаталитической сис­

тенциал и минеральный состав окружающей гид­

темы пеmиды -

ротермальной среды. Адекватность циклов к этим

персональное сообщение), пептиды которой в

условиям являлась критерием их отбора, создав­

некоторых

шего первичное метаболическое разделение ме­

реакций

жду группами зарождающихся архаических про­

цикл

токлеток.

невысокую

-

аминокислоты (Варфоломеев С. Д,

случаях

CAF цикла.

становились

катализаторf"lи

Образовавшаяся система

каталитические

пептиды,

селективность

CAF

несмотря

пептидного

на

катализа,


410

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

. ,_

3-ГПцикл

СО2+Н2

//

t

..--

ГJШоксилат+Н20

..._~

~ ~

~
(3)/

~(1)
ХА~~~)~~у

Аа /1
11\А'(2)

l\ Jl.
\

~

~

\

'

R

1 k···"-...(7)

(2)

,,,,.

т!

\

т

~

,

Те:мплаmая

·""' (6)
,
(4) \
f' ...,__.
,v. (8) ,v.v.
/
pVn~... ~

As~I~
~t

\

(5)

(2)А)

\(2)

\

~
\

(10)т

~

система

рап.тmкации

/

/

(12~!Jц~I!-~ •мембрана
[!;]

Рис.

3.

Модифицированная схема хемотона Ганти

(Ganti, 2002; Segbroeck et

а/"

2009).

Хемотон содержит три стехиометри­

чески сопряженные автокаталитические системы: метаболизма (ВЦ и 3-ГП циклы)

ной репликации
циклом

{(4)}

{(6), (7), (8)}

{(1 О), (11 )}.

{(6), (7)}.

{(1 ), (2), (3), (4), (5), (9)}, темплат­
{(2)} с метаболическим ВЦ

Происходит сопряжение 3-ГП цикла

и системой воспроизводящихся темплатов

поликонденсации

{(11 )}.

и мембраны

{(6)}.

Производятся молекулы мембран

Система темплатной репликации выполняет реакции

{(9), (10)},

которые спонтанно внедряются в мембрану

Когда поверхность мембраны удваивается, хемотон автоматически делится на две дочерние клетки

получала конкурентное

преиму~цество

для

даль­

дивергенции клеток

LBCA с образованием предко­
и Chloroflexi, современные ви­

нейшего развития.

вых типов

Модель хемотона Гаити (Fernando et а!" 2007;
Ganti, 2002; Segbroeck, 2009) иллюстрирует при­

ды которых функционируют на основе ВЦ и 3-ГП

мер минимальной клетки, являющейся прообразом

диверсификация контролировалась основными фак­

LBCA и

торами отбора, которыми являлись температура, ре­

состоящей ИЗ стехиометрически сопряжен­

ных автокаталитических подсистем (рис.

3):

мета­

Aquificae

циклов соответственно (рис.

докс-потенциал

и

4).

Эта фенотипическая

минеральные

составляющие

болизма, темплатной репликации и окружающей их

(сульфиды, фосфаты и переходные металлы) окру­

мембраны. «Энзиматизация» реакций

жающей среды. При этом популяция протоклеток,

CAF

цикла

и развитие примитивного генетического аппарата

содержащая

CAF

(репликация, транскрипция и трансляция амино­

вительных

гидротермальных

кислотной

пространство выше равновесия сукцинат-фумарат

последовательности

протоферментов

бицикла) привело к формированию клеток архаи­
ческой популяции

LBCA,

содержащей ВЦ и 3-ГП

(рис.

2))

бицикл, оказавшаяся в восстано­

сохранила только часть

условиях

CAF

(фазовое

бицикла ини­

циируемого реакциями карбоксилирования сукцина­

хемоавтотрофные метаболические системы фик­

та и 2-оксоглутарата (рис.

сации СО 2 в составе

протоклетки эволюционировали в предковый бакте­

CAF

цикла.

Дарвиновский естественный отбор под влияни­
ем гидротермальной окружающей среды приводил к

риальный тип

Aquificae,

1),

а именно ВЦ цикл. Эти

находящийся в основании

филогенетического древа жизни

(Lake et а!., 2009).


С. А. Маракушев, О. В. Белоногова. Примитивный хемоавтотрофный метаболизм в гидротермах

411

~

~З-ГП~]
(~)
(~)
~ ((з-гп~] '-_Естестве1mый отбОJ) ~
@цЦШ(лD

ПреДIСовый nm Clllo1·ofiexi ~ ~ ПреДIСовый nm AquШcae @ЦН1(3J
~ ChIOrofl=
(( ~ J) (( ~ J)
Н~ Aquife<

Tel\mшrmaя реJIЛИЕация

~

~

"Эmиматmация" реакций

f

CAF цикла

LBCA

ПроисхождеlПlе клеток

/

- 3.5 1\.1.Лрд. лет

Мембраны

~
"
Фmико-химическmi отбор
со Конкуренция

со со

УСТОWПIВОС'IЬ

CAF бицпклы

·БИОХИМИЯ'

Самоорганизация

i /
i/

:жирные KПCJIO'IЬI

"'

в сопряженные

автокатаJ1ИП1"-1еские
циклы

Орrаш1ческпе кпслоJЬI ~ анаплероn1ческпе 1mте1)медпа1Ь1 цеИiральпоrо метаболизма

.

Рис.

4.

ГЕОХИМИЯ.

(CAF

-

Среди автотрофных экстремофилов, чьи ге­

Aquifex aeolicus

в качестве главного

кандидата для создания модели архаического ана­

болического промежуточного метаболизма

LBCA

(Smith et а!., 2006; Srinivasan et а!., 2009).

Такая

модель представляет собой минимальный метабо­
молекулярный пул, проявляющий все свой­

ства метаболизма

восстановительной

трофной бактерии.

Aquifex aeolicus

-

восстановительный цитрат­

ficae

(Nakagawa, Takai, 2008). Aqui1) Aquificaceae, 2) Hyd-

разделен на три линии:

rogenotheпnaceae

-

микроаэрофильные хемоавто­

трофы, окисляющие молекулярный водород или
восстановленные соединения серы, и

3) Desulfu-

жесткие анаэробы, получающие

robacteriacea -

энергию, сопрягая окисление Н 2 и восстановление

элементной серы или нитрата

(Hugler et а!., 2007).

имеет один

же способствовали развитию ВЦ цикла в предко­

(Deckert et а!., 1998),

про­

Таким образом, ВЦ цикл являлся универсальным
консервативным каноническим ядром автотрофно­

го промежуточного метаболизма

мальных условиях

Восстановительные гидротермальные условия так­

являя ограниченную метаболическую гибкость.

Aquifex aeolicus.

на основе универсального

хемоавто­

из наименьших геномов среди свободно живущих

автотрофных бактерий

9-11

3-гидроксипропионатный цикл

номы были полностью секвенированы, выделяет­
ся бактерия

(LBCA)

С, рН

бицикл) и его дивергенция в направлении бактериальных таксонов Chloгoflexi и

в результате естественного отбора в гидротермальном окружении. ВЦ цикл

ный цикл. 3-ГП цикл

вида

T=l00-150

Схема происхождения последнего бактериального общего предшественника

Aquificae

-

ТидРотермальный раствор

Н2, СО, СО2, WЛЕВОДОРОДЫ

метаболического ядра

лом

Восстановленный щелочной

LBCA предкового

Водородная и сульфидная

вых

Epsilonproteobacteria (например, Hydrogenomonas и Sulfurovirum) (Hugler et а!., 2005; Nakagawa et al., 2007) и в сестринских группах Alphaи Deltaproteobacteria (например, сульфатредуци­
рующий Desulfobacter) (Schauder et al., 1987).
Популяция протоклеток, содержащая CAF цикл,
оказавшаяся

в

гидротермальных

окислительных

энергетика архаического ВЦ цикла (Kalapos,
2007; Marakushev, Belonogova, 2009; Wachtershauser, 1990) главным образом соответствует энерге­

условиях (фазовое пространство ниже равновесия

тическому метаболизму этих современных бакте­

карбоксилирования ацетата и пропионата,

рий, существующих в экстремальных гидротер-

цикл (рис.

«сукцинат
часть

CAF

фумарап>, рис.

2)

сохранила др)'l'уЮ

бицикла, инициируемого реакциями

1).

-

3-ГП

Этот цикл, обладающий последова-


Глава

412

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

тельностью реакций «сукцинат--+ фумарат--+ ма­

Chloroflexi

и

Так, предковый

Aquificae.

Aquifex

лат» является единственным путем фиксации СО 2

(ВЦ цикл) обосновался в сильно восстановитель­

в нитевидных термофильных аноксигенных зеле­

ных условиях глубоководных сульфидных гидро­

ных несерных фототрофных бактериях

Chloroflexi
(Chloroflexus aurantiacus, Chloroflexus aggregans,
Roseiflexus castenholzii и Roseiflexus sp. ·RS-1)
(Уголькова, Ивановский, 2000; Holo, Sirevag, 1986;
Кlatt et al., 2007; Strauss, Fuchs, 1993; Zarzycki
et al., 2008; Zarzycki et al., 2009), способных к ав­

терм, а предковый

тотрофному росту и использующих молекуляр­

скую фотосистему и гены аноксигенного фото­

ный водород в качестве донора электронов. Эти

синтеза при геодинамическом сдвиге гидротерм в

бактерии обитают в щелочных кремнеземистых го­

фотическую

Chloroflexus

(3-ГП цикл) рас­

пространился в более окислительных высокотем­
пературных ареалах (рис.
дней

Chloroflexus

4).

Дошедший до наших

филогенетически отличается от

любых других фотосинтетических организмов и,

видимо, его предковый вид приобрел метаболиче­

зону.

Механизмы

горизонтального

рячих источниках и формируют оранжевые мик­

переноса генов кодирующих бактериохлорофилл

робные маты, как сами по себе, так и в сообществе

и фотосинтетические реакционные центры от

с цианобактериями

зеленых серных бактерий и пурпурных протео­

(Synechococcus spp.).

На осно­

вании данных по фракционированию стабильных

бактерий,

изотопов углерода показано, что эти маты являются

Chloroflexus

современными аналогами древних формаций стро­

ных несерных аноксигенных фототрофных бакте­

матолитов Докембрия

рий рассмотрены в работах

бьши сформированы

(Meer et al., 2000), которые
или нитчатыми Chloroflexus

соответственно,

в

предковые

формы

с образованием современных зеле­

Xiong et al., 2000).

(Blankenship, 1992;

Видимо, аналогичным образом

или их предковой более простой вымершей ветвью

предковые вымершие таксоны

бактерий, которая могла существовать во времена

ционировали в современные фототрофные серные

~

бактерии ChloroЬiales, фиксирующие СО 2 с по­

3-3,5 млрд

лет назад

микрофоссилии в

(Schopf, 2006). Нитчатые
докембрийских (3,2 млрд лет)

гидротермальных

сульфидных

(Rasmussen, 2000)

месторождениях

также очень похожи на современ­

Aquificae

эволю­

мощью ВЦ цикла.

Таким образом, гипотеза эволюционной ди­
вергенции

LBCA,

функционирующего на основе

ные «нитчатые аноксигенные фототрофы», пред­

промежуточного метаболизма

в на­

ставляющие семейство

правлении

имеет

Chloroflexaceae.

По типу клеток выделяется первая глубочай­
шая ветвь эволюционного древа

-

клетки с двумя

ограничивающими мембранами негибактерии
(negibacteria), куда входят как Aquificae, так и
Chloroflexi ( Cavalier-Smith, 2006). Исследования

Chloroflexi

и

CAF цикла,
Aquificae (рис. 4),

существенное обоснование, а несерная нитчатая
бактерия

Aquifex,

Chloroflexus,

как и гидрогенотрофная

являются наилучшими кандидатами для

биомиметической реконструкции первой «мини­
мальной» автотрофной клетки.

мембранной химии и топологии показало, что ко­
рень бактериального древа жизни находится не­

посредственно за или внутри предковой

bacteria,

в частности,

Chloroflexi:

Chloro-

4.

значительно больше интенсивных исследований
мало изученного типа

Chlorobacteria

Дивергенция автотрофных
систем метаболизма в домене

«Необходимо

archaea

для лучшего

понимания природы нашего последнего общего
предшественника»

(Cavalier-Smith, 2010, с. lll).
Близость Chloroflexi к LBCA также подтверждается

В серии недавних исследований Георга Фучса

анализом поляризации инделов (вставок и деле­

(Berg et а!., 2007; Huber et а!., 2008; Teufel
et а!., 2009) в домене Archaea (субдомен Crenarchaeota) были открыты два новых пути автотроф­

ций)

(Valas, Bourne, 2009), а согласно филогенети­
ческому анализу (Boussau et а!., 2008) Chloroflexi
должен быть расположен близко к Aquificae.

ной ассимиляции двуокиси углерода: 3-гидрокси­

Редокс-обстановка окружающей гидротермаль­

ксибутиратный (ВД/4-ГБ) циклы. Они представ­

ной среды определила экологические ниши, бла­

ляют собой автокаталитическую систему реакци­

гоприятные

онных путей, комбинация частей которых создает

для

развития

предковых

таксонов

с соавт.

пропионатный/4-гидроксибутиратный (З-ГП/4-ГБ)
и восстановительный дикарбоксилатный/ 4-гидро­


413

С. А. Маракушев, О. В. Белоногова. Примитивный хемоавтотрофный метаболизм в гидротермах

Табnица2
Характеристики циклов хемоавтотрофной фиксации СО2 в доменах бактерий и архей

(Crenarchaeota)
no данным (Berg et а/., 2010Ь; Но/о, Sirevag, 1986; House et а/., 2003; Меег et а/., 2000)
АТФ

Циклы

Домен

Восстано-

экв ива-

в

Восстановительный

ТриНАДФН

А

цитратный цикл (цикл

Три

с

Арнона-Баханана)

или НАДН и два

ферредоксина

т

Е
3-Гидроксипропио-

R

натный цикл

1

ПятьНАДФН

Четыре

R

бутиратный цикл

и один неизвест-

ный донор

н

ТриНАДФН
или НАДН, два

Е

роксибутиратный цикл

илиНАДН

с
А

Дикарбоксилатный/4-гид-

ферменты

руемого

ванне углерода

углерода

(

Три

А

13

0), %о

2-Оксоглутарат
синтаза, изоцит-

-2до

С0 2

рат дегидрогеназа,

-12

пируват синтаза

пропионил-СоА

нсоз-

-12,5 ДО
-13,7

нсоз-

-0,2 ДО
-3,8

карбоксилаза

А

натный/ 4-гидрокси-

Изотопное

фракциониро-

Ацетил-СоN
Четыре НАДФН

Три

А

3-Гидроксипропио-

щие

вители

ленты

Форма

фикси-

СО 2 фиксирую-

Ацетил-СоN
пропионил-СоА

карбоксилаза

Пируват синтаза,

неизвестных

фосфоенолпиру-

донора и один

ват карбоксилаза

-0,2 ДО
-3,8

СО 2
нсоз-

ферредоксин

конкретные автотрофные системы фиксации СО 2

цикл развивается, начиная с восстановительного

(НСО 3 -) в экстремофильных археях

карбоксилирования ацетил-СоА до пирувата, ка­

В работе (Маракушев,

тализируемого чувствительным к кислороду фер­

2008).

(Huber et al.,
Белоногова, 20106)

нами бьша предложена объединенная система фик­

ментом

сации СО 2 в археях на основе 3-ГП, ВЦ, 3-ГП/4-ГБ

оксидоредуктаза). Субстратом пируват синтазы в

и ВД/4-ГБ циклов

(CAF

тетрацикл). Это обуслав­

-

пируват синтазой (пируват: ферредоксин

цикле является двуокись углерода (СО 2 ), а субстра­
бикарбонат (НСО 3 -).

ливалось данными о существовании ВЦ цикла в

том фосфоенолпирувата

отрядах Thennoproteales и Desulfurococcales (Ни,
Holden, 2006), а 3-ГП цикла в отряде Sulfolobales
(Alber et al., 2006), однако последние биохимиче­

Кислород-чувствительный ферредоксин в качест­

ские и филогенетические исследования опровер­

страненность микроорганизмов

гают существование в домене

Archaea, как ВЦ,
(Berg et al., 2010а; Ramos-Vera
et al., 2009; Sato, Atomi, 2011). Функциональные

Desulfurococcales

так и 3-ГП циклов

ными) условиями.

характеристики двух бактериальных и двух ар­

трофных отрядов

-

ве восстановителя является более предпочтитель­

ным, чем НАД( Ф )Н, что ограничивает распро­

Thennoproteales

и

анаэробными (или микроаэроб­

3-ГП/4-ГБ цикл функционирует в видах авто­

(рис.

Sulfolobales

субдомена

Crenar-

представляющими группу экс­

хейских современных хемоавтотрофных циклов

chaeota

фиксации СО 2 приведены в табл.

тремальных термоацидофилов (наилучший рост

2.

Примитив­

56),

ность механизма функционирования циклов сле­

при рН ~

дует из низкой степени фракционирования тяже­

данные о присутствии этого цикла в мезофильной

лого изотопа углерода ( 8).

морской группе

13

ВД/4-ГБ цикл функционирует в анаэробных
или микроаэробных автотрофных видах отрядов
Тhennoproteales и

и температуре

Большинство

60-90

°С). Существуют

Crenarchaea (Berg et а!., 2007).
Sulfolobales могут расти хемоавто­

трофно на сере, сульфидах металлов или моле­

боль­

кулярном водороде в микроаэробных условиях.

шинство из которых являются жесткими анаэро­

В 3-ГП/4-ГБ цикле из двух молекул бикар~оната

Desulfurococcales

(рис.

2

Sa),

бами, восстанавливающими молекулярным водо­

образуется одна молекула ацетил-СоА, а фермен­

родом элементную серу до сероводорода. Этот

ты цикла толерантны к кислороду. Единственным


Глава

414

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

ATP+CoASH

'[Ну

\.J!AD(P)+
NAD(P)H +н+_l'\

f '-..coASH

Сухцинат семиал:r.деrид Сухцинат семиал:r.деrид

NAD(P)H +Н+

(S)-Maл:ar

°'\

АкрилаИJ1-СаА

rн2 о

f'NAD(P)H +Н+

NAD(P)+"°1
j't--NAD(P)+
4-Гидраксн&утнраr 4-Гидракси6уrнрат

NAD+

f

АТР ПроDИDНВа-СаА

2[Н]")(

'

rьоу

О

Су.щвюш-СаА

2[Н] ~ CoASH

__., ...арат

\._NADH

(S)-7ал:аНИJ1-Сзс; нсоз·

~СаА

r'fh...

У'

ADP+Pi

Сухцина~ ADP+Pi

ATP+CoASH1

+н+

4-Гидраксн

rьо---1

l_нсоз·

АМР+Р1

f

Ац

етИJ1-

с

;

NAD(P)++CoASн;

\

NAD~

NAD+

NADH +н+

5.

Восстановительныt

CaASH

циклы

а/.,

фосфат,

Мал:аНИJ1-СаА

АТ~ ADP+Pi

~СоА--лдетня-са.(\

Ацетня-СаА

НСОз·

АцеrИJ1-СаА
б)

бутиратный (ВД/4-ГБ), (б)

Vera et

NAD(P)H +н+

Ацеrаf.ац~-.

а)
Рис.

апанат семиал:r.деrид

(S)-3-Гидра:кси6уrнрW1-СаА

~Ацетj\аацеrнл-СаАSН
Со

NAD(P)H +Н

м

Н 2 о--.\_

(S)-3-Гидракси&уrнрил-СаА

NADH +н+

NAD(P)++j

:Кратаюш-СаА

2

Fdnd
СО2

СаА

н СТ)}

---1

3-Гидракснпраimанат

~ Н2О

~раrаюш-

ATP+fuQ
Fd ох

ATP+CoASH

тнрИJ1-СаА 4-Гидраксн6утнрил-СаА

'fP

Фасфаена.ппируваr

..j

y--ATP+CoASH

~MP+PPi

AMP+PPi

кf;~еrат

3-ГидракснпраШ1DНИJ1-СаА
AMP+PPi

-

в домене

Archaea

(субдомен

Crenarchaeota):

(а)

-

дикарбоксилатный/4-гидрокси­

3-гидроксиnроnионатный/4-гидроксибутиратный (З-ГП/4-ГБ)

2009; Teufel et а/., 2009).
РР; - пирофосфат, NAD -

АТР

-

аденозинтрифосфат, АМР

-

(Berg et

аденозинмонофосфат, Р;

никотинамидадениндинуклеотид, Сод

-

коэнзим А,

Fd -

а/., 2010а,·

-

Ramos-

неорганический

ферредоксин

ключевым карбоксилирующим ферментом являет­

развиваются две различные реакции карбоксили­

ся биотинозависимая ацетил-СоА/пропионил-СоА

рования

карбоксилаза, катализирующая реакции фиксации

+ Н20

СО 2 производными ацетата и пропионата.

= СН 2 (СООН) 2 (3-ГП/4-ГБ). Эта точка бифурка­

ВД/4-ГБ и 3-ГП/4-ГБ циклы имеют общую ре­

+ СО 2 + Н 2 =

СН 3 СОСООН

(ВД/4-ГБ цикл) и СН 3 СООН

+

+.

СО2 =

ции архейского бицикла рассмотрена на диаграмме
химических потенциалов СО 2 и Н 2 (рис.

акционную последовательность сукцинил-СоА---+

---+
---+
---+
---+

СН 3 СООН

сукцинат семиальдегид

7),

по­

---+ 4-гидроксибутират
4-гидроксибутирил-СоА ---+ кротонил-СоА ---+

условиях. Линии на диаграмме представляют собой

3-гидроксибутирил СоА---+ ацетоацетил-СоА---+

метастабильные двухфазные равновесия автока­

строенной по водным константам в стандартных

ацетил-СоА. Объединение циклов на основе

тализаторов, разделяющие фации ацетата, пиру­

этой последовательности (аналогично объедине­

вата и малоната. Повышение химических потен­

нию бактериальных ВЦ и 3-ГП циклов) превра-

циалов водорода и двуокиси углерода приводит к

щают автокаталитические системы с положительной

смещению направления реакций в сторону обра­

обратной связью в систему с отрицательной обрат-

·

зования пирувата и инициации реакций архаиче­

ной связью. Представим эти объединенные циклы

ского ВД/4-ГБВ цикла, в то время как повышение

как термодинамическую систему С-Н-0 (рис.

химического потенциала СО 2 (независимо от хи­

6),

в

которой последовательность реакций в биомиме-

мического потенциала Н 2 ) приводит к образова­

тических архаических ВД/4-ГБ и 3-ГП/4-ГБ циклах

нию малоната и инициации реакции 3-ГП/4-ГБ

( сукцинат ---+ сукцинат полуальдегид ---+ 4-гидро---+ кротонат ---+ 3-гидроксибутират ---+
---+ ацетоацетат---+ ацетат) происходит в одном на-

цикла (рис.

правлении и в точке бифуркации этого бицикла

определяемых химическими потенциалами окру-

ксибутират

7).

Эта отрицательная обратная связь

автокаталитического архейского

CAF

бицикла оп­

ределяет его дивергенцию в двух направлениях,


С А. Маракушев, О. В. Белоногова. Примитивный хемоавтотрофный метаболизм в гидротермах

415

0

,ОН ,---~" ~2 ОН
.он ~ НOJl
Сук~:; 1
о
НО
Ji ,:о Метилма.панат
ПparmaнaZ
0

о

~

0

,,,........_

Jl
IIO'_ ~п
Фумарат о

}hoy

'_(

lhf

]_ 1rn,ОН

НО_,

НО"

~~ОН

Акри=туо
он

"-

t ~он
Ло

цикл

3-ГидРDКСипрDШIDНат

ЦИКЛ

~

но1{п

Кратанатlhоi

110

СО,~ ОН

ноууон

~lh

о о

J

lhOi

'--..

t
}-

архаической

~

но

но

о

о

Ма.панат

Ацетаацетат ""-

Ацетат

схема

о

'ПУон

Пируват\{Н20

о

м.,,.,.~~

3-ГидРа:ксибутират

Н 3С~)

Биомиметическая

о

ко!J(о"

О:ксалаацетат

6.

J-он

4-ГидРакс~бутират 3-ГШ4-ГБ нofio

ВД/4-ГБ

н.+с~')-

lh

\'--

}--он

:~о

Рис.

О

но~

о

\\

11

'-../

Сукцинат палу~деrид

'-../

Ма.пат

/

СО2

}-0

Ацетат

Ацетат

хемоавтотрофной

фиксации

СО 2

(CAF

бицикл

архейского

субдомена

Сгепагсhаеа), рассматриваемая как термодинамическая система С-Н-0, объединяющая представленные на рис.

5

циклы. Вместо бикарбонат иона приведены молекулы СО2, учитывая высокое парциальное давление окружающего
СО 2 в рассматриваемых гидротермальных системах

жающей гидротермальной среды, что приводит к

Предполагается, что эта система архаической

«естественному отбору» автокаталитических ар­

хемоавтотрофной фиксации СО 2 стала основой

хейских протометаболических систем фиксации

метаболизма универсального клеточного предше­

СО 2 . Таким образом, подобно архаическим бакте­

ственника субдомена

риальным

электро­

редь находящегося в основании архейской фило­

циклам,

направление

потока

Crenarchaeota,

в свою оче­

нов в архаическом архейском бицикле контроли­

генетической ветви древа жизни. Дарвиновский

руется химическими потенциалами окружающей

естественный отбор под влиянием гидротермаль­

гидротермальной среды. Важно что, окислитель­

ной окружающей среды привел к дивергенции по­

ные условия гидротермальной среды благоприят­

пуляции

клеток

ны для 3-ГП/4-ГБ цикла (ан.алог бактериального

предшественника

3-ГП цикла), а восстановительные для ВД/4-ГБ

LACA)

цикла (аналог бактериального ВЦ цикла).

предковые

последнего

архейского

общего

(last archaeal common ancestor t
Crenarchaeota на
отряды Thermoproteales и Desulfurococ-

в основании субдомена


416

Глава

J.\i

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

(кДж/моль)

1

10

Пируват

о

щсосоон+цо=

Архейский архаический

биЦИЮ1

- - - - - 3-Пl/4-ГБ ЦИЮ1

-10
Ацеrат

Малонат

-20

-350

-340

µсо (кДж/моль)
1

Рис.

7.

Точка бифуркации «пируват <--- ацетат -> малонат» на диаграмме химических потенциалов СО 2 и Н2 в стандартных

условиях. Значения свободной энергии образования (дG 298 ) водных пирувата взяты из работы (Miller, SmithMagowan, 1990), ацетата и малоната из работы (Amend, Shock, 2001)

0

Рис.

8.

Эволюционная дивергенция

CAF

бицикла на два

автотрофных цикла фиксации СО 2 в архейском

субдомене Сгепагсhаеоtа. Филогенетическое дре­
во способных к автотрофному росту видов суб­

;}

Thвmюproteus tenax

Themюproteus neutrophilus

Pyrobeculum is/andicum
Pyrobeculum calidifon§s
Pyrobвculum arsenalicum
Pyrobeculum aerophilum

домена Сгепагсhаеоtа на основе

1

следовательности

генов

16S

представлено

РНК по­
по

дан­

ным

(Berg et а/., 2010а). Археи отряда Thermoproteales и Desulfurococcales используют ВД/4-ГБ
цикл. Хемоавтотрофные виды порядка Sulfolobales функционируют на основе 3-ГП/4-ГБ цикла

if

ВД/4.ГS
цикn

Pyrodictum occultum
PyroloЬus fwnalii

lgnicoccus hospitaHs
Архей­

.

СIСИЙ

6ицикn

cales,

JI

Sulfolobus islandicum

8).

Таким образом, физико-химические свойства
систем хемоавтотрофного метаболизма опреде­
лили эволюционное развитие сначала предковых

Sulfurisphaera ohwakuenis

solfвtaricus

хемоавтотрофные

виды которых функционируют на основе ВД/4-ГБ,

SvlfoloЬus addocaldarius

Su/folobus

Sulfolobales,

а также 3-ГП/4-ГБ циклов соответственно (рис.

Sfygiolobus azollcus

Sulfo/obus tokodaii

а также отряд

ig:
i

таксонов домена
3.ГП/4.ГS
цикп

Bacteria,

а затем домена

Archaea.

Обобщенная схема филогенетического древа на
основе дивергенции клеток

LACA с об­
Bacteria
Archaea (Crenarchaeota) представлена на рис. 9.
LBCA

и

разованием предковых отрядов в доменах

Acklianus amblvalens

и

Acidianus infernus
Acidianus brierleyl

Различие систем хемоавтотрофного метаболизма

Mete/lospheera sedu/a

(табл.

2)

в итоге определило и генетическое раз­

личие между современными таксонами бактерий
и архей.


С. А. Маракушев, О. В. Белоногова. Примитивный хемоавтотрофный метаболизм в гидротермах

417

EUCARVA
ВЦ цикл

о- протоклетки LBCA
о-протоклетки LACA
Рис.

9.

Дивергенция протоклеток в направлении предковых таксонов доменов

Bacteria

и

Archaea.

Модифицированное уни­

версальное древо жизни, показывающее эволюционные взаимоотношения организмов в трехдоменной модели Вэзе

согласно (Маракушев, Белоногова,

2011; Javaux, 2006; Woese et а/., 1990; Woese, 1998).

В рамках

-

геологический

возраст (млрд лет) согласно данным палеонтологии и филогенетическому анализу последовательностей генов в

16S/18S

рибосомальных РНК.

LBCA-

последний бактериальный общий предшественник,

хейский общий предшественник. Показана дивергенция
и

ftexales

Aquificales

LBCA

LACA -

последний ар­

с образованием бактериальных отрядов Chloгo­

на основе 3-ГП и ВЦ циклов соответственно. Дивергенция

LACA в субдомене Archaea (Сгеп­
Thermoproteales и Desulfurococcales (ВД/4-ГБ цикл) и Sulfolobales
Aquificales и Chloroftexales, а также архейские отряды Desulfurococcales,

агсhаеоtа) происходила с образованием отрядов
(З-ГП/4-ГБ цикл). Бактериальные отряды

Thermoproteales

и

Sulfolobales

выделены жирным шрифтом

Литература

Заключение
Жизнь

это произведение химии, подчи­

-

няющаяся детерминистическим законам и естест­

венному отбору

(De Duve, 1987),

что, разумеется,

относится и к зарождению жизни. Как подчерки­
валось в работе

(Lifton, 1997,

с.

1),

«теории само­

организации без естественного отбора несостоя­
тельньш.

уже

2009)).

2099;

тия примитивной биохимии на первых стадиях
зарождения жизни. В настоящей работе, прове­
денной в рамках теорий первичности метаболиз­

(«metabolism first»),

ция углеводородов в компоненты архаических био­

химических систем// В сб. «Система "Планета Земля"

в компоненты архаической автотрофной системы

генетического

ложняет решение задачи происхождения и разви­

ма

URSS. 254 с.
(2009) Геномы и эволюция // Вестник
РАН. Т. 79. № 5. С. 411-430.
Маракушев С. А. (2007) Гидротермальная трансформа­
Гельфанд МА.

Мара­

развитого

аппарата (см., например, (Гельфанд,
кушев, Белоногова,

Феномен жизни. Между равнове­

Это значительно ус­

болических путей часто решаются на основе раз­
или

(2001)

сием и нелинейностью М.:

XV научный семи­
34-43.
Маракушев А. А. (1999) Происхождение Земли и при­
рода ее эндогенной активности. М.: Наука. 253 с.
Маракушев С. А. (2008) Трансформация углеводородов

Проблемы происхождения и эволюции мета­

вивающегося

Галимов Э. М

мы попытались показать,

что уже сами по себе физико-химические свойства
достаточно простых автокаталитических химиче­

(нетрадиц. вопросы геологии)».

нар. М.: МГУ. С.

фиксации С0 2

//

Докл. РАН. Т.

418. С. 412-418.
(2008) Образование

Маракушев А. А., Маракушев С. А.

нефтяных и газовых месторождений// Литология и
полезные ископаемые. Т.

5.

С.

505-521.
(2006) РТ -

Маракушев А. А., Маракушев С. А.

фации

простых, углеводородных и

органических веществ

системы С-Н--0

Т.

// Докл. РАН.

Маракушев С. А., Белоногова О. В.

406. № 4. С. 521-527.
(2011) Зарождение хе­

ских систем с обратной связью, функционирующих

моавтотрофного метаболизма в гидротермах и про­

в

исхождение предковых таксонов бактерий

качестве

примитивных

систем

метаболизма,

могли являться главными факторами естественно­

го отбора и эволюции предковых форм жизни на
древней Земле.

РАН. Т.

439.

№

2.

С.

R Докл.

263-269.

Маракушев С. А., Белоногова О. В. (2010а) Метаболиче­
ский дизайн и биомиметический катализ архаическо-


418

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

го хемоавтотрофного цикла фиксации С0 2 // Вести.
Моск. Ун-та. Сер.

2. Химия.

Т.

Маракушев С А" Белоногова О.
ческие

условия

51. № 3. С. 254-260.
В. (2009) Физико-хими­

образования

и

самоорганизации

компонентов архаического цикла фиксации С0 2 в

гидротермальных системах// Биофизика. Т.

54.

С.

748-

759.
Маракушев С А., Белоногова О. В.

(20106)

Эволюция ар­

хаической хемоавтотрофной системы фиксации дву­
окиси углерода в гидротермальных системах
РАН. Т.

433.

№

2.

Мережжовский К. С

// Докл.

С.

262-268.
(1909) Теория

двух плазм как осно­

ва симбиогенезиса, нового учения о происхождении
организмов. Казань: Изд-во Импер. ун-та.

102 с.
(2000) Механизм фик­
сации С0 2 в Chloroflexus aurantiacus // Микробиоло­
гия. т. 69. № 2. с. 139-142.
Alber В" Olinger М, Rieder А. et. а/. (2006) Malonyl-Coenzyme А Reductase in the Modified 3-Hydroxypropionate Cycle for Autotrophic Carbon Fixation in Archaeal
Metallosphaera and Sulfolobus spp // J. Bacteriol. V. 188.
Р. 8551-8559.
Amend J. Р., Shock Е. L. (2001) Energetics of overall metabolic reactions of thermophilic and hyperthermophilic
Archaea and Bacteria // FEMS Microbial. Rev. V. 25.
Р. 175-243.
Berg !. А" Kockelkorn D" Buckel W, Fuchs G. (2007)
А 3-Hydroxypropipnate/4-Hydroxybutirate autotrophic
carbon dioxide assimilation pathway in Archaea // Science. V. 318. Р. 1782-1786.
Berg !. А" Kockelkorn D" Ramos-Vera W Н. et. а/. (2010Ь)
Autotrophic carbon fixation in archaea // Nature Rev.
MicroЬiol. V. 8. Р. 447-460.
Berg !. А" Ramos-Vera W Н., Petri А. et. а/. (201 Оа) Study
of the distribution of autotrophic С02 fixation cycles in
Crenarchaeota // MicroЬiology. V. 156. Р. 256-269.
Вlankenship R. Е. (1992) Origin and early evolution of photosynthesis // Photosyn. Res. V. 33. Р. 91-111.
Boussau В" Gueguen L" Gouy М (2008) Accounting for horizontal gene transfers explains conflicting hypotheses
regarding the position of aquificales in the phylogeny
ofBacteria // ВМС Evol. Biol. V. 8. Р. 272-290.
Bradley А. S" Hayes J. М, Summons R. Е. (2009) Extraordinary С-13 enrichment of diether lipids at the Lost City
hydrothermal field indicates а carbon-limited ecosystem // Geochim. Cosmochim. Acta. V. 73. Р. 102-118.
Burggraf S" Olse G. J., Stetter К. О" Woese С R. (1992) А
phylogenetic analysis of Aquifex pyrophilus // Syst.
Appl. MicroЬiol. V. 15. Р. 352-356.
Cavalier-Smith Т (2010) Deep phylogeny, ancestral groups
and the four ages oflife // Phil. Trans. R. Soc. В. V. 365.
Р. 111-132.
Cavalier-Smith Т (2006) Rooting the tree of life Ьу transition analysis // Biol. Direct. V. 1. Р. 19-99.
Уголькова Н. В., Ивановский Р. Н.

Deckert G" Warren Р. V, Gaasterland Т (1998) The complete genome of the hyperthermophilic bacterium
Aquifex aeolicus // Nature. V. 392. Р. 353-358
Downs D. М (2006) Understanding MicroЬial Metabolism
11 Annu. Rev. MicroЬiol. V. 60. Р. 533-559.
Duve С de. (1987) Selection Ьу differential molecular survival: А possiЫe mechanism of early chemical evolution // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. V. 84. Р. 8253-9256.
Fani R" Fondi М (2009) Origin and evolution of metabolic pathways // Physics ofLife Reviews. V. 6. Р. 23-52.
Fedonkin МА. (2008) Ancient Ьiosphere: Тhе origin, trends
and events // Russ. J. Earth. Sci. V. 10. № 2. Р. 1-9.
Fernando С, Кiedrowski G. von, Szathmary Е. (2007)
А stochastic model of nonenzymatic acid replication:
"Elongators" sequester replicators // J. Mol. Evol. V. 64.
Р. 572-582.
Galimov Е. М (2004) Phenomenon of life: between equilibrium and non-linearity // Orig. Life Evol. Biosph. ·
V. 34. Р. 599-613.
Ganti Т (2002) On the early evolution origin of Ьiological
periodicity // Cell Biol. Int. V. 26. Р. 729-735.
Hartman Н. (1975) Speculations on the origin and evolution ofmetabolism // J. Mol. Evol. V. 4. Р. 359-370.
Но/о Н., Sirevag R. (1986) Autotrophic growth and СО 2
fixation in Chloroflexus aurantiacus // Arch. MicroЬiol.
V. 145. Р. 173-180.
House С Н., SchopfJ. W, Stetter К. О. (2003) Carbon isotopic fractionation Ьу Archaeans and other thermophilic
prokaryotes // Org. Geochem. V. 34. Р. 345-356.
Ни У., Holden J. F. (2006) Citric Acid Cycle in the Hyperthermophilic Archaeon Pyrobaculum islandicum Grown
Autotrophically, Heterotrophically, and Mixotrophically
with Acetate // J. Bacteriol. V. 188. Р. 4350-4355.
Huber С, Wiichtershiiuser G. (1997) Activated acetic acid
Ьу carbon fixation on (Fe, Ni)S under primordial conditions // Science. V. 276. Р. 245-247.
Huber Н., Gallenberger М, Jahn И et а/. (2008) А dicarboxylate/4-hydroxybutyrate autotrophic carbon assimilation
cycle in the hyperthermophilic archaeum Ignicoccus hospitalis // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. V. 105. Р. 7851-7856.
Hugler М, Huber Н., Molyneaux S. J. et al. (2007) Autotrophic СО 2 fixation via the reductive tricarboxylic acid
cycle in different lineages within the phylum Aquificae:
evidence for two ways of citrate cleavage // Environ.
MicroЬiol. V. 9. Р. 81-92.
Hugler М, Wirsen С О., Fuchs G. et а/. (2005) Evidence
for autotrophic С0 2 fixation via the reductive tricarboxylic acid cycle Ьу members of the i:: subdivision of proteobacteria // J Bacteriol. V. 187. Р. 3020-3027.
Islas S., Becerra А., Luisi Р. L., Lazcano А. (2004) Comparative genomics and the gene complement of а minimal
cell // Orig. Life Evol. Biosph. V. 34. Р. 243-256.
Javaux Е. J. (2006) Extreme life on Earth-past, present and
possiЫy beyond // Res. MicroЬiol. V. 157. Р. 37-48.


С. А. Маракушев, О. В. Белоногова. Примитивный хемоавтотрофный метаболизм в гидротермах

Kalapos М Р (2007) Тhе energetics of the reductive citric
cycle in the pyrite-pulled surface metabolism in the early
stage of evolution // J. Тheoret. Biol. V. 248. Р. 251-258.
Kelly D. Р, Wood А. Р (2006) The chemolithotriphic prokaryotes // Procaryotes. V. 2. Р. 441-456.
Кlatt С. G., Bryant D. А., Ward D. М (2007) Comparative
genomics provides evidence for the 3-hydroxipropionate autotrophic pathway in filamentous anoxygenic
phototrophic bacteria and in hot spring microЬial mats //
Environm. MicroЬiol. V. 9. Р. 2067-2078.
Копп С., Charlou J. L., Donval J. Р et а!. (2009) Hydrocarbons and oxidized organic compaunds in hydrothermal
fluids from Rainbaw and Lost City ultramafic-hosted
vents // Chem. Geol. V. 258. Р. 299-314.
Lake J. А., Skophammer R. G., Herbold С. W, Servin J. А.
(2009) Genome beginnings: rooting the tree of life // Phil.
Trans. R. Soc. Lond. В Biol. Sci. V. 364. Р. 2177-2185.
Lang S. Q., Butterfield D. А., Schulte М et а!. (2010) Elevated concentrations of formate, acetate and dissolved
organic carbon found at the Lost City hydrothermal
field // Geochim. Cosmochim. Acta. V. 74. Р. 941-952.
Lifson S. (1997) On the Crucial Stages in the Origin of Animate Matter // J. Mol. Evol. V. 44. Р. l-8.
Lindahl Р А. (2004) Stepwise evolution ofnonliving to living chemical system // Orig. Life Evol. Biosph. V. 34.
Р. 371-389.
Luisi Р L., Ferri F., Stano Р (2006) Approaches to semisynthetic minimal cells: а review. Naturwissenschaften.
V. 93. Р. 1-13.
Marakushev S. А., Belonogova О. V (2009) Тhе parageneses thermodynamic analysis of chemoautotrophic С0 2
fixation archaic cycle components, their stability and
self-organization in hydrothermal systems // J. Тheoret.
Biol. V. 257. Р. 588-597.
Martin W, Russell М J. (2007) On the origin of biochemistry at an alkaline hydrothermal vent // Phil. Trans.
R Soc. В. V. 362. Р. 1887-1925.
Martin W, Russell М J. (2003) On the origins of cells: а
hypothesis for the evolutionary transitions from abiotic
geochemistry to chemoautotrophic prokaryotes, and
from prokaryotes to nucleated cells // Phil. Trans. R Soc.
Lond. В. V. 358. Р. 59-85.
McCaskill J. S., Packard N. Н., Rasmussen S., Bedau М А.
(2007) Evolutionary self-organization in complex fluids // Phil. Trans. R. Soc. В. V. 362. Р. 1763-1779.
Meer М Т J van der., Schouten S., Leeuw J. W de, Ward D. М
(2000) Autotrophy of green non-sulphur bacteria in hot
spring microbial mats: biological explanations for isotopically heavy organic carbon in the geological record //
Environm. MicroЬiol. V. 2. Р. 428-435.
Mereschkowski С. (1910) Тheorie der zwei Plasmaarten als
Grundlage der SymЬiogenesis, einer neuen Leher von
der Entstehung der Organismen // Biologisches CentralЬlatt. V. 30. Р. 353-367.

419

Michalkova А., Kholod У, Kosenkov D. et а!. (2011) ViaЬi­
lity of pyrite pulled metabolism in the 'iron-sulfur world'
theory: Quantum chemical assessment // Geochim. Cosmochim. Acta. V. 75. Р. 1933-1941.
Miller S. L., Smith-Magowan D. (1990) Тhе Тhermodynam­
ics of the Кrebs Cycle and Related Compounds //
J. Phys. Chem. Ref. Data. V. 19. № 4. Р. 1049.
Morowitz Н. G. (l 999) А Тheory of Biochemical Organization, Metabolic Pathways, and Evolution // Complexity.
V. 4. Р. 39-53.
Morowitz Н. G., Kostelnik J. D., Yang J., Cody G. D. (2000)
Тhе origin of intermediary metabolism // Proc. Natl.
Acad. Sci. USA. V. 97. Р. 7704-7708.
Morowitz Н. G., Smith Е. (2007) Energy Flow and the Organization ofLife // Complexity. V. 13. Р. 51-59.
Munteanu А., Attolini С. S.-0., Rasmussen S. et al. (2007)
Generic Darwinian selection in catalytic protocell assemЫies // Phil. Trans. R. Soc. В. V. 362. Р. 1847-1855.
Nakagawa S., Takai К. (2008) Deep-sea vent chemoautotrophs: diversity, Ьiochemistry and ecological significance // FEMS MicroЬiol. Ecol. V. 65. Р. 1-14.
Nakagawa S., Takaki У, Shimamura S. et al. (2007) Deep-sea
vent e-proteobacterial genomes provide insights into
emergence of pathogens // Proc. Natl. Acad. Sci. USA.
V. 104. № 29. Р. 12146-12150.
Nitschke W, Russell М J. (2009) Hydrothermal Focusing
of Chemical and Chemiosmotic Energy, Supported
Ьу Delivery of Catalytic Fe, Ni, Mo/W, Со, S and Se,
Forced Life to Emerge // J. Mol. Evol. V. 69. Р. 481496.
Oelkers Е. Н., Helgeson Н. С., Shock Е. L. et al. (1995) Summury of the apparent standard partial molal Gibbs free
energies of the formation of aqueous species, minerals,
and gases at pressures 1 to 5000 bars and temperatures
25 to 1000 °С 11 J. Phys. Chem. Ref. Data. V. 24. № 4.
Р. 1401-1560.
Расе N. R. (1997) А molecular view ofmicroЬial diversity
and the Ьiosphere // Science. V. 276. Р. 734-740.
Parmon V N. (2001) Natural selection in а homogeneous
system with noninteracting autocatalyst "populations" //
Dokl. Phys. Chem. V. 377. № 4. Р. 91-95.
Parmon V N. (2002) Physicochemical driving forces and
the pattem of selection and evolution of preЬiotic autocatalytic systems // Russ. J. Phys. Chem. V. 76. № 1.
Р. 126-133.
Proskurowski G., Lilley М D., Seewald J. S. et al. (2008)
AЬiogenic hydrocarbon production at lost city hydrothermal field // Science. V. 319. Р. 604-607.
Ramos- Vera Н. W, Berg 1. А. Fuchs G. (2009) Autotrophic
Carbon Dioxide Assimilation in Тhermoproteales Revisited // J. Bacteriol. V. 191. № 13. Р. 4286-429'1.
Rasmussen В. (2000) Filamentous microfossils in а 3.235million-year-old volcanogenic massive sulphide deposit //
Nature. V. 405. Р. 676-679.


420

Глава

111. Теоретические

и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

Reysenbach А. -L., Cady S. L. (2001) Microbiology of ancient and тodem hydrothermal systeтs // TRENDS in
Microbiol. V. 9 № 2. Р. 79-86.
Reysenbach A.-L., Shock Е. (2002) Merging Genoтes with
Geocheтistry in Hydrothermal Ecosysteтs // Science.
V. 296. Р. 1077-1082.
Russell М J, Martin W. (2004) The rocky roots ofthe acetylCoA pathway // Trends Biocheт. Sci. V. 29. Р. 358-363.
Samal А., Singh S., Giri V. et al. (2006) Low degree тe­
tabolites explain essential reactions and enhance тodu­
larity in biological networks // ВМС Bioinformatics.
V. 7. Р. 118-127.
Sato Т, Atomi Н. (2011) Novel тetabolic pathways in
Archaea // Cuпent Opinion in Microbiology. V. 14.
Р. 307-314.
Schauder R., Widdel F, Fuchs G. (1987) Carbon assiтila­
tion pathways in sulfate-reducing bacteria 11. Enzymes
of а reductive citric acid cycle in the autotrophic Desulfobacter hydrogenophilus // Arch. Microbiol. V. 148.
Р. 218-225.
SchopfJ W. (2006) Fossil evidence of Archean life // Phil.
Trans R. Soc. Lond. В Biol. Sci. V. 361. Р. 869-885.
Seewald J (2001) Aqueous geocheтistry of low тolecular
weight hydrocarbons at elevated teтperatures and pressures: constraints froт mineral buffered laboratory experiтents // Geochiт. Cosтochim. Acta. V. 65. Р. 1641-1664.
Seewald J (1994) Evidence for тetastaЫe equilibriuт between hydrocarbons under hydrothermal conditions (/
Nature. V. 370. Р. 285-288.
Segbroeck S. van, Nowe А., Lenaerts Т (2009) Stochastic
Siтulation of the Cheтoton // Artificial Life. V. 15.
Р. 213-226.
ShockE. L. (1995) Organic acids in hydrothermal solutions: standard тolal thermodynaтic properties of carboxylic acids and estiтates of dissociation constants at
high teтperatures and pressures //Ат. J. Sci. V. 295.
Р. 496-580.
Smith Е., Morowitz Н. G. (2004) Universality in intermediary тetabolisт // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. V. 101.
Р. 13168-13173.
Smith Е., Morowitz Н. J, Srinivasan V. (2006) Experiтental
Search for Miniтal Organisтs and the Last Universal
Common Ancestor // Coтplexity. V. 12. Р. 11-12.
Spirin V., Gelfand М S., Mironov А. А., Mirny L. А. (2006)
А тetabolic network in the evolutionary context:
тultiscale structure and тodularity // Proc. Natl. Acad.
Sci. USA. V. 103. Р. 8774-8779.
Srinivasan V., Morowitz Н. G. (2009) The Canonical Network of Autotrophic Intermediary Metabolisт: Mini

таl Metaboloтe of а Reductive Cheтoautotroph //
Biol. Bull. V. 216. Р. 126-130.
Strauss G., Fuchs G. (1993) Enzymes of а novel autotrophic
СО 2 fixation pathway in the phototrophic bacteriuт
Chloroflexus aurantiacus, the 3-hydroxypropionate cycle // Eur. J. Biocheт. V. 215. Р. 633-643.
Szathmary Е. (2007) Coevolution of тetabolic networks
and тeтbranes: the scenario of progressive sequestration // Phil. Trans. R. Soc. В. V. 362. Р. 1781-1787.
Szathmary Е., Santos М, Fernando С. (2005) Evolutionary
Potential and Requireтents for Miniтal Protocells //
Тор Сuп. Сhет. V. 259. Р. 167-211.
Teufel R., Kung J. W., Kockelkorn D. et а!. (2009) 3-Hydroxypropionyl-Coenzyme А Dehydratase and AcryloylCoenzyme А Reductase, Enzyтes of the Autotrophic
3-Hydroxypropionate/4-Hydroxybutyrate Cycle in the
Sulfolobales // J. Bacteriol. V. 191. № 14. Р. 45724581.
Trefil J, Morowitz Н. J, Smith Е. (2009) А case is таdе for
the descent of electrons //Ат. Sci. У. 97. Р. 206-213.
Valas R. Е., Bourne РЕ. (2009) Structural analysis of polarizing indels: an eтerging consensus on the root of the
tree oflife // Biol. Direct. У. 4. Р. 30-45.
Wachtershiiuser G. (1988) Before enzymes and teтplates:
theory of surface тetabolisт // Microbiol. Rev. У. 52.
Р. 452-484.
Wiichtershauser G. (1990) Evolution ofthe first тetabol­
ic cycles // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. V. 87. Р. 200204.
Wachtershauser G. (2006) Froт volcanic origins of cheтo­
autotrophic life to Bacteria, Archaea and Eukarya //
Phil. Trans. R. Soc. В. V. 361. Р. 1787-1808.
Woese С. (1998) The universal ancestor // Proc. Natl. Acad.
Sci. USA. V. 95. Р. 6854-6859.
Woese С. R., Kandler О., Wheelis М L. (1990) Towards а
natural systeт of organisтs: proposal for the doтains
Archaea, Bacteria, and Eucarya 11 Proc. Natl. Acad.
Sci. USA. V. 87. Р. 4576-4579.
Xiong J., Fischer W. М, Inoue К. et а/. (2000) Molecular
evidence for the early evolution of photosynthesis //
Science V. 289. Р. 1724-1730.
Zarzycki J, Brecht V., Muller М, Fuchs G. (2009) Identifying
the тissing steps of the autotrophic 3-hydroxypropionate С0 2 fixation cycle in Chloroflexus aurantiacus
11 Proc. Natl. Acad. Sci. USA. V. 106. Р. 21317-21322.
Zarzycki J, Schlichting А., Strychalsky N et а/. (2008) Mesaconyl-coenzyтe А hydratase, а new enzyme of two
central carbon тetabolic pathways in bacteria // J. Bacteriol. V. 190. Р. 1366-1374.


ПЛАЗМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В МИССИИ DEEP IMPACT

Г Г Манагадзе

Институт космических исследований РАН.
тanaga@iki.rssi. rи

В работе представлен масс-спектрометрический метод определения признаков жизни в пробе, получен­
ной из ледовой матрицы внеземных объектов. Рассматривается структура и состав лабораторного прототипа
космического измерительного комплекса, решающего поставленную астробиологическую задачу.
Предлагаемый метод обеспечивает исследование элементного состава возможной внеземной биомассы и
сравнение его с элементным составом земных микроорганизмов. Отождествление биомассы предполагается
проводить по ряду признаков: по наличию и соотношению матричных биогенных элементов
отношениям биогенных макроэлементов:
(например, С!), и микроэлементов,

P/S, К/Са, по наличию
таких как Mg, Fe, Cu, Zn, F.

-

Н, С,

N,

О, по

других биологически значимых элементов

Результаты измерений, проведенные для микроорганизмов и образцов грунта, свидетельствуют о право­
мерности применения данного метода. Обсуждаются различные варианты выделения биомассы из ледовой
матрицы или реголита.

Для анализа элементного состава исследуемой пробы предполагается использовать бортовой лазерный

времяпролетный масс-рефлектрон <<.ЛАЗМА», идентичный прибору, разработанному для проекта «Фобос­
Грунт». Система пробоподготовки основана на отделении биомассы от воды путем выпаривания предвари­
тельно обессоленного водного раствора, полученного путем плавления ледового керна.

Метод может быть использован для поиска и отождествления биомассы в пробах льда, полученного из
подповерхностного слоя планет Солнечной системы или их спутников, например, Марса, Европы, Энцелада.

ции представляли результаты лабораторных экс­

Введение

периментов, воспроизводящих на ускорителе частиц

Впервые активный эксперимент в космиче­

в Эймсе процессы ударного воздействия. Апогеем

ском пространстве, в котором высокоскоростному

этих исследовании должны были быть результаты

ударному воздействию подверглось ядро кометы,

натурного эксперимента в космосе.

Особое, повышенное внимание к результатам

был реализован

4 июля 2005 года в миссии Deep
Impact (А 'Hearn, 2005). В ходе этой миссии удар

миссии

отделяемого модуля космического аппарата плот­

ми процессами, возникающими при относительно

3

ностью 3 г/см и весом 370 кг, движущегося со
скоростью 10,2 км/с, был произведен по ядру ко­
меты Темпел 1.
Научные задачи миссии были сосредоточены

Deep Impact

было связано с плазменны­

низких скоростях ударного воздействия. Так, со­

гласно результатам представленным в (Манагадзе,

2009; Managadze, 2010),
тах

по

лазерному

бьшо показано, что в опы­

моделированию

на исследовании структуры и глубинного состава

мальная

ядра кометы, процессов, сопровождающих удар и

лярных структур, равная
8
2

формирование ударного кратера. Исследовались и

величина

массы

удара,

синтезируемых

6500

макси­
молеку­

а. е. м., достигалась

при WL ~ 5· 10 Вт/см . Эта величина WL обеспечи­

баллистические задачи, связанные с устранением

вала только поверхностную ионизацию мишеljИ и

астероидной (кометной) опасности.

для процессов удара примерно соответствовала ве­

Особый интерес для дальнейшего развития
предложенной в работе (Манагадзе,

2009)

концеп-

личине ударного сжатия, возникающего при скоро­

стях

5-7 км/с

для плотности ударника, равного


422

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

~ 2 г/см . Известно (Stublg et al., 2001, 2002а; Stublg,
2002; Srama et al., 2009), что в этих условиях удар­
3

нашли многократное

ного воздействия также достигалась только по­

(Stublg et а!" 2001,
worthy et al., 2002),

верхностная ионизация ударника и мишени.

и Кентербери.

Deep Impact в

независимых экспериментах,

2002а;

Stublg, 2002; Golds-

выполненных в Гейдельберге

Наличие столь убедительных результатов, сви­

Следует отметить, что задолго до реализации
миссии

подтверждение в работах

детельствующих

о

возможности

генерации

плаз­

воспроизводящих ударные воздействия на ускори­

менного факела при низких скоростях удара должно

телях частиц в Эймсе и Гейдельберге, было пока­

было стимулировать поиски и обнаружение плаз­

зано, что при подобных условиях с высокой дос­

менных образований в натурном эксперименте в

товерностью происходит образование плазменного

миссии

факела.

Процесс

плазмообразования

начинался

примерно со скоростей от

2 до 5 км/с, при плотно­
сти ударника от 8 до 2 г/см 3 соответственно. Па­

Deep Impact.

Однако этого не бьшо сдела­

но. Причина, предположительно, состояла в том,
что

исследование

плазменных

процессов

не

вхо­

дило в круг первостепенных научных задач мис­

раллельно и одновременно с возникновением плаз­

сии. Это, возможно, объясняется малым вкладом

менного факела в Гейдельберге наблюдался и син­

энергии в плазменные процессы, которые в удар­

тез новых соединений.

ных воздействиях при скоростях выше критиче­

В серии работ, выполненных

ских обычно составляет ~

1%
2008).

от общей энергии

(Crawford, Schultz,
1988, 1991, 1993, 1999), при скоростях удара 4-5 км/с
3
и плотностях ударников от 2-3 г/см одновремен­

удара (Зельдович, Райзер,

но с генерацией плазменного факела наблюдались

миссии

плазменные эффекты, сопровождающие этот про­

тов плазменной концепции, автором данной работы

цесс. Так, по наблюдениям свечения плазмы бьmа

бьшо принято решение продемонстрировать, что в

измерена температура среды, и по этим данным оп­

процессе натурного эксперимента миссии наблю­

ределена степень ионизации плазмы. Плазменные

далось формирование не только плазменного факе­

процессы в факеле обеспечивали возникновение

ла, но и некоторых плазменных структур, органично

магнитного поля, величина и распределение которо­

связанных с этим явлением природы. Характерные

го бьmи зарегистрированы с помощью зондов. Осо­

размеры космического и лабораторных экспери­

бую ценность для предлагаемой в работе (Манагад­

ментов позволили ряд эффектов «разглядеть» впер­

зе,

2009)

новой концепции представляли результаты

измерения

электрического

заряда

на

поверхности

Учитывая чрезвычайную важность результатов

вые, и поэтому результаты можно бьmо охарактери­
Следует подчеркнуть, что основные результаты

Результаты этих опытов представляли значи­
научную

заслу­

ченных экспериментальным путем в процессе под­
готовки и реализации в космических условиях мис­

тически были зарегистрированы все важнейшие

сии

процессы, сопровождающие формирование и раз­

лученные во многих и разнообразных лабораторных

лет плазменного факела, за исключением регист­

опьпах,

рации новых веществ, синтезируемых в плазмен­

удар. Поэтому выводы, основанные на данных, по­

ной среде.

лученных

( Goller,

Grйn,

поэтому

1989),

они

этих исследований базировались на данных, полу­

живают самого подробного изучения. В них прак­

В работах

ценность,

для развития некоторых аспек­

зовать как уникальные.

пьmевой компоненты выброса из кратера.

тельную

Deep Impact

выполненных

Deep Impact.
с

Использовались также данные, по­

высокой

опьпным

точностью

путем,

как

воспроизводящих

правило,

должны

бьmи обладать высокой достоверностью.

на ускорителе пылевых частиц в Гейдельберге,

Несмотря на малый вклад энергии в процессы

была получена достоверная информация о генера­

плазмообразования или возможную невысокую

ции плазменных выбросов в широком диапазоне

степень ионизации при низких скоростях удара,

скоростей удара, которая находилась в согласии с

плазменные процессы, тем не менее, должны бы­

результатами, полученными в работах

(Crawford,

ли играть определяющую роль в динамике разлета

Однако специфика

вещества вследствие удара, в формировании фа­

работы в Гейдельберге позволила наблюдать синтез

кела, в синтезе новых химических соединений и,

новых соединений с момента возникновения плаз­

следовательно, в определении химического соста­

менного факела. Эти результаты в дальнейшем

ва конечных продуктов.

Schultz, 1988, 1991, 1993, 1999).


Г Г Манагадзе. Плазменные процессы в миссии

Имеющийся в научной литературе ряд публикаций, посвященных особенностям динамики фор-

выполнены для VIМP~

50 км/с

миссии

исследований.

до

1

2005).
10 км/с,
Особенности разлета

1.

плазменные процессы специально и целенаправ­

1991, 1993, 1999),

Deep Impact.

Ниже изложены основные результаты этих

(Ковалев и др.,

Для низких ViмP, составляющих от

ленно, за исключением

423

опытах и в космическом эксперименте в рамках

мирования и определения важнейших характеристик плазменного факела ударной природы, бьmи

Deep Impact

плазменного факела

(Crawford and Schultz, 1988,

никем не исследовались. Более

в лабораторных опытах

того, многие специалисты, изучавшие ударные про­
цессы,

На

не подозревают о возможности генерации

начальном

этапе

рассмотрим

важную

плазменного факела при столь низких скоростях.

информацию о свойствах выброса из кратера, ко­

Важные результаты по этой проблеме бьmи

торая была получена с помощью высокоскорост­

получены в рамках подготовки миссии

Deep Impact

ной съемки. Так как эти результаты включали на­

в условиях лаборатории, в которых в «прямых»

блюдательные данные, они оказались более дос­

ударных экспериментах с использованием ускори­

тупны для интерпретации. Поэтому их рассмот­

теля частиц воспроизводились процессы низкоско­

рение и предлагается в первую очередь. Эти ре­

ростного ударного воздействия. Так, исследования

зультаты представлены на рис.

процессов формирования ударного кратера и вы­

and А 'Hearn, 2004).

броса вещества под воздействием ударника из пи­
рекса (А 'Hearn,

1

и

2 (McFadden

Так, на серии снимков, представленных на

et al., 2005, 2006) проводились на
ускорителе НАСА в Эймсе (Schultz, 1996; Schultz
et al., 2005, 2006; Schultz and Anderson, 2005; Ernst
and Schultz, 2003, 2005; Eberhardy and Schultz,
2004). Ускоритель мог обеспечить разгон ударника

рис.

диаметром несколько миллиметров до максималь­

тую или диффузную границу. На последующих

ной скорости V1 мр ~7 ,5 км/с и бьm оснащен совре­

снимках, соответствующих кадрам от

менной оптической спектроскопической аппарату­

блюдалось отчетливое изменение структуры вы­

рой,

броса, так как появились многочисленные тонкие

системой для высокоскоростной

съемки

и

1,

зарегистрированы светящиеся выбросы из

кратера, отвечающие кадрам
руют,

2-6.

Они демонстри­

каким образом структура этих выбросов

изменялась во времени. В частности, свечение

выброса, отображенное на кадре

2,

имело размы­

3

до

6,

на­

нитевые образования, подобные струям.

другими аналитическими инструментами.

Эксперименты на ускорителе в Эймсе в рамках
миссии

Deep lmpact преимущественно проводились
при Viмp ~ 5,5 км/с, с использованием ударника из
пирекса диаметром 0,635 см. Указанная величина
V1мР при плотности ударника ~ 3 г/см 3 отвечала
W1 м~2·10 10 Вт/см 2 , что обеспечивало ударное
6
сжатие величиной ~ 10 бар. Температура среды,

Интерес представляли также кадры, отобра­
женные на рис.

2.

Здесь светящийся выброс на

определенная по оптическим измерениям, дости­

гала

5500 К,

П. Шульца,

что могло обеспечить, по мнению
степень

ионизации

для

ионов поверхностных загрязнений до
с другими

щелочных

6 %.

Наряду

измерениями проводились измерения

магнитного поля, возникающего в процессе раз­

лета выброса из кратера и наличие которого было
зарегистрировано.

Изложенные выше результаты и данные, опуб­
ликованные в печати, служили отправной точкой

для проведения автором этой книги изучения плаз­
менных процессов, возникающих в лабораторных

Рис.

1.

Покадровая съемка в условиях лаборатории удара
сферы из пирекса о мишень из порошка силикона.

Кадры

2-6

демонстрируют формирование и полет

плазменного факела, кадры

7-23 -

процесс удаJIНО­

го кратерообразования. На последнем кадре изобра­
жен кратер, закончивший свое формирование. Сним­
ки были получены П. Шульцем из Броунского Универ­

ситета и публикуются с его любезного разрешения


424

Глава

111. Теоретические и экспериментальные

исследования предбиологических химических систем

разлета, величина скорости перемещения. Типич­

ным для импульсных плазменных образований бы­
ло и разделение выброса на две части.
Для более подробного и последовательного
анализа изложенных выше свойств возникающей
среды воспользуемся возможностью определения

степени ионизации плазмы в выбросе, если изме­
ренная температура святящейся среды, по данным

Р. Шульца, достигала
Для

5500 К.

определения

степени

ионизации

плаз­

менного образования в физике плазмы обычно
используется
Рис.

2.

Три фотографии, сделанные в разное время, де­
монстрирующие развитие взаимодействия ударни­

ка с мишенью из сухого льда с образованием плаз­

формула

Саха,

которая

позволяет

определить эту величину, если известны темпера­
тура среды и потенциал ионизации вещества вы­

менного факела на первом и выбросом мелкодис­

броса. Так, согласно этой формуле (Райзер,

персного

при достижении температуры

вещества

мишени

в

процессе

ударного

кратерообразования на двух последних. Снимки

были получены П. Шульцем из Броунского Универ­
ситета и публикуются с его любезного разрешения

2009),

5500 К средой, со­
Na и К, для кото­
составляет ~ 5 эВ, сте­

стоящей из щелочных металлов
рых потенциал ионизации

пень ионизации по нашим оценкам не превышала

первом кадре обладал высоким подобием с плаз­

1О %.

менным факелом лазерной природы, как по кон­

ставляла

фигурации, так и по характеру свечения. Опреде­

совпадение. Такую среду без ограничений можно

ленная

считать плазменной.

по

этим

кадрам

скорость

перемещения

светящегося выброса составляла~ 3-5· 10 см/с и
5

По оценкам П. Шульца эта величина со­

6 %,

что можно расценивать как хорошее

Для среды, состоящей из веществ с более вы­

была характерной для скорости плазменных обра­

соким потенциалом ионизации, например, для во­

зований. Светящийся выброс опережал разлет не­

дорода, азота, кислорода, при той же температуре

излучающего облака. Это приводило к разделе­

степень ионизации может оказаться существенно

нию выброса по скоростям на две части. Интен­

ниже и составить величину 10-2-10-3 . Однако по­

сивность

добное образование также будет обладать всеми

зарегистрированного

яркого

свечения

первого выброса зависела от физических свойств
мишени

и

имела протяженность

кунд. На третьем кадре рис.

2

свойствами плазменной среды и проявлять их.

микросе­

Ниже будет показано, что рассчитанная по

отчетливо было

формуле Саха величина степени ионизации плаз­

сотни

видно, что в процессе разлета высокоскоростная,

мы, обладающей температурой

светящаяся часть выброса разделилась на отдель­

шей при Viмp ~

ные вертикальные рукава. Подобное разделение,

бораторных опытов в Эймсе, находится в согласии

но в меньшей степени, происходило и в несветя­

с

щейся части выброса.

ми на ускорителе пылевых частиц в Гейдельберге в

Результаты

км/с, в процессе проведения ла­

5,5

экспериментальными

результатами,

полученны­

представ­

аналогичных опытах. Но до этого прокомментиру­

ем наблюдаемые в опытах некоторые структурные

учетом

на

особенности

то, что возникающие под ударным воздействием и

образований.

магнитного

анализа

и возник­

ленных выше кадров высокоскоростной съемки, с
наличия

визуального

5500 К

поля,

указывали

рассмотренных

выше

плазменных

наблюдаемые экспериментально святящийся вы­
бросы обладали многими свойствами плазменной
среды и могли быть отождествлены с плазменным

2.

Филаменты и страты

факелом. Об этом также свидетельствовали и их
структурные особенности. В частности, разделен­

Нитевые структуры, зарегистрированные на

ние на отдельные вертикальные рукава и разлет в

кадрах

виде отдельных нитевидных струй. Характерными

выброса, могут быть объяснены возникновением

для плазменного факела были свечение, динамика

плазменных струй

3-6

рис.

1

в процессе разлета светящегося

-

особых структур, которые


Г Г Манагадзе. Плазменные процессы в миссии

Deep Impact

425

впервые наблюдались при разлете плазменного
факела лазерной природы и в научной литературе
именуются филаментами.
Филаметация (Большов и др.,

2001;

Афонин и др.,

1987; Афонин,
2001; Borisenko et al., 2008)

представляет собой явление характерное для адиа­

батически расширяющегося плазменного факела.
Оно было обнаружено в факеле лазерного воздей­

а)

ствия, и его изображение представлено на рис. За.
Возникновение филаментов или струй приво­

дит к нарушению однородности плазмы в факеле,
разбивая его на отдельные нитевидные структуры.
Причина возникновения филаментов связана с не­
однородностью

распределения

энергии

в

пятне

сфокусированного лазерного воздействия. Однако
к подобному эффекту может привести и поверхно­
стная неоднородность мишени. Благодаря иден­

6)

тичности факелов ударной и лазерной природы,
филаментация может возникнуть и в плазменном

Рис.

Изображение выброса струй на позднем этапе раз­

3.

лета вещества из

факеле ударного воздействия, если ударник или

кратера в космической

Deep lmpact (Schultz et а/., 2006)

миссии

представлено слева,

мишень не обладают достаточной однородностью.

справа для сравнений представлена фотография

Полученные

филаментов, образованных в лабораторном экспе­

в

Эймсе

кадры

высокоскоростной

рименте (Большов и др.,

съемки можно считать первыми свидетельствами

1987)

под воздействием из­

лучения лазера, обладающего неоднородным рас­

процессов образования филаментов в плазменном

пределением энергии в пятне фокусировки

факеле ударной природы. Важно, что плазменные
природе

кает при сочетании плазменной среды с пылевой.

только при наличии плазмы, так как они связаны с

филаменты

или

струи

реализуются

в

Некоторые свойства этой необычной среды пред­

плазменными неустойчивостями.

ставлены ниже.

Это в значительной степени относится и к

Зарегистрированный в опытах в Эймсе и пред­

процессам образования «рукавов», изображенным

ставленный на рис.

на рис.

Однако в этом случае они имеют другие

на два сгустка также является характерной особен­

плазменные механизмы возникновения. В частно­

ностью импульсной и высокоскоростной плазмен­

сти, как и в предыдущем случае, подобные обра­

ной среды, если она создается за очень короткий

2.

2

процесс разделения выброса

зования возникают только в плазменной среде и

промежуток времени. Этот процесс наблюдался не

именуются стратами. Известно, что стратифика­

только

ция

Эймсе, но и в космическом эксперименте.

плазмы

возникает

за

счет

ионизационно-ре­

в

опытах,

проводимых

на

ускорителе

в

комбинационной неустойчивости и представляет

Разделение плазменного выброса на два сгу­

собой явление, хорошо изученное и узнаваемое

стка также наблюдается в факеле, генерируемом

специалистами, занимающимися физикой слабо­

под лазерным воздействием. Этот эффект был об­

ионизованной плазмы (Лимпоух, Розанов,

наружен еще на ранней стадии изучения факель­

Афонин,

1984;

2001).

При внимательном рассмотрении конфигура­

ной плазмы, и первые результаты были опублико­
ваны в работах (Кiт,

Namba, 1967; Namba et al.,

ции выброса вещества из кратера, представленно­

1966,

го на рис.

наблюдаются также признаки разде­

сгусток обычно не привлекал внимания исследо­

ления и несветящейся компоненты на отдельные

вателей. Это было связано с тем, что он содержал

2,

1966а,

1967).

Следует отметить, что второй

рукава, подобные стратам. Этот процесс может

большое количество примесей в виде ионов Р3,J­

происходить в том случае, если на частицах пыли

личных элементов, а также частиц пыли, заряжен­

возникает значительный заряд, с образованием так

ных до значительного потенциала. Это приводило

называемой пылевой плазмы. Она обычно возни-

к значительному загрязнению холодного

сгустка.


426

Глава

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

Важно, что пьmевая компонента в лазерной плазме

ческих эффекты ионизации среды

возникала всегда (Гуревич,

1940;

2003).

Анисимов, Лукьянчук,

правда, ее плотность

2002),

Райзер,

1959;

( Фротов

и др"

Так, лазерное воздействие связывают с тер­

мическими эффектами, а удар с плотностными.

обычно была значительно меньше по сравнению с

Для разъяснения плотностного эффекта на­

ударной. Исследователей также не устраивала и

грева в первую очередь следует обратиться к ре­

очень низкая температура плазмы второго сгустка,

зультатам, представленным в работе (Зельдович,

достигающая ~

Райзер,

пользовать

1ООО К.

плазму

Все это им мешало ис­

второго

сгустка для

решения

цессе

2008).

В этой работе показано, что в про­

удара происходит интенсивный

разогрев

среды, а наблюдаемые в экспериментах в Эймсе

важных задач плазменной физики.
Однако для проблем, рассматриваемых в рам­
ках плазменной концепции, именно холодная часть

плазменные образования могли возникнуть в ре­
зультате ударного сжатия твердого тела.

плазменного факела как лазерной, так и ударной

Так, если при ударном сжатии твердого тела

природы могла оказаться наиболее благоприятной

достигается давление величиной 105 бар, в этих

для синтеза новых соединений в условиях низкой

условиях трудно ожидать существенного повыше­

температуры.

в

ния температуры взаимодействующих тел. Про­

свою очередь, могло обеспечить условия для ге­

цессы, происходящие при таких давлениях, име­

нерации циркулярно-поляризованного излучения,

нуются упругими или «холодными» и обусловле­

Наличие пылевой компоненты,

важного фактора, приводящего к нарушению зер­

ны силами отталкивания. И тем не менее, в этих

кальной симметрии в процессе синтеза энантио­

условиях наблюдаются отдельные, нерегулярные

меров.

случаи плазмообразования, связанные с высокой

Анализ

рассмотренных

выше

эксперимен­

плотностью ударника. При увеличении скорости

тальных результатов позволяет предположить, что

удара до 5--6 км/с для ударника плотностью 3 г/см

в процессе удара в «горячем пятне» могло проис­

давление

ходить формирование плазменных сред, которые

величины ~ 10 бар и в этом случае происходит

при

ударном

сжатии

увеличивается

3

до

6

можно было охарактеризовать следующим обра­

нагрев вещества, связанный с тепловым движени­

зом. Первая из них представляет классическую,

ем атомов кристаллической решетки. Такое давле­

идеальную

относительно

ние, в отличие от упругого или «холодного», назы­

высокой скоростью разлета и излучающей спо­

плазму,

обладающую

вают «тепловым». Следовательно, при росте ам­

собностью. Вторая, неизлучающая, представляет

плитуды ударной волны происходит увеличение

собой низкотемпературную плазму с относитель­

амплитуды ударного сжатия, и в этих случаях вме­

но высокой плотностью. Третью можно отнести к

сто упругого давления следует рассматривать теп­

пылевой неидеальной плазме. В процессе разлета

ловое давление. И в этих условиях можно ожидать

первая фракция хорошо отождествляется, а две

нагрев среды до

последние из-за близких величин скорости разле­

ее ионизации.

та не разрешаются в пространстве. Наблюдаемое

20 000-30

ООО К, что и приводит к

Экспериментальные подтверждения

иониза­

многообразие сред должно обеспечить возникно­

ции среды, возникающей под воздействием удар­

вение необходимых условий, способствующих не

ного сжатия, можно найти в серии работ, выпол­

только синтезу органических соединений, но и

ненных на ускорителе частиц пыли в Гейдельберге

нарушению симметрии при их возникновении.

(Stиblg

бери

et а/., 2001, 2002а; Stиblg, 2002) и Кентер­
(Goldsworthy et а/., 2002). Они содержат по­

лученные опытным путем доказательства возник­

3.

Механизмы ударной

новения условий генерации плазменного факела

ионизации

при низких скоростях удара. Результаты базиру­
ются на многочисленных прямых ударных экспе­

Рассмотрим важнейшие природные механиз­

риментах,

в

которых

измерялась

концентрация

мы, способные обеспечить возникновение плазмен­

плазменных ионов и степень ионизации плазмы в

ного факела при скорости удара

зависимости от скорости удара

5--6 км/с

и плотно­

3

сти ударника, равной 3 г/см . Плазменный факел

Эти работы были выполнены на ускорителе

обычно возникает за счет плотностных и терми-

пылевых частиц, в котором для создания разности


Г Г Манагадзе. Плазменные процессы в миссии

427

Deep Impact

потенциалов величиной 2 · 10 В, использовался

происходит при достижении давлением ударного

ленточный электростатический генератор Ван де

сжатия величины от 0,3 до 0,5·10 Бар и имеет на­

Граафа. Указанная величина разности потенциа­

дежное подтверждение, полученное опытным пу­

лов была необходима для ускорения предвари­

тем для ударников из железа, алюминия, углерода

тельно заряженных пьшевых микрочастиц до ско­

и пирекса. Следовательно, в ударных процессах

6

ростей

60 км/с.

6

генерация плазмы и синтез новых соединений не­

В этих работах бьши получены надежные ре­

разрывно связаны друг с другом. При этом воз­

зультаты о формировании IШазменного факела, при

никновение IШазмы предшествует синтезу, и эти

изменении Vrмp от

два процесса являются необходимым и характер­

этих

результатов

с

1

до

60

км/с. Сопоставление

результатами,

полученными

в

ным сочетанием, сопровождающим удар.

Объемная ионизация ударника и мишени на­

независимых экспериментах на аналогичном уско­

рителе в Кентербери

(Goldsworthy et а!., 2002),

по­

блюдалась при VIМP-

15-20 км/с

и выше, так как с

достижением этих скоростей доля энергии, затра­

казало, что они находятся в согласии.

В этих измерениях использовалась высокочув­

ченная на процессы плазмообразования, станови­

ствительная ВП масс-спектрометрическая аппара­

лась достаточной для полной атомизации и иониза­

тура, предназначенная для исследования характери­

ции вещества ударника и небольшой части мишени.

стик плазменных ионов, возникающих в процессах

По результатам этих измерений концентрации

удара в космическом пространстве. Она предназна­

и состава ионов, а также степени ионизации фа­

чалась для определения массового и изотопного со­

кельной плазмы бьmи построены графики, пред­

става микромеrеоритных потоков у Юпитера с по­

ставленные на рис.

5.

Они демонстрируют, что

мощью бортовой ВП пьmеударной масс-спектро­

возникающее различие в

метрии

нов при VrмP

1О раз по плотности ио­
Vrмp - 15-20 км/с можно

(Goller,

Grйn,

1989).

4

и

- 5-6 км/с

и

По результатам этих работ было показано, что

объяснить изменением степени ионизации в плаз­

поток плазменных ионов в массовых спектрах по­

ме. Полученные массовые спектры ионного соста­

является при V1 мр, равной

км/с для ударника

ва плазменного факела указывали на то, что ионная

из железа. И с появлением плазмы наблюдается

компонента при низких скоростях включала ионы

синтез новых соединений. При достижении скоро­

Na

сти удара

потоки ионов в массовых спек­

ки которых доминировали в спектрах. Однако при

трах увеличиваются. При дальнейшем увеличении

увеличении V1 мр в массовых спектрах стали доми­

скорости удара концентрация IШазмы продолжает

нировать пики, отвечающие веществам ударника и

расти и, при достижении V1 мр

мишени.

5-6 км/с

чиваеrся в

1О раз.

- 2-3

15-20 км/с,

увели­

и К поверхностных загрязнений, массовые пи­

Массовый спектр представленный на рис. 6А,

Эти измерения также показали,

что для ударника из углерода плазменный факел

был получен из факельной плазмы лазерного воз­

начинает формироваться при VrмP

действия на механическую смесь С и

новном в процессах

- 5-6 км/с,

в ос­

поверхностной ионизации.

случае был синтезирован

CRh

Rh.

И в этом

(Манагадзе,

2009).

Плазма содержит преимущественно элементы ве­

На рис. 6Б представлен массовый спектр, полу­

щества ударника и мишени, а также элементы, за­

ченный при Vrмp

- 16 км/с

в процессе взаимодей­

ствия ударника из углерода с мишенью

грязняющие их поверхности.

Важно, что при низких и средних скоростях

из родия

для WrмP - 4· 10 Вт/см . Он свидетельствуют о во­
11

2

спек­

влечении в процессы IШазмообразования веществ

трах были обнаружены пики, отвечающие веще­

как ударника, так и мишени. В спектре наблюда­

ствам ударника и мишени, а также пики химиче­

ются массовые пики и углерода, и родия. В этом же

кроме массовых

пиков

атомарных ионов в

ских соединений, возникающих при объединении
этих ионов в процессах синтеза.

Таким образом, было обнаружено экспери­

спектре хорошо отождествляются массовый пик

CRh ( 115 а. е. м. ), возникающий при
Rh (103) и С (12). Массовый спектр

объединении
представлен­

природного

ный на рис. 6А, был получен из факельной JШазifы

явления, согласно которому синтез новых соеди­

лазерного воздействия на механическую смесь С и

нений в процессах удара наблюдаются следом за

Rh.

возникновением

(Манагадзе,

ментальное

подтверждение

важного

плазменных

образований.

Это

И в этом случае также был синтезирован

2009).

CRh


428

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

,

,,

(%)-'
StueЫc,........

(1)

- - Goellor,........

(%)

- - -

10

- - -

StueЫc, yr.....,.

(3)

--

Gedler,yrnepoд

(4)

100

Рис.

4.

100

10

Скорость удара, км/с

Скорость удара, км/ с

Зависимость выхода плазменных ионов от скорости удара для ударника из железа (слева). Справа

-

представлено

сопоставление величин выхода ионов от скорости удара при воздействии ударников из железа и углерода, полу­

ченных в работах

(Stublg, 2002) (кривые 2 и 4) и (Gol/er, Grun, 1987) (кривые 1 и 3)
Так, согласно полученным результатам для VrмP 11
- 15 км/с, или WrмP - 3· 10 Вт/см2 , на процессы
образования плазмы уходит - 1-2 % энергии удар­
ного воздействия, и следовательно, этой величине
9

2

будет соответствовать WL - 3· 10 Вт/см . Для V1мр­
10
~ 5-6 км/с WrмP составит 10 Вт/см2 . На процессы
плазмообразования в этом случае уйдет - 5 % от
энергии удара, и WL, соответствующая этой вели­
8
2
чине, составит~ 5· 10 Вт/см . Эта величина в ла­
зерных экспериментах по моделированию удара с

хорошей достоверностью обеспечивает поверхно­
стную ионизацию вещества мишени. Наблюдае­
мый эффект можно связать со значительным
уменьшением объема кратера при низких скоро­
стях удара, что связано с возможностью перерас­

10

100

Скорость удара, км/с
Рис.

5.

пределения на процессы плазмообразования из­
бытка энергии удара, не использованной на про­

Зависимость степени ионизации от скорости удара

при воздействии на мишень ударника из железа

цессы кратерообразования.
Совокупность изложенных выше результатов

свидетельствует о генерации плазменного факела

Рассмотренные выше процессы формирова­

при VrмP -

5-6

км/с для ударника из углерода. Они

ния плазменного факела находятся в соответствии

основаны на результатах прямых ударных экспе­

с результатами моделирования ударных процессов

риментов,

с помощью лазерного воздействия, проводимого в

типа в Эймсе и Гейдельберге с применением раз­

ИКИ РАН. Это соответствие было достигнуто по­

личных методик измерений. Они также базируют­

сле эмпирического определения величины

выполненных

на

ускорителях

разного

WL , ко­

ся на результатах, полученных автором в процессе

торая представляет собой плотность мощности

лабораторного моделирования удара с помощью

лазерного излучения, соответствующая доле плот­

лазерного воздействия. Эти результаты также на­

ности мощности, расходуемой в ударе на образо­

ходятся в согласии с результатами теоретических

вание факельной плазмы. Оказалось, что эта вели­

и экспериментальных работ по исследованию удар­

чина меняется в зависимости от скорости удара.

ных волн очень большой амплитуды в твердых


Г. Г. Манагадзе. Плазменные процессы в миссии

А

Deep Impact

a::;1.06mkm
1::; 109 W/cm 2
t::; 7 ns
50 mkm diameter

Rit(103)

8,Ох10 2

t

~
~
~

6,Ох10

~

2,Ох10 2

2
-

429

RhC(115)

4,Ох10 2

~

о

15о

100

200

Масса, а.е.м.
8,Ох10-6

Б

lime-34286
v-15.90

~

CDA

317пm

~

4,Ох10-6

~

2,Ох10 -6

о

6.

100

50

Масса, а.е.м.

diemeter

scale-2

RhC(115)

~

Рис.

q.2.ЗЭОЕ-15
m-3.бЭОЕ-17
СаrЬоп

Rit(103)

6,Ох10-6

150

200

Массовые спектры, полученные в экспериментах по лазерному моделированию сверхскоростного удара для лазера

с длиной волны 1,06 мкм при плотности мощности 10 Вт/см (А) и в прямых ударных экспериментах на ускорителе
14
частиц пыли при ударе углеродной частицы массой - З,7·10- г и диаметром 317 нм, летящей со скоростью 16 км/с
9

2

(Б). Начальные условия обеспечили идентичность исходного состава образца в обоих экспериментах, включающего

Rh

и С. Важно, что одновременно с углеводородами был синтезирован карбид родия

телах. Поэтому имеющееся согласие между резуль­

нейтральных молекул.

татами

Известно,

что

механизм

экспери­

ассоциативной ионизации имеет низкий энерге­

ментальных и теоретических работ при их сопос­

тический порог реализации. Однако в ряде случаев

тавлении

свидетельство

ассоциативная ионизация может обладать свойст­

достоверности генерации плазменного факела в

вами беспорогового механизма и обеспечить воз­

условиях, указанных выше.

никновение плазменной среды практически без

многочисленных

можно

и

независимых

расценивать

как

До рассмотрения результатов натурного экс­

затрат энергии.

было бы уместно кратко

Пенинговская ионизация происходит в низко­

упомянуть о других механизмах ионизации среды,

температурной плазме, содержащей атомы разных

обладающих низким порогом. В подобных про­

элементов, в которой значительную роль играет

цессах возникает низкотемпературная слабоиони­

ионизация при столкновении возбужденного атома,

зованная плазма, в которой ионную компоненту

энергия возбуждения которого превышает энергию

могут составлять и молекулярные ионы. Подобное

связи электрона основного состояния другого ато­

образование обладает всеми свойствами плазмен­

ма. Эта реакция является беспороговой и протекает

ной среды.

весьма эффективно, поскольку стабилизация про­

перимента

Deep lmpact

К другим механизмам, способным обеспечить

дуктов происходит автоматически за счет транс­

ионизацию среды, следует отнести широко извест­

формации избыточной энергии в кинетическую

ные механизмы ассоциативной и Пенинговской

энергию. Скорость реакции весьма высока до ре­

ионизации (Биберман и др.,

зонансно

1982;

Смирнов,

1982).

возбужденных

атомов,

однако

конку­

Первый из них основан на образовании моле­

ренция со стороны оптического перехода снижает

кулярного иона и электрона при объединении двух

ее роль. Если же в газе образуются долгоживущие


430

Глава

111. Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

метастабильные состояния, то процесс может стать

преобладающим.

Здесь бьшо бы уместно показать правомер­
ность применения результатов, полученных в усло­

Представляет интерес также известный меха­

виях лаборатории для ударников микронных разме­

низм низкопороговой ионизации, приводящий к

ров,

возникновению молекулярной плазмы. Этот ме­

тел, достигающих сотни метров.

при

рассмотрении

процессов

удара крупных

ханизм используется для ионизации пробы в масс­

спектрометрической методике МALDI

et al., 1975).

(Hillenkfmo
Рамки применимости

4.

Физический механизм образования

ионов связан с процессами взрывообразной де­

результатов лабораторных

сорбции матрицы под воздействием лазерного из­

опытов

8

лучения длительностью 1о- с при низкой плотно­
5
сти мощности WL,нe превьШiающей 10 -106 Вт/см2 .

Результаты экспериментального определения

Механизм ионизации вещества лазерным излуче­

степени ионизации плазменного факела ударной

нием столь низкой

WL в настоящее время до конца
не ясен (Zenobl, Khochenmuss, 1999; Karas et al.,
2000; Khochenmuss et al., 2000). Более того, воз­

ром,

можности этого механизма, способного обеспе­

что эти данные можно без ограничения использо­

чить ионизацию среды в ударных процессах, со­

вать и для определения степени ионизации факела,

вершенно не изучены. Важно подчеркнуть, что

если

этот механизм возникает при воздействии излу­

Это связано с тем, что в обоих случаях продолжи­

чением лазера на специальные, исключительные

тельность ударного взаимодействия позволяет об­

вещества,

разованной плазме достигнуть локального термо­

поэтому

лаборатории

-

его

воссоздание

в

условиях

задача непростая. И тем не менее,

природы, выполненные в работах

(Stublg et а!.,
Stublg 2002) для ударников диамет­
превьШiающим 200 нм, свидетельствуют о том,
2002а;

2001,

диаметр

ударника достигает сотни метров.

динамического

равновесия.

В

этой

же

работе

эффект возникновения слабоионизованной плаз­

предполагается, что равновесие может не дости­

мы в экспериментах

гаться

et al., 2009)

(Crawford, Schultz, 1988; Srama
4-5 км/с

при скорости удара ниже

можно объяснить реализацией механизма типа

MALDI.

при

характерных

1О

ударника,

со­

нм.

Имеются и другие доказательства того, что
результаты,

Сопоставление результатов лабораторных опы­

размерах

ставляющих величину менее

полученные

для

терными размерами более

ударников

100 нм,

с

харак­

по части опре­

тов с данными космического эксперимента показа­

деления степени ионизации в плазменном факеле

ли

можно

(Ernst et al" 2006),

центрация

что для VJмp

плазменных

ионов,

- 10,2 км/с

как

графика, представленного на рис.

5,

это

кон­

видно

из

с размерами

несколько десятков или сотен метров.

могла увели­

читься в

использовать для ударников

Так, в работе

(Drapatz, Michel, 1974)

расчет­

4 раза. Примерно на эту же величину
(Stublg, 2002) должна была увеличиваться степень

ным путем изучалось взаимодействие ударника

ионизации образованной плазмы. С учетом на­

рама. Было показано, что при V1 мр

правленности удара, который бьш произведен под

пень ионизации в образованной плазме достигает

углом от 25 до 35° к горизонту, W 1 мр при данной
11
2
скорости отвечала величине, равной 3· 10 Вт/см .

60 %.

С учетом того, что плотность ударника, представ­

рых бьши использованы результаты газодинами­

ляющего собой космический аппарат, составляла

3 г/см , давление ударного сжатия могло достигать
6
величины 3 · 10 бар. В этом случае удельная W1мр,

3

отведенная на процессы плазмообразования, могла
составить величину не менее

- 1,5-2 · 1О 10 Вт/см 2 .

диаметром

ны

50 нм

из железа по мишени из вольф­

В работе (Коваль и др"

2004)

магнитогидродинамические

- 50 км/с,

сте­

были проведе­

расчеты,

в

кото­

ческих расчетов вхождения ударника в атмосферу
в качестве начальных данных. В этой работе ис­

следовались ионосферные и магнитосферные эф­

фекты ударов комет и астероидов. Было показано,
что

при

ударном

воздействии

Эта величина, согласно результатам лабораторных

Земли метеорита диаметром

исследований в Эймсе, должна бьша быть доста­

со скоростью

50 км/с,

200

на

поверхность

м, движущегося

максимальная степень ио­

точна для ударного плазмообразования с генера­

низации в образованном плазменном факеле дос­

цией плазменного факела.

тигала

80 %.


Г Г Манагадзе. Плазменные процессы в миссии

Рис.

7.

Deep Impact

431

Динамика разлета высокоскоростного светящегося выброса из кратера при регистрации отдельных снимков в сле­
дующей последовательности:

310, 372

и

434

мс после удара. Это образование с высокой вероятностью представ­

ляет собой первый, горячий сгусток плазменного факела

Сопоставим эти результаты с результатами,

полученными в работе

(Stublg, 2002)

в предполо­

жении, что выход ионов из вещества ударника из

с 200 мс после удара и продолжительностью
- 200 мс (Ernst et al, 2006). Правда, интенсивность
свечения оказалась на 5 порядков ниже расчетной,

1987),

но это, как и наблюдаемая задержка начала свече­

примерно в четыре раза больше выхода ионов из

ния во времени, могло быть связано с погружением

вещества мишени. Тогда для VrмP

ударника в рыхлый реголит кометного ядра.

алюминия,

согласно

(Kissel and

Krйger,

- 50 км/с

сте­

пень ионизации в факельной плазме будет изме­
няться в пределах от

Наличие высокой пористости мишени изо

льда обеспечивало плотность, не превышающую

40 до 75 %.

Результаты изложенных выше теоретических

- 0,3 г/см 3 . Характерная начальная температура

и экспериментальных работ свидетельствуют, что

выброса, согласно расчетам, проведенным в работе

по крайней мере для определения степени иони­

(Клумов и др.,

2005)

зации плазменного факела ударной природы для

ной

ударников с относительно большими характер­

гать величины

ными

размерами

можно

использовать

- 0,5

при пористости мишени, рав­

и скорости удара

- 15

- 10 км/с,

могла дости­

ООО К. Эти условия могли с

экспери­

хорошим запасом гарантировать генерацию плаз­

ментальные результаты пылеударных опытов, ес­

менного факела. Однако так как в эксперименте

ли диаметр ударника превышает

пористость мишени была меньше

50 нм.

- 2 раза,

то и

температура среды могла быть существенно выше
и достигать

5.

Результаты космического

25

Начиная с

ООО К.

- 420 мс,

наблюдаемое расширяю­

щееся в диаметре образование стало светиться в

эксперимента

отраженном солнечном свете. После достижения
Вернемся к космическому эксперименту мис­

сии

Deep Impact

и рассмотрим кратко результаты

этим образованием

-1

км в диаметре по краям

диска стали появляться, как это видно на рис.

3,

наблюдений, проведенных с борта измерительно­

нитевидные структуры, скорость разлета которых

го модуля с помощью различных оптических ин­

существенно превосходила скорость

струментов. Они с хорошей достоверностью запе­

диска

чатлели последовательность выбросов вещества
из кратера и их конфигурации. Так, первый купо­

(Shultz et al., 2006) были названы «curved ejecta
ray systems» и при их рассмотрении непосредст­

лообразный выброс, как это видно на рис.

воз­

венно не связывались с плазменными процесса­

мс после удара, наблюдался в те­

ми. Спектральные характеристики отраженного

никший на

186

чение О, 7 с и детально описан в работе

2006).

7,

(Melosh,

Он бьш зафиксирован с помощью бортово­

MRI. Бьшо показано, что скорость
6
видимой части выброса составляла - 10 см/с, а ее
пространственные размеры отвечали 3 км в диа­
метре и 1О км в длину: Фотометрические наблюде­

го телескопа

в

диаметре.

Эти

увеличения

образования

в работе

свечения позднего выброса, наблюдаемые в ИК
диапазоне, согласно

(Lisse, 2006)

были интерпре­

тированы как соединения, выброшенные из глу­

бины ядра кометы, которые в спектрах вещества с
поверхности

кометы,

регистрируемых

до

1.

удара,

не наблюдались.

ния зафиксировали свечение выброса в оптическом

В этой связи было бы обосновано, в первую

диапазоне в процессе разлета вещества, начиная

очередь, рассмотреть возможность синтеза новых


432

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

10.0000

1.0000

•
JQ

0.1000

~

~
~

~
!:::[

0.0100

~

•

.

•• •

•

'

••

•

~:>:::
§

1•.:.

•••• (.•

~

.".
•

0.0010

;

1.0000

~

•
•

.

10.0000

i

: :dk .

0.1000

:•••
. Jfi~J':
1 •••

..•••."• ...

0.0100 '

•

0.0010

• • •

:

•

Рис.

8.

•

.

0.00011

lO Скорость удара, км/с 100

0.00011

Зависимость эффективности синтеза от скорости удара по мишени из родия (а)
ударников, обеспечивающих синтез

химических

соединений

в

RhFe

и

плазменном

RhC

Скорость удара, км/с

lO

-

железного,

lOO

углеродного

(6) -

соответственно

факеле

жущегося со скоростью от

6 км/с,

с мишенью из

низкоскоростного ударного воздействия.

родия приводит к возникновению RhC+. Это со­

В опубликованных ранее работах (Managadze,
2001, 2002, 2009, 2010; Stublg et al., 2001, 2002а;
Stublg, 2002) бьто показано, что при достижении
VJМР или WL критического предела наблюдается вы­

единение особенно трудно поддается синтезу при

сокоэффективный синтез новых веществ, в том

а RhC+ -

отсутствии плазмохимических реакций. Из пред­
ставленных графиков хорошо видно, что величина

выхода RhFe+ меняется в пределах от 0,9 до 0,001,
от

0,1 до 0,002.

числе и органических. Однако до недавних пор не

Самостоятельный интерес представляет мас­

имелись достоверные сведения о возможности син­

совый спектр атомарных ионов и органических

теза новых соединений при очень низких, низких и

соединений, представленный на рис.

средних Vтмр, например достигающих величин

стрированный при скорости удара

5-6, 9-1 О км/с

2-3,

соответственно, то есть для скоро­

стей, не достигающих критических величин.

ком из латекса

(Srama et а!. 2009).

одновременно с массовыми

Эта проблема представляет особый интерес

9

и зареги­

5 км/с

ударни­

В этом спектре

пиками, отвечающи­

ми фрагментам органических соединений, входя­

еще и потому, что в данной работе предпринима­

щих состав ударника, наблюдаются массовые пи­

ется попытка доказать

ки новых соединений.

возможность возникнове­

Следует отметить, что представленные на рис.

ния на низких скоростях удара плазменного факе­
ла. При возникновении плазмы можно ожидать и

9

спектры являются первым прямым подтверждени­

реализацию процессов синтеза, с обнаружением

ем

соединений, отсутствующих в исходных вещест­

соединений в ударных процессах. Важно, что эти

вах ударника и мишени. Это в значительной сте­

результаты получены не в экспериментах, модели­

пени может служить подтверждением факта фор­

рующих удар, а в прямых ударных экспериментах,

мирования плазменного факела.

полностью

возможности

синтеза

сложных

воспроизводящих

органических

данное

природное

явление в условиях лаборатории.

Экспериментальное обнаружение химических

6.

Обсуждение результатов

соединений, синтезированных в факельной плазме
~изкоскоростного удара, следует отнести к исклю-

Экспериментальные результаты, представлен-

чительным и новым свойствам возникающей сре­

ные на графике рис. 8а, однозначно показывают,

ды, и оно является фактом чрезвычайной важности.

что при столкновении с родиевой мишенью удар-

Эти процессы способны объяснить механизм

пика из железа синтез RhFe + начинается при дос-

возникновения на поверхности Луны необычных

тижении Viмp~

2 км/с.

На графике рис.

показа-

соединений различных металлов, которые припи-

но, что столкновение ударника из углерода, дви-

сываются к «низкотемпературному синтезу в газо-

86


Г Г Манагадзе. Плазменные процессы в миссии

so

о

Deep Impact

150

100

433

200

Масса заряда, а.е.м
Рис.

9

Спектр массовых пиков атомарных ионов поверхностных загрязнений, а таюке молекулярных ионов органических
веществ, зарегистрированный под воздействием ударника из латекса диаметром

5 км/с

в работе

(Srama et

а/.,

1,81

мкм при скорости удара

2009)

вой фазе». Подобное название отчасти можно счи­

2004).

Эти результаты из-за подобия процессов,

тать правШiьным, так как синтез в данном случае

происходящих в рассматриваемых IШазменнь~х сре­

происходит в низкотемпературной IШазме ударной

дах, можно применить для интерпретации данных,

природы.

полученных в экспериментах в космосе, в том чис­

Эти результаты также могут свидетельство­

ле и в миссии

Deep Impact.

вать о том, что зафиксированные в выбросе из

Тогда предполагаемый сценарий последствий

кратера с помощью бортового ИК телескопа спек­

ударного воздействия с учетом плазменных про­

тральные линии соединений, ранее не обнаружен­

цессов может обеспечить разумное объяснение ря­

ных в поверхностном слое кометы

да явлений.

(Lisse, 2006),

могут включать и спектры новых веществ, синте­

зируемых в плазменном факеле.

Согласно

предварительному

«плазменному

сценарию», который по результатам дальнейших

Представленные выше результаты лаборатор­

исследований может быть скорректирован, про­

ных опытов, выполненные на ускорителе в Эймсе

цессы удара и выброса вещества в натурном экс­

и в ранних экспериментах по исследованию про­

перименте

цессов генерации и разлета JШазменного факела от

тельность. Из-за низкой плотности мишени удар­

лазерного воздействия

ник мог проникнуть на значительную глубину. На

et а!., 1966,

этой глубине могла произойти передача энергии

1966а,

(Kim, Namba, 1967; Namba
1967), свидетельствуют о том,

могли

иметь

следующую

последова­

что при разлете ударной IШазмы формируются два

ударника в «уплотненную мишень» с возникнове­

сгустка. Так, возникающий в IШазменных выбро­

нием плазменного факела. Из-за значительного за­

сах, первый из них представляет собой относи­

глубления ударника в мишень могло произойти

тельно горячую и высокоскоростную, светящуюся

запаздывание выброса первого сгустка плазмы, а

плазму. Холодная, или низкотемпературная, IШаз­

интенсивность свечения упала в 105 раз по срав­

ма не излучает и разлетается с низкой скоростью.

нению со свечением, рассчитанным по результа­

Следует учитывать и то, что подобные IШазменные

там лабораторного опыта. За выбросом первого

образования могут обеспечить возникновение зна­

сгустка последовал второй низкотемпературный

чительного

сгусток JШазмы, который был совмещен с пылевым

потенциала

на

поверхности

пьmевых

частиц с образованием пьmевой IШазмы, способной

выбросом вещества ядра кометы. Наличие IШазмы

при определенных условиях формировать регуляр­

во втором сгустке было обнаружено только бл'f~го­

ные пространственные структуры (Фортов и др.

даря образованию нитевь~х структур потока JШазмы,


434

Глава

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

111.

или филаментов, которые возможно и были заре­

сложные соединения образуются в низкоскорост­

гистрированы с помощью бортового телескопа.

ной части плазменного факела. Такая среда может

Для сравнения филаменты лазерной плазмы и об­

привести к нарушению зеркальной симметрии син­

разования, подобные им, зарегистрированные в

тезированных энантиомеров в локальных физиче­

представ­

ских хиральных полях и к образованию гомохи­

лены на рис. За. В предлагаемом сценарии наблю­

ральных молекулярных структур органических со­

даемые спектры химических соединений, не обна­

единений в спонтанных процессах.

космическом эксперименте

Deep Impact,

руживаемых до удара, могли содержать и вещест­

Изложенные выше результаты, полученные

ва, синтезируемые в процессе разлета плазменного

опытным путем, свидетельствуют, что при скоро­

факела, возникшего при ударе.

стях удара, превышающих

Необходимо отметить, что для более глубокого

2-6 км/с, и при плот­
3
ностях ударника в пределах 8-2 г/см соответст­

изучения результатов эксперимента необходимо

венно образование IШазменного факела наблюдает­

ознакомление

научными данными

ся регулярно, и, как следствие, происходит синтез

и особенно с результатами оптических и магнит­

новых веществ. К наиболее важным и интерес­

ных измерений.

ным результатам следует отнести одновременное

с первичными

Было бы уместно отметить, что в предлагае­
мом

сценарии

гипотетической является

только

возникновение плазмы и новых соединений, син­
тезированных

из

элементов,

входящих

в

состав

происходящих во

ударника и мишени. В процессах удара эти эле­

время реализации натурного эксперимента. А ут­

менты изначально разнесены в пространстве, по­

верждения, связанные с возможностью генерации

этому возникновение подобных соединений может

последовательность процессов,

факельной плазмы при низких скоростях удара

объясняться только их синтезом в плазме ударно­

имеют достаточно

го воздействия.

четкое

обоснование,

надеж­

ность которых не должна вызывать сомнений.

Полученные результаты не бьmи неожидан­

Важно упомянуть, что в работах (Манагадзе,

ными. Теоретическое описания возможности иони­

процессы разлета факела

зации среды в процессах ударного сжатия вещест­

2009; Managadze, 2010)

были представлены как единый и неразрывный

ва при низких скоростях воздействия было рас­

процесс, способный за счет возникающих локаль­

смотрено в книге (Зельдович, Райзер,

ных хиральных физических полей могли привес­

ликованной

ти к начальному нарушению зеркальной симмет­

подтверждение возможности подобного процесса

еще

1966 году.

опуб­

Экспериментальное

рии. В этой же работе были рассмотрены возмож­

было получено позже, в работах

ные механизмы нарушения симметрии. Однако со

1988; Goller,

Grйn,

1968),

(Crawford, Schultz,

1989).

временем развитие этой идеи привело к заключе­

Сопоставление данных различных эксперимен­

нию, что этот процесс мог состоять из двух эта­

тов между собой и с результатами теоретических

пов. В дальнейшем эта идея нашла подтверждение

работ не оставляет сомнения в их достоверности.

в результатах миссии

Так, в экспериментах

корректная

версия

Deep Impact.

этого

Поэтому более

процесса

в

настоящее

вии на мишень из

(Stublg, 2002) при воздейст­
Rh ударниками из Fe, Al и С

время представляется следующим образом. Первый

процессы плазмообразования и синтеза начинают­

сгусток,

плаз­

ся примерно при одной и той же величине ударного

менного факела, может обеспечить формирование

сжатия, при достижении давления ~ 0,3-0,5 · 10 бар.

однонаправленных,

представляющий

горячую

асимметричных

часть

6

электриче-

При этих давлениях ионизация среды обеспечива-

ских и магнитных полей, которые при взаимодей­

ется за счет рассмотренных ранее плотностных ме­

ствии с холодной, а возможно, и с пылевой IШаз­

ханизмов (Фортов и др.,

мой образуют локальные физические хиральные

2003).

Результаты экспериментальных исследований

поля. Возникновение новых химических соедине­

(Манагадзе,

ний в этом случае может осуществляться в низко­

ствие является не единственным способом совмес­

температурной части факела в известных IШазмо­

тить эти два важнейших процесса

химических механизмах синтеза. Этот механизм в

синтез

значительной степени отвечает процессам синте­

в лабораторных условиях. Так, этой работе пока­

за, которые происходят в лазерной плазме, когда

зано, что в лабораторных опытах можно воспро-

-

2009)

показывают, что ударное воздей­

-

ионизацию и

и при необходимости воспроизвести его


Г Г Манагадзе. Плазменные процессы в миссии

Deep lmpact

435

помощью лазера. В этом случае степени ионизации

режиме и обеспечивал WL от 3·104 до 7·10 7 Вт/см2
при протяженности импульса ~ 10-3 с. Эти условия

среды,

извести плазменный факел ударной природы с

можно

исключали возможность возникновения плазмы, и

достичь термическим механизмом ионизации, под

способствующей

это бьmо хорошо известно пользователям уста­

воздействием

новки, так как в своих публикациях, выполненных

излучения

началу

лазера.

синтеза,

Для этой цели

должен быть применен лазер, работающий в режи­

за

ме модулированной добротности, обеспечивающий

ные процессы (Gerasiтov

30 лет,

световой импульс длительностью ~ 5 10- с, и это
9

условие является обязательным.

они никогда не рассматривали плазмен­

et al., 2003, 2007).

Следовательно, с одной стороны на этой уста­
новке однозначно не воспроизводились плазменные

В этих условиях, начиная с WL ~ 5· 108 Вт/см 2

процессы,

являющиеся

важнейшими

факторами

обеспечивается поверхностная ионизация мишени

ударного воздействия и определяющие состав ко­

с генерацией плазменного факела, который будет

нечного продукта. С другой

способствовать синтезу новых соединений. При

экспериментальные результаты, полученные в пря­

этом возникающий плазменный факел будет обла­

мых ударных опытах в Эймсе, Гейдельберге и Кен­

дать высоким подобием с факелом, возникающим

тербери, однозначно показывают, что для скоростей

при скорости удара

ударного воздействия от

5-10 км/с.

Результаты, пред­

ставленные в работе (Манагадзе,

2009),

наглядно

5

-

до

изложенные выше

9 км/с

наблюдается

регулярная генерация плазменного факела.

демонстрируют, что в плазменном факеле лазер­

Известно, что разлет плазменного факела не

ной природы будут воспроизводиться основные

имеет ничего общего с процессом испарения, по­

плазменные

ударному

тому как плазменная и газопаровая среды находят­

воздействию с высокой достоверностью. Начиная
9
2

ся в различных агрегатных состояниях. Поэтому

с WL ~ 2·10 Вт/см и выше начинается объемная

между разлетом факела и термическим испарени­

ионизация мишени, и в этом случае обеспечивает­

ем вещества очень мало общего. Следовательно, и

ся высокоэффективный синтез новых веществ.

конечные продукты, образованные в этих процес­

процессы,

сопутствующие

Следует отметить, что представленная выше

сах, будут радикально отличаться.

Таким образом, возникшее противоречие за­

картина ударного воздействия, а также способы
воссоздания плазмы ударной природы с помощью

ключатся в следующем.

лазера, с предельной ясностью показывают кор­

Ясно, что только наличие плазменного факе­

ректность постановки задачи и ее реализуемость.

ла может обеспечить процессы, приводящие к ис­

Однако результаты ряда работ не вписываются в

тинной ударной дегазации и абиогенному синтезу

предложенную картину и находятся в противоре­

органических соединений.

Однако условия лабораторных эксперимен­

чии с ней.

С целью выяснения этого разногласия рас­
смотрим работы (Герасимов,

тов, которые претендуют на воссоздание процес­

сов ударной дегазации и абиогенного синтеза, не

1984; Gerasiтov et а!.,
1999; Герасимов и др., 2003; Gerasiтov et al.,
2007), в которых начиная с 1979 года и до настояще­

обеспечивают генерацию плазменного факела

го времени утверждается, что в них моделируются

собствующего зарождению новых соединений

процессы ударной дегазации вещества на ранней

и

Земли в процессе ее формирования под воздействи­

процессы.

ем

метеоритного

удара,

а

также

-

общепризнанного и определяющего фактора спо­

не

позволяют

полноценно

воспроизвести

-

эти

Сопоставление данных указывает на то, что

воспроизводятся

процессы абиогенного синтеза органических соеди­

как

нений в процессах, сопутствующих удару. Сопоста­

зультаты,

вим результаты этих работ с экспериментальными

ной установки с низкой скоростью ввода энергии

результатами, изложенными выше.

(Герасимов,

Для моделирования ударных процессов в ус­
ловиях лаборатории в диапазоне скоростей от

1О

6 до

км/с была создана лазерная установка (Гераси­

мов,

1984;

Gerasiтov

et al., 1999).

Лазер, исполь­

зуемый на этой установке, работал в частотном

условия

проведения эксперимента,

полученные

1984;

при

так

использовании

Gerasiтov

et а!., 1999)

и ре­

лазер­

не отве­

чают наиболее важным требованиям, необходи­
мым для корректного воссоздания процессов, со­

провождающих метеоритный удар. Поэтому эти
результаты (Герасимов,

2007)

1984;

Gerasiтov

et al., 2003,

не могут рассматриваться в качестве имею-


436

Глава

111. Теоретические

и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

Возникающий при скоростях удара, равных

щих отношение к процессам ударной дегазации и

2-3

абиогенному синтезу новых соединений, возни­

(для

кающих при ударе.

плазменный выброс, согласно результатам лабора­

Fe), 5--6 (для С и Al) и 10-11 (для льда) км/с,

торного моделирования процессов удара, способен
обеспечивать синтез новых, в том числе и органи­

Заключение

ческих соединений. Это существенно увеличивает

Изложенные выше результаты работы по изу­
чение данных миссии

Deep Impact

могут иметь ин­

тересное продолжение, так как на данном этапе не

вероятность возникновения условий, необходимых
для появления живой материи на многих космиче­
ских телах с массами, не превышающими земную.

Обнаруженный относительно низкий порог

все необычные результаты миссии оказались дос­
тупными. Однако эта работа уже в настоящее время

привела к необычному продолжению, но уже в не­
сколько другом и не менее интересном направлении,

ударного плазмообразования,

позволяет при

ис­

пользовании плазменной диагностики и масс-спек­
трометрии провести исследования синтеза органи­

которое относится к известным свойствам пьmевых

ческих соединений в прямых ударных воздействи­

структур, возникающих в космосе и в лаборатории.

ях в условиях лаборатории при диаметре ударника,

Таким образом, основные результаты, полу­

достигающем от

до

0,3

0,6

см. Для этого могут

ченные в процессе рассмотрения плазменных эф­

бьпь использованы возможности ускорителя НАСА

фектов, возникающих в процессе подготовки и

в Эймсе, а также другие, менее высокоскоростные

реализации миссии

и поэтому более доступные ускорители, позволяю­

на данном этапе

Deep lmpact,

исследовательских работ можно сформулировать

щие разгонять частицы со значительными массами

следующим образом.

ударника до

Показано, что при достижении ударником из

углерода скорости VIМP

- 5--6 км/с

происходит вы­

5--6 км/с.

В проведенных ранее (Герасимов,

simov et а/., 1999)

1984; Gera-

исследованиях процессов удар­

сокоскоростной перегрев среды за счет ее ударного

ной дегазации и абиогенного синтеза органиче­

сжатия. Это приводит к поверхностной ионизации

ских соединений в парогазовой фазе исключалось

взаимодействующих тел и к регулярному образо­

возможность

ванию плазменного факела. Возникающая в этих

Без плазменной среды, обладающей высокой ка­

процессах плазменная

своим характери­

талитической активностью, последствия ударного

стикам (по степени ионизации, плотности, темпе­

воздействия, а также продукты ударной дегазации

ратуре и величине дебаевского радиуса) отвечает

и абиогенного синтеза будут совершенно други­

основным

ми. Поэтому результаты, полученные в подобных

среда по

требованиям

идеальной

плазменной

возникновения плазменной среды.

среды с большим запасом по диапазону плотности

опытах,

и температуры (Основы физики плазмы,

механизмам и конечным продуктам возникающих

1983).

В условиях, когда в соударяющихся телах дос­
тигается поверхностная ионизация вещества, кон­

в

не

могут

природных

иметь

процессах

никакого

ударной

отношения

дегазации

к

и

ударного синтеза органических соединении.

- 10-20 раз

Автор выражает благодарность М. А. Херну,

ниже концентрации плазмы, образованной при объ­

А. А. Захарову, Л. М. Зеленому, А. В. Игнатову,

емной ионизации ударника и мишени, возникаю­

А. А. Рухадзе, А. А. Чернову за обсуждения работы

центрация плазмы в факеле примерно в

щей при достижении «критической» V1 мр, равной

и замечания, Д. А. Моисеенко за помощь в подго­

- 15-20 км/с.

товке отчета.

При разлете факела возникающие плазменные
образования будут разделяться по скоростям раз­
лета на отдельные сгустки. Горячая часть плаз­

Литература

менного факела будет опережать выброс пылевой
компоненты, а низкотемпературная часть факела

будет выходить вместе с ней. Этот эффект впервые
наблюдался в процессе подготовки и реализации
миссии

Deep Impact

благодаря значительным ха­

рактерным размерам ударного эксперимента.

Анисимов С. И, Лукьянчук Б. С.

(2002)

Избранные за­

дачи теории лазерной абляции// УФН. Т.
Афонин В. И

(2001)

172.

№

3.

О механизме стратификации и фи­

ламентации многозарядной плазмы Z-пинчей //Фи­
зика плазмы. Т.

27.

№

6.


Г Г Манагадзе. Плазменные процессы в миссии

Афонин В. И., Потапов А. В., Угоденко А. А.

(2001)

Ис­

следование влияния филаментации лазерной плазмы
на формирование ударной волны в плоской мишени
Известия Челябинского научного центра. Вып.
Российский федеральный ядерный центр

//
3 (12),

-

Все­

российский НИИ технической физики им. акад.
Е. И. Забабахина, г. Снежинск, Россия. С.

17.

Басов Н. Г, Бойко В. А., Дементьев В. А., Крохин О. Н.,
Склизков Г В.

Нагрев и распад плазмы, соз­

(1967)

данной при фокусировке гигантского лазерного им­
пульса,

фокусированного

шень. ЖЭТФ.

51.

С.

на

твердотельную

ми­

989.

БиберманЛ. М, Воробьев В. С., Якубов И. Т.

(1982)

Ки­

нетика неравновесной низкотемпературной плазмы.
М.: Наука.

Герасимов МВ.

Ударная

(1984)

дегазация

Земли

и

планет земной группы. Диссертация на соискания
ученой степени кандидата физико-математических
наук. Москва.
Гуревич Л. Э.

(1940)

Основы физической кинетики. Гос­

техиздат.

Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П.
волн

и

(2008)

высокотемпературных

явлений. М.: Физматлит.

656

Физика ударных

гидродинамических

с.

Ковалев А. Т., Немчинов И. В., Шувалов В. В.

(2005) Ио­
// В сб.: Ка­
космических тел / Под

носферные и магнитосферные эффекты
тастрофические воздействия
ред.

В. В. Адушкина и

И. В. Немчинова.

Институт

динамики геосфер РАН. М.: ИКЦ «Академкнига».

Клумов Б. А., Ким В. В., Ломоносов И. В., Султанов В. Г,
Шутов А. В., Фортов В. Е.

(2005)

Возможные на­

блюдательные эффекты в эксперименте

Deep Impact //
175. № 7.
Лебедев А. Т. (2003) Масс-спектрометрия в органической
химии. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 493 с.
Лимпоух Й, Розанов В. Б. (1984) Поперечные структуры
(филаменты, спикулы, джеты) в лазерной плазме //
Квантовая электроника. Т. 11. С. 1416.
Манагадзе Г Г (2009) Плазма метеоритного удара и
добиологическая эволюция. М.: Физматлит. 352 с.
Основы физики плазмы (1983) / Под ред. А. А. Галеева
и Р. Судана. М.: Энергоатомиздат. 640 с.
Райзер Ю. П. (2009) Физика газового разряда. Научное
издание. Долгопрудный: «Интеллект». 736 с.
Смирнов Б. М (1982) Возбужденные атомы. М.: Энер­
УФН. Т.

гоатомиздат.

Фортов В. Е., Терновой В. Я., Жерноклетов МВ., Мо­
чалов МА., Михайлов А. Л., Филимонов А. С., Пял­
линг А. А., Минцев В. Б., Грязнов В. К., Иосилев­
ский И. Л.

(2003)

Ионизация давлением неидеаль­

ной плазмы в мегабарном диапазоне динамических
давлений// ЖЭТФ. Т.

124.

Вып.

2 (8).

С.

288-309.

Фортов В. Е., Храпак А. Г, Храпак С. А., Молотков В. И.,

Петров О. Ф.
№5.

(2004)

Пылевая плазма// УФН. Т.

174.

А' Hearn М

Deep Impact

437

F. and Тhе Deep Impact Team (2006), Deep
Impact: Excavating Comet Tempel 1. LPS XXXVII.
#1978.
А 'Hearn М F. et al. (2005) // Deep Impact: excavating
Comet Tempel 1. Science. 310. Р. 258-264.
Bailey J. (2000) Circular Polarization and the Origin of
Biomolecular Homochirality Bioastronomy 99: А New
Era in the Search for Life. ISBN: 1-58381-044-7.
ASPC. 213-349В.
Bailey J., Chrysostoтoи А., Hoиgh J., Gledhill Т., McCall А.,
Clark S., Meпard F., Татиrа М (1998) Circular Polarization in Star-Formation Regions: Implications for
Biomolecular Homochirality // Science. V. 281. Iss. 5377.
Р. 672.
Barroп L. D. (2008) Hirality and life. PuЫished in the
book Strategies of Life Detection. Space sciences series
of ISSI / Eds. О. Botta, J. L. Bada, J. Gomez-Elvira,
Е. Javaux, F. Selsis and R. Summons. Р. 380.
Chrysostoтoи А., Gledhill Т., Meпard F., Hoиgh J. , Тати­
rа М, BaileyJ. (2000) Polarimetry ofyoung stellar objects - III. Circular polarimetry of ОМС-1 11 Monthly
Notices of the Royal Astronomical Society. V. 312. Iss.
1. Р. 103-115.
Chrysostoтoи А., Menard F., Gledhill Т., Clark S., Hoиgh J.,
McCall А., Татиrа М (1997) Polarization, scattering,
stars: pre-main-sequence, dust, extinction // ISM: Individual: GSS 30, reflection nebulae, Monthly Notices of
the Royal Astronomical Society. V. 285, Iss. 4. Р. 750758.
Crawford D. А., Schиltz Р Н. (1999) Electromagnetic properties of impact-generated plasma, vapor and debris //
Int. J. Impact Engng. 23, Р 169-180.
Crawford D. А. and Schиltz Р Н. (1991) Laboratory investigations of impact-generated plasma // J. Geophys.
Res. 96 (ЕЗ). Р. 18807-18817.
Crawford D. А. апd Schиltz Р Н. (1988) Laboratory observations of impact-generated magnetic fields // Nature.
336. Р. 50-52.
Crawford D. А. апd Schиltz Р Н. (1993) Тhе production
and evolution of impact-generated magnetic fields //
Int. J. Impact Engng. 14. Р 205-216.
Eberhardy С. А., Schиltz Р Н. (2004) LPS XXXV. #1855.
Ernst С. М, Schиltz Р Н. (2003) LPS XXXIV. #2020.
Ernst С. М, Schиltz Р Н. (2005) LPS XXXVI. #1475.
Erпst С. М, Schиltz Р Н., А 'Hearn М F. and the Deep
Impact Science Team (2006), Brown University, Department of Geological Sciences, Photometric Evolution ofthe Deep Impact Flash. LPS XXXVII. # 2912.
Drapatz S. and Michel К. W. (1974). Theory of ShockWave Ionization upon High-Velocity Impact of Mifrometeorites // Zeitschrift fiir Naturforschung 29а. Р. 870.
Gerasiтov М V, Ivaпov В. А., Yakovlev О.!., Dikov Уи. Р
(1999) Physics and chemistry of impacts // Laboratory
Astrophysics and Space Research / Eds. Р. Ehrenfreund


438

Глава

111.

Теоретические и экспериментальные исследования предбиологических химических систем

et al. Amsterdaam: Кluwer Academ. PuЬlisher. V. 236.
Р. 279-329.
Gerasimov М V, Safonova Е. N, Dikov Уи. Р (2007) Synthesis of organic molecules during impacts at accretion
of the Earth and planets // Second Intemational Conference. Biosphere Origin and Evolution. October 28 November 2, 2007. Loutraca, Greece. Thesis's of conference, 0-14.
Gerasimov М V, Safonova Е. N and Paskonova Е. А. (2003)
Synthesis of Complex Organic Molecules During an
Impact. LPS XXXIV, 1580.
Goldsworthy В. J et а!. (2002) Laboratory calibration of
the Cassini Cosmic Dust Analyzer (CDA) using new, low
density projectiles, Advances in Space Research 29 (8),
1139.
Goller J. and Grйn Е. (1989) Calibration of the Galileo/
Ulysses Dust Detectors with different projectile materials and at varying impact angles // Planetary and Space
Science. 37(10). Р. 1197.
Hillenkamp F, Unsold Е., Kaufmann R., Nitsche R. (1975) //
Nature. 256. Р. 119.
Karas М, Gluckmann М, Schafer J (2000) // J. Mass Spectrom. 35. Р. 1-12.
Кiт Р. Н., Namba S. (1967) // Bull. Amer. Phys. Soc. 12.
Р. 137.
Кissel J and Krйger F R. (1987) Ion Formation Ьу Impact
of Fast Dust Particles and Comparison with Related
Techniques // Applied Physics A-Solids and Surfaces.
А, 42. Р. 69-85.
Khochenmuss R., Stortelder А., Breuker К., Zenobl R. (2000) //
J. Mass Spectrom. 35. 1237.
Knecht W L. (1965) // Appl. Phys. Letts. 6. Р. 99.
Knecht W L. (1966) // Appl. Phys. Letts. 8. Р. 254.
Lisse С М and the Deep Impact Spitzer Science Team (2006)
Spitzer Space Telescope. Observations of the Nucleus
and Dust of Deep Impact Targe Comet 9P/Tempel 1.
LPS XXXVII. Р. 1960.
Managadze G. G. (2010) Plasma and Collision Processes
of Hypervelocity Meteorite Impact In Prehistory of
Life // Intemational Joumal of Astrobiology. V. 9. Iss.
03. Р. 157-174.
Managadze G. G., Eismont N А. (2009) А Low-Orbit Experiment on Modeling Superhigh-Velocity Impact of а
Meteorite Reproducing Abiogenic Synthesis of Complex Organic Compounds in Torch Plasma // Cosmic
Research. V. 47. № 6. Р. 491.
McFadden L., A'Hearn М (2004) Our first look inside а
comet: Deep Impact // Тhе planetary report. NovemberDecember 2004. V. XXIV. № 6. Р. 12-17.

Meierhenrich И. J, Nahon L., Alcaraz С, Bredehoft J Н.,
Hoffmann S. V, Barbler В., BrackA. (2005) Asymmetric Vacuum UV photolysis of the Amino Acid Leucine
in the Solid State // Angew. Chem. V. 117. Р. 5774--5779;
Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 44 (2005), 5630--5634.
Melosh Н. J. and the Deep Impact Team, Lunar and Planetary Lab. (2006) Deep Impact: the First Second. LPS
XXXVII. #1165.
Namba S., Кiт Р. Н., Hoh Т (1966а) // Japan. J. Appl.
Phys. 6. 273.
Namba S., Кiт Р. Н., Mitsuyama А. (1966) // J. Appl. Phys.
37. Р. 3300-3301.
Namba S., Кiт Р. Н., Schwarz Н. (1967) // 8 th Int. Conf.
on Phenomena in Ioniz. Gases. Vienna. Р. 59.
Roberts J А. (1984) Supemovae and Life // Nature. 308. 318.
Rubenstein Е., Bonner W А., Noyes Н. Р. and Brown G. S.
(1983) Supemovae and Life // Nature. 306. 118.
Schultz Р. Н. (1996) // JGR, 101. Р. 21117-21136.
Schultz Р. Н. and Anderson J L. В. (2005) LPS XXXVI.
#1926.
Schultz Р Н., Ernst С., А 'Неаrп М F, Eberhardy С., Sunshine J М, and the Deep Impact Team (2006) The
Deep Impact Collision: А Large-Scale OЬlique Impact
Experiment. LPS XXXVII. #2294.
Schultz Р Н. et а!. (2005) // Space Sci. Rev. 117. 207-239.
Srama R., Woiwode W, Postberg F, Armes S. Р., Fujii S.,
Dupin D., Ormond-Prout J, Sternovsky Z., Kempfl S.,
Moragas-Кlostermeyer G., Mockerl А., Grun Е. (2009)
Mass spectrometry of hyper-velocity impacts oforganic micrograins // Rapid Commun. Mass Spectrom.;
23 : 3895-3906 PuЬlished online in Wiley InterScience
(www.interscience.wiley.com) DOI: 10.1002/rcm.4318
Stublg М (2002) New insights in impact ionization and
time-of-flight mass spectroscopy with micrometeoroid
detectors Ьу improved impact simulations in the laboratory. Dissertation for the Doctor of Natural Sciences //
Combined Faculties for the Natural Sci. and for Math.
ofRuperto-Carola Univ. ofHeidelberg, Germany.
Stublg М, Schafer G" Но Т М, Srama R., Grun Е. (2001)
Laboratory simulation improvements for hypervelocity
meteorite impacts with а new dust particle source //
Planetary and Space Science. V. 49. Р. 853.
Stublg М, Srama R., Grun Е., Schafer G. (2002а) Time-offlight mass spectra from new projectile materials for
calibration of micrometeorite detector CDA 11 Proc
EGS 27'ь General AssemЫy. Abstract EGS02-A-01364,
European Geophysical Society, Nice, April, 2002а.
Р. 274.
Zenobl R., Khochenmuss R. (1999) // Mass Spectrom. Rev. 1.


ГЛАВАIV
СОБЫТИЯ И ФАКТОРЫ
ЭВОЛЮЦИИ БИОСФЕРЫ


А. Л. Верещака, Д. Н. Кулагин, А. А. Лунина,

А. С. Микаэлян, А. Е. Сивкович, А. Н. Ступникова

Роль фронтальных зон в эволюции морских экосистем ...................................................................... 441
М С.Бараш

Причины великого вымирания на границе перми и триаса."""" .. """""."""""""""""""""""." ..... 461
М А. Семихатов, В. Н. Сергеев, Н. Г Воробьева, Н. М Чумаков

Вендская микробиота уринской свиты Патомского комплекса Средней Сибири:
биостратиграфическое и эволюционное значение ....... " ........................................................... "" ....... 477
М А. Ахметьев, Г Н. Александрова, В. Н. Беньямовский, Ю. О. Гаврилов, Н. И Запорож:ец,

С. М Ляпунов, Т. В. Орешкина, К. А. Печникова, Б. Г Покровский, Е. А. Щербинина
Результаты биостратиграфического, литологического и изотопно-геохимического

изучения экосистемных событий рубежа палеоцена и эоцена ........................................................... 499
Ю. Б. Гладенков, В. А. Захаров, В. Г Ганелин, А. Ю. Гладенков,
А. В. Дронов, О. А. Корчагин, М А. Рогов

Новые подходы к расшифровке развития палеоэкосистем фанерозоя бореального пояса"" ... " ... "

525

Т. В. Кулаковская, Н. А. Андреева, Н. А. Бреус,
В. М Вагабов, В. В. Дмитриев, Л. П. Рязанова, И С. Кулаев

Исследование минералообразования в живых системах на примере фосфорных

минеральных соединений у дрожжей.".""".""".""""""" .. " .. """"""""."" .. """""" .. """""."""""". 551
О. Н. Зезина

О продолжительности существования облигатных родов современной морской фауны
в разных широтных фаунистических поясах (по материалам исследования брахиопод)

и о возможностях океанологических палеореконструкций

."""""""""""" ." .... """""""" .""""" ."" 561

Г Н. Батурин

Металлоносность биогенных фосфатных отложений Майкопского моря

и зон апвеллинга в современном океане""." ... "" .. " ... """""".""." ..... """""."."""" ..... "" ... """"."" .. 567
П.

lf.

Маккавеев

Изменения карбонатного равновесия вод Мирового океана в прошлом "" .... """" .... " .. "" ... " .... """

5 81

М М Филиппов, Н. С. Бискэ

Феномен «Шуньга» и его аналоги"""."""."."" .. "."" .. "."."" .... """." ... "."" .. " ...... "." ...... ""." ... "" ..... 597
Е. Ю. Голубкова, Е. Г Раевская, А. В. Ивановская

Закономерности латерального распространения микрофоссилий в вендских нефтегазоносных

отложениях непского свода Непско-Ботуобинской антеклизы Восточной Сибири"""""." .. " .. """.

615

В. Н. Подковыров

Лито геохимия вендских отложений юго-востока Сибирской платформы

" .. " ..... " .. "". " .... ". "" ....... 621

Т. Н. Герман

Конструктивные особенности древних дрожжевидных клеток

Eosaccharomyces .... " .. "" ... " .. " ....... 629

А. Г Малыгин

Осцилляции жизнеспособности мышей в процессе их роста и старения." .......... " .. """" ..... " .. "" ...

635


Роль ФРОНТАЛЬНЫХ зон в эволюции МОРСКИХ ЭКОСИСТЕМ

А. Л. Верещака, Д. Н. Кулагин, А. А. Лунина, А. С. Микаэлян,
А. Е. Сивкович, А. Н. Ступникова
Институт океанологии им. П .П. Ширшова РАН.

alv@ocean.ru

Планктонные сообщества Антарктики и Субантарктики обладают характеристиками, позволяющими рас­
сматривать их в качестве модельных сообществ, демонстрирующих высокую структурную и функциональную
изменчивость и предоставляющих возможность изучить общие закономерности и конкретные механизмы сук­
цессионных и эволюционных изменений морских экосистем. Особенный интерес представляют высокогради­
ентные фронтальные зоны, где на небольших пространственных и временных масштабах наблюдаются наибо­

лее резкие изменения среды и условий обитания планктонных сообществ. Сложная гидрологическая структу­
ра антарктических вод позволяет изучить влияние гидрологических процессов на видовую структуру и коли­
чественное развитие планктона.

Проведенная на двух меридиональных разрезах съемка в Атлантическом секторе Антарктического цир­
кумполярного течения (АЦТ) позволила оценить влияние фронтальных зон на смену таксономического состава

зоопланктона и на характер распределения биомассы планктона в эпипелагиали. Изменчивость абиотических
и биотических параметров была исследована на пяти основных фронтах: Субтропическом, Субантарктическом,
Полярном, Южном и на Южной границе АЦТ. Анализ полученных данных позволяет сформулировать рабочие
положения концепции, иллюстрирующей механизм эволюции биологической структуры океана. Показано, в ча­

стности, что процессы изменчивости структуры и функционирования океанических экосистем наиболее сильно
проявляются именно в высокоградиентных фронтальных зонах. Перестройки биологической структуры захва­

тывают все элементы сообщества, при этом изменения могут быть весьма значительными

-

абсолютные зна­

чения численности и биомассы могут меняться на два порядка величин на расстоянии нескольких миль.

Одна из попыток реконструкции была сдела­

Введение

на несколько лет назад (Верещака,

2008).

Исходя

Постановка проблемы

из современных представлений об основных за­

Накопившаяся палеонтологическая информа­

кономерностях функционирования современных

ция и успехи современной биоокеанологии позво­

экосистем, была предпринята попытка схематич­

ляют довольно уверенно реконструировать биоло­

ной реконструкции того, как происходила эволю­

гическую структуру Мирового океана и общий

ция биологической структуры Мирового океана.

облик сообществ. Располагая обширной и разно­

Однако конкретные механизмы, которые приводят

сторонней информацией об основных законах жиз­

к тем или иным перестройкам, остались «в тени»,

ни современного океана (Верещака,

в частности потому, что они недостаточно изуче­

Верещака, Малинников,

2005)

2000, 2003;

и имея реперные

ны даже в современном океане. В то же время

точки в прошлом (палеонтологические остатки,

Мировой

данные палеоокеанографии и модели геологиче­

исследователя «модельные» сообщества, которые

ских и геохимических процессов), можно рекон­

демонстрируют высокую структурную и функ­

струировать древние и древнейшие сообщества.

циональную изменчивость в течение относитель-

При этом оказывается, что «фантазия» реконструк­

но небольшого времени, когда можно проследить

торов имеет очень мало степеней свободы,

происходящие в сообществах процессы.

-

слиш­

ком хорошо известны и сильны связи между био-,
гидро-, и геохимическими процессами в океане.

океан

предоставляет

в

распоряжение

1.

Эволюция экосистем (поступательное развитие) происходит на фоне циклических сукцесси-


442

Глава

IV. События и факторы эволюции биосферы

онных изменений. Очень важно отличать сукцес­

(3)

градиенты факторов среды, так же как игра­

сию и эволюцию экосистем. Наиболее характер­

диенты биотического происхождения, долж­

ные общепринятые различия приведены ниже:

ны быть значительными. Такие градиенты мы

(1)

эволюция

экосистем

имеет

наблюдаем в высокоградиентных фронталь­

поступательное

ных зонах;

направление изменений, допускает множест­

венность решений. Как правило, она не имеет

(4)

минимизировано. В этом смысле для ис­

обратного направления в пределах той же

(2)

влияние посторонних факторов должно быть

траектории развития;

следования идеально подходят сообщества

сукцессия экосистем имеет циклический тип

Антарктики и Субантарктики: они (а) дос­

трансформации,

решений

таточно удалены от континентов и факторов

сушествует только в точках фуркации систе­

терригенного происхождения и (б) относи­

мы. В рамках сукцессионного развития эко­

тельно

систем изменения обратимы и система может

Мирового океана Циркумантарктическим те­

вернуться в исходное состояние.

чением.

В большинстве случаев изменчивость назем­

Таким образом, поиск наиболее подходящих

множественность

изолированы

от

других

районов

ных и морских экосистем носит циклический ха­

модельных сообществ оказывается суженным: это

рактер и изменения в таких экосистемах обрати­

планктонные сообщества фронтальных зон Антарк­

мы. Однако 'в высокоградиентных зонах сущест­

тики и Субантарктики в период активной вегетации.

вуют сукцессионные изменения, неотличимые от

Эти сообщества были предметом пристального

эволюционных.

оторвав­

внимания в ходе выполнения Программы Прези­

шегося от фронта меандра или вихря претерпева­

Например,

диума РАН 25П. В ходе исследования бьша сдела­

ет

на попытка оценить:

однонаправленные

экосистема

необратимые

изменения,

причем множественность решений возможна не

(1)

только в точках фуркации системы. Механизмы,
лежащие в основе трансформации таких экоси­
стем,

носят

универсальный

характер,

чивости этих экосистем;

(2)

могут и

должны использоваться для понимания эволюци­
онных процессов, происходящих в иных времен­

степень временной и пространственной измен­

скорости изменения структуры и функции этих
экосистем;

(3)

роли фронтальных экосистем в эволюции био­
логической структуры океана.

нЬ1х масштабах.
Модельные сообщества должны удовлетво­

(1)

все элементы сообществ должны поддаваться
достаточно

точной

количественной

оценке.

Идеальным природным объектом такого рода

Сложная

гидрология

антарктических

вод,

предполагающая наличие множественных фрон­
тальных

зон,

позволяет

предполагать

существо­

могут быть планктонные сообщества: все раз­

вание разных по происхождению сообществ фи­

мерные группы можно «отфильтровать» из чет­

топланктона

ко определенного объема или изучить молеку­

Изучение влияния гидрологических процессов на

лярно-генетическими

(2)

Что мы знаем о сообществах

фронтальных зон Южной Атлантики?

рять нескольким критериям:

методами

(нанобиота),

видовую

с

повышенной

структуру

и

продуктивностью.

уровень

количественного

абиотические параметры среды относительно

развития планктона являлось основной задачей

немногочисленны и могут быть количественно

данного исследования. При этом особое внима­

определены с достаточной точностью;

ние было уделено корректности получения дан­

изменение

ных по количественному развитию сообществ.

структуры и

функционирования

сообществ должны происходить быстро, чтобы

Применение разных методов сбора и обработки

можно было зарегистрировать их изменчи­

проб позволило корректно учесть весь размерный

вость в широком диапазоне величин. Лучше
всего этому критерию удовлетворяют планк­

тонные сообщества в вегетационный весен­
ний или весенне-летний период;

спектр, что особенно важно для сопоставления с
другими общими параметрами.
Антарктические воды относятся к категории
вод с высоким содержанием биогенных элементов


А. Л. Верещака и др. Роль фронтальных зон в эволюции морских экосистем

и относительно низкой скоростью роста планк­

относительно

менту, как железо. В различных эксперименталь­

ных исследованиях, в том числе и с обогащением

тонных водорослей.

Основными

443

факторами,

низкий

обуславливающими

уровень

развития

фито­

природных популяций непосредственно в океане,

бьша показана связь низких концентраций

Fe с уров­
(Boyd

планктона (при достаточно высоком для роста фи­

нем развития фитопланктона Южного океана

топланктона

et al., 2007).

содержании

основных

биогенных

элементов) на большой части акватории Южного
океана, являются большая толщина верхнего пере­
мешанного слоя, что приводит низкой «средней»
освещенности

(Riley, 1951)

и, как следствие, к ли­

митации роста светом, низкие температуры воды,

снижающие скорость жизнедеятельных процессов

Например, в неритических областях

с высокой первичной продукцией (3 g С m-2 day- 1)
1
концентрации железа существенны (7,4 nmol kg- ).
В водах пролива Дрейка при величинах первичной
2
1
продукции (0,2 g С m- day- ) уровень железа со­
1

ставлял 0,16 nmol kg- (Martin et al., 1990).

Общая схема циркуляции биогенных элемен­

концентрации растворенного

тов и микроэлементов (железо) в Антарктике оп­

железа. Соотношение этих факторов меняется в

ределяется глобальным Антарктическим циркум­

течение года и в пространстве и, действуя совмест­

полярным течением.

но

стороне Антарктического Южного фронта (ЮФ)

в

клетках,

со

и низкие

сложными

гидрологическими

процессами,

Считается, что на южной

создает для антарктического фитопланктона край­

в районе

не вариабельную среду обитания.

ходит подъем вод, богатых кремнием, нитратами

Считается, что высокое содержание биоген­

60

градуса среднестатистически проис­

и фосфатами и обедненных железом. При ослаб­

ных элементов не определяет скорость роста мик­

лении световой лимитации летом и весной здесь

роводорослей

Однако было пока­

развивается диатомовый фитопланктон, образуя

зано, что при низких температурах, близких к нулю,

так называемый Антарктический Пояс продук­

потребности в обеспечении биогенных элементов

тивности

резко возрастают. Обычно кинетика потребле­

максимум

ния биогенного элемента описывается S-образной

держанием железа

функцией Монада

Пояса из-за влияния дна и берегов железо не ли­

точкой

(Jaques, 1983).

является

(Monod, 1950),

константа

где ключевой

полунасыщения

Ks

(Antarctic Circumpolar Productivity Belt),
развития

в

котором лимитируется

(lto et а/., 2005).

со­

Южнее этого

митирует рост водорослей. На северной стороне

(такая концентрация элемента в воде, при которой

ЮФ кремний регулярно становится элементом,

достигается скорость потребления, равная поло­

лимитирующим рост диатомовых водорослей, т. к.

вине от максимальной). Например, если обычно Кs

подъем вод наблюдается там значительно реже.

для кремния и азота у разных водорослей варьи­

Здесь доминируют мелкие водоросли

рует от до (от

2000).

до

1,0

µМ по

0,6 µМ по кремнию и от 0,5
фосфору (Watson et al., 2003), то для
0,2

до

антарктических видов при температуре О

Севернее

40

(Smith et а/.,

градуса лимитирование же­

лезом прекращается и рост водорослей ограни­

С они

чивают биогенные элементы. Настоящая схема

варьировали от

не является общепризнанной, ее несовершенст­

до

8,4 to 88,7 µМ по кремнию и от 0,3
фосфору (Sommer, 1986). При уровне

во и упрощенность прежде всего обусловлены

4,2

µМ по

0

концентраций этих элементов, характерном для

ограниченным

Антарктических вод в летний сезон, от

2,0 до 36
Si и от 0,2 до 1,7 µМ РО 4 (Микаэлян и др.,
2010) лимитация вполне возможна. Кроме того,

ции роста фитопланктона в антарктических во­

µМ

дах. В этом плане проведенные в данном рейсе

количеством

данных

по

лимита­

исследования позволят дополнить имеющиеся в

скорости потребления биогенных элементов ви­

мире данные и представить более ясную картину

доспецифичны даже в пределах одной группы во­

развития микроводорослей в Атлантическом сек­

дорослей. Так, рост диатомовой водоросли

торе Антарктики.

siosira antarctica

Thalas-

чаще лимитируется концентраци­

Биологические процессы в океане тесно свя­

концен­

заны и зависят от характеристик среды обитания.

трацией кремния, что сказывается на их простран­

Моделью для изучения влияния гидрологических

ственном распределении

параметров на биоту могут служить высокогради­

ей нитратов, а у

Corethron criophyllum (Sommer, 1986).

Важная роль в процессе ограничения роста
микроводорослей принадлежит такому микроэле-

ентные

фронтальные

зоны,

где

на

небольших

пространственных и временных масштабах на-


444

Глава

IV.

События и факторы эволюции биосферы

блюдаются наиболее резкие изменения в условиях

1.

Материал и методы

среды обитания планктонных сообществ. На при­
мере высокоградиентных зон можно изучить раз­

Материал для исследования планктонных со­

ные масштабы взаимодействия физических и био­

обществ был собран в ходе трех комплексных

логических процессов. Это изменение гидрологи­

биоокеанологических экспедиций в Южную Ат­

ческих параметров и смена сообществ при пере­

лантику.

Первая

экспедиция

ходе через фронт, а также мезомасштабные коле­

пролива Дрейка между

бания, возникающие как внутри фронта, так и в

23

октября

охватывала

район

57° и 60° ю. ш. в период с
3 ноября 2008 г. (биологическая

по

весна, 25-й рейс НИС <<Академик Сергей Вави­

прилежащих зонах.

Часто на фоне общей низкой биомассы зоо­

лов»

рис.

-

1).

Вторая и третья экспедиции со­

планктона возникают вспышки повышенной био­

стоялись в ноябре

массы, сопряженные с фронтом, иногда эти раз­

декабре

личия могут достигать двух порядков. Для выяв­

к югу от Африки (30-й рейс НИС «Академик

ления механизмов образования зон повышенной

Иоффе» и 31-й рейс НИС «Академик Сергей Ва­

или пониженной продукции зоопланктона необ­

вилов»

достижения

максимально

возможного

ственного

рологических условий в широтном направлении,

Уникальная

процессов

в

биологии.

съемка почти единомоментно двух

меридиональных разрезов через все гидрологиче­

ские границы АЦТ на западной и восточной час­

разрешения

расстояние

1О

простран­

между

стан­

миль.

Отбор количественных проб зоопланктона

а также мезомасштабных колебаний необходима

общих

SR-2

2-3).

циями составляло порядка

понимания

и в ноябре

в проливе Дрейка и на разрезе

ностей ее изменения в зависимости от смены гид­

для

2010

станциях гидрологического полигона. Для

CTD

Оценка биомассы зоопланктона, закономер­

рис.

-

январе

Пробы фито- и зоопланктона отбирали на

ходим системный подход в изучении пелагиче­
ских сообществ.

2010 г.

2009 -

производили замыкающейся сетью Джеди

37/50
с площадью входного отверстия О, 1 м и разме­
ром ячеи сита фильтрующего конуса 180 мкм.
Ловы выполняли со скоростью 0,9-1 м/с. Объем
2

тях Атлантического сектора позволяет оценить

профильтрованной воды определяли по длине

влияние этих границ на смену таксономического

троса и площади

состава зоопланктона и изменения его суммарной

коэффициент фильтрации равным

биомассы.

материала

Оценка биомассы зоопланктона и ее простран­

входного

происходил

вне

отверстия,

принимая

100 %.

зависимости

от

Сбор
вре­

мени суток.

ственной неоднородности необходимы для пони­

На каждой станции, где проводили сетные

мания общих закономерностей влияния факторов

работы, осуществлялось три послойных лова. Вы­

среды на распределение зоопланктона. Съемка с

делялись следующие горизонты:

высоким пространственным разрешением на двух

•

ские границы Антарктического циркумполярного

верхний перемешанный слой (обычно около

50

меридиональных разрезах через все гидрологиче­

•

м, не более

100 м);

к югу от Полярного фронта облавливали хо­

течения (АЦТ) в западной и восточной частях Ат­

лодный промежуточный слой, а к северу от

лантического

ПФ

этих

границ

сектора позволила оценить влияние
на

смену

таксономического

состава

зоопланктона и на характер распределения биомас­

-

слой термоклина или зону переслоен­

ности;

•

слой от нижней границы предыдущего лова
до глубины

сы планктона в эпипелагиали.

В связи с тем что наиболее важные группы

300 м.

В дальнейшем данные три горизонта нами

зоопланктона в летний период находятся в актив­

будут условно называться

ном слое водного столба, и мигрирующие виды

300

уже поднялись из более глубоких в верхние слои
для размножения и

питания,

исследование

верх­

него активного слоя достаточно для первичной

оценки влияния различных факторов среды на
распределение зоопланктона.

0-50 м, 50-200 ми 200-

м соответственно.
В

случаях,

когда не удавалось однозначно

выделить три горизонта по гидрологическим па­

раметрам, облавливали четыре слоя.
Флуориметрия. Рост численности фитопланк­
тона и его фотосинтетической активности контро-


А. Л Верещака и др. Роль фронтальных зон в эволюции морских экосистем

445

-56

Пролив Дрейка

-57
-58

/

-59
2060
2061°
2072
2062° 2070
• 2083
2 73
~
• 2~84
• 2~69
2075 2~81 2086
2123
2 80
93
20&6
•2 79~ 2081' 2 ~
• ч22
• 2077
~
• 2092
2101
• 2~1s
• 2 ~9 s
• 2102 ч20 2119
2~89 2090
2096
• 2109
• 2118
•
• 2099
2108.
•
ч11
2098 •
• 2111
•
21,12 2 16

. ....
.·.·
...·...·..·..."....·. ·: ·.·
:·

2~64

70

1.

-64

1

чо&

Рис.

Южные Шетландские
острова

-<;З

-<;2

-61

-<;О

-59

-58 З.Д

Расположение планктонных станций в 25-м рейсе НИС «Академик Сергей Вавилов»

60

50

40

30

20

10

о

10

20

18

40

13

8

3

sst A2009335Z009З65[1J.LЗm_мo_ssт_ 4 : 1 Оес 2009 0:011:118 Рис.

2.

э Оес

2009 3:011:116

Схематическое изображение района экспедиционных работ в 30-м рейсе НИС «Академик Иоффе». Черными точ­
ками показано расположение станций на двух предполагаемых разрезах:
международной номенклатуре разрез

SR-2),

(1)- между Африкой и Антарктидой (по
- 20 миль, всего около 100 станций и
международной номенклатуре разрез SR-1),

расстояние между станциями

между Южной Америкой и Антарктидой (пролив Дрейка, по
расстояние между станциями - 10 миль, всего около 50 станций. Станции расположены настолько плотн16 что в
масштабе карты почти сливаются в сплошную линию. Цветной фон показывает поверхностную температуру (шка­
ла справа). Оба разреза позволяют пересечь все фронтальные зоны Южного океана и изучить происходящие там

(2) -

экосистемные процессы


Глава

446

IV.

События и факторы эволюции биосферы

30°
ю.ш.

Африка
СТФ

35°

j:(_. __________ _

-- - - .........

---:----

40°

САФ

45°

Разрез

~ф

50°

ские о-:~:за/

- - - -

/

,.. -

-

-

_,, _,,

/

ПФЗI

/

- -

i

L..

1

-----

!

,-_

1

55°

~_

SR-2;

\

-~

1

АЗI

-!-----

ЮГАЦТ

60°
65°
70°
70°3.Д. 60°
Рис.

3.

50°

40°

30°

00

10°

20°

10° в.д. 20°

Расположение разрезов в 31-м рейсе НИС «Академик Сергей Вавилов». На карте отмечено климатическое положе­
ние основных гидрологический фронтов: СТФ
Полярный фронт, ЮГ АЦТ

САЗ

-

-

-

Субтропический фронт, САФ

Субантарктический фронт, ПФ

-

-

Южная граница Антарктического циркумполярного течения; и гидрологических зон:

Субантарктическая зона, ПФЗ

-

Полярная фронтальная зона, АЗ- Антарктическая зона

лировался флуориметрически через день с помо­

Концентрация хлорофилла «а>> в исходной

щью импульсного флуориметра МЕГА-25. Флуори­

пробе (до начала эксперимента) была определена

метр позволяет измерять изменения концентрации

методом фильтрации

хлорофилла «а>> в воде (начальная

ная

(FrJ

(F0 )

и максималь­

флуоресценция) и эффективность преобра­

500

мл морской воды через

стекловолокнистые фильтры

Whatman GF/F,

экс­

тракции пигментов в

90 %

зования световой энергии в поток электронов,

часов в темноте при

°С и флуорометрии экстрак­

создаваемый фотосистемой П фотосинтетическо­

тов на том же флуорометре согласно стандартной

го аппарата растительных клеток (относительная

методике

переменная флуоресценция

временное измерение флуоресценции хлорофилла

FvfFm= (Fm - F0 )!Fm).

4

ацетоне в течение

(Holm-Hansen, Riemann, 1978).

24

Одно­

является показателем потенци­

«а» в исходной пробе (нативная флуоресценция)

ально возможной эффективности использования

позволило нам рассчитать переходный коэффици­

световой энергии, зависящей от работы электрон­

ент

но-транспортной цепи фотосинтетического аппа­

к величине флуоресценции пробы

рата клетки, далее обозначается как эффектив­

циенты

Отношение

Fv!Fm

отношение концентрации хлорофилла «а>>

-

использовались

для

Коэффи­

(F0 ).

оценки

изменений

ность фотосинтетического аппарата (ЭФА). В за­

биомассы фитопланктона в ходе эксперимента по

висимости от состояния фотосинтетического ап­

измеряемым величинам

парата

растительного

организма

относительная

переменная флуоресценция изменяется от О до

0,84

F0 •

Видовой и размерный состав, численность и

биомассу определяли в исходных пробах воды
теми же методами, что и в остальных пробах

(Schreiber, 2004).
Для определения флуоресцентных парамет­

фитопланктона.

В

конце

экспериментов

раз­

ров из каждого флакона пипет-дозатором отбира­

дельно обе повторности по каждому фактору

лась аликвота объемом

объемом не менее

3

мл и переносилась во

2/3

от начального (что позво­

флуорометрическую кювету. Измерения величин

ляет

F 0 , Fm, Fv!Fm на флуориметре МЕГА-25 проводи­
лись после 5 мин темновой адаптации. Чтобы из­

римента) концентрировали на фильтрах

бежать загрязнения флаконов биогенными эле­

малином для дальнейшего анализа видового и

ментами из других повторностей, использовали

размерного состава под световым микроскопом

чистые

в береговой лаборатории. Скорость роста в экс­

наконечники для пипет-дозатора,

ные для каждого биогенного элемента.

отдель­

сравнивать

данные

пробирки объемом

периментах

5

начала

и

конца

мл, фиксировали

рассчитывали

для

экспе­

1 мкм в
2 % фор­

каждого

проме-


А. Л. Верещака и др. Роль фронтальных зон в эволюции морских экосистем

447

Субантарктический фронт (ст.

жутка времени между измерениями. Для этого

2185),

использовали удельную скорость роста, опреде­

Полярный фронт (три струи Южного полярного

ляемую по формуле:

течения между станциями

µ
где

t -

продолжительность периода между изме­

рениями в сутках,

No

и

начальная и конеч­

Nt -

ная концентрации хлорофилла.
Отдельно собирались пробы нанобиоты для
обработки методами молекулярно-генетического
анализа. Результаты такого анализа дают принци­
пиально новые данные

(L6pez-Garcia at

а/.,

2007;

Lara et а/., 2009).

2.

2222-2231 ), Южный
2234-2235) и Южная граница АЦТ
(ст. 2238-2240). На разрезе SR-2 зоопланктонные
пробы отбирались на 58 станциях. В соответствии
фронт (ст.

(1/t) ln(Nt/No),

=

2201-2202),

с положением фронтов все станции были помеще­
ны в пять зон (рис.

4).

В Субтропической зоне, ог­

раниченной с севера течением Агульяс

(37° ю. ш.)
и с юга Субтропическим фронтом (39,5° ю. ш.),
работы проводились на 6 станциях, начиная с 2176
и заканчивая 2184. Верхний 300-метровый слой, в
котором отбирались пробы зоопланктона, харак­
теризовался высокими температурой

°С

Изменчивость абиотических

на поверхности) и соленостью

на

факторов

поверхности).
Верхний

Максимальной изменчивости экосистем мож­

перемешанный

(+12-14
(35,00--35,20 %о

слой

был

хорошо

выражен на всех станциях и облавливался отдель­

но ожидать там, где наиболее велики и разнооб­

но, его толщина колебалась от

разны воздействия на экосистему, среди которых

верхнего перемешанного слоя облавливалось еще

могут быть длительные смены абиотических фак­

два слоя, границей между которыми служил гори­

торов,

зонт,

а

также

появление

иных,

нехарактерных

для данной экосистемы видов. Такие высокогра­

где

менялся

наклон

солености (на глубинах

30

до

кривых

80 м.

Глубже

температуры

и

120--210 м).

диентные зоны показывают значительную измен­

При переходе через Субтропический фронт

чивость как абиотических, так и биотических па­

в Субантарктическую зону происходило резкое

раметров.

падение температуры (на поверхности с

Основным

элементом

циркуляции

Южного

севернее СТФ до

+ 1О

0

+ 12,8

°С

С южнее СТФ) и солено­

океана является Антарктическое циркумполярное

сти (на поверхности с

течение (АЦТ). АЦТ включает в себя несколько

34,6

фронтов,

ляется также мощной биогеографической грани­

характеризующихся

усилением

мери­

35,1

%о севернее СТФ до

%о южнее СТФ). Субтропический фронт яв­

диональных градиентов гидрофизических свойств

цей, разделяющей субтропическую и антаркти­

воды. В настоящее время в Южном океане обычно

ческую фауну.

выделяют три динамических фронта (струи АЦТ):
Субантарктический

фронт

(САФ),

Антарктиче­

В Субантарктической зоне, находящейся ме­
жду СТФ и Средней струей Субантарктического

ский полярный фронт (АПФ) и Южный фронт

фронта (срСАФ)

АЦТ (ЮФАЦТ). Каждый из фронтов протягивает­

лись на

ся непрерывно вокруг Антарктиды и отмечается

лавливался верхний перемешанный слой (от по­

от поверхности до дна. Фронты разграничивают

верхности до глубины

различные водные массы с характерными для ка­

же расположенных слоя, выделяемые

ждой гидрофизическими параметрами.

нии профилей температуры и солености. Внутри

Фронты АЦТ

характеризуются сильной из­

14

(48,5° ю. ш.), работы проводи­
2186 по 2201 ), а также об­

станциях (с

50-100

метров) и два глуб­

этой зоны происходит постепенное снижение тем­

менчивостью, проявляющейся в продольном рас­

пературы и солености. На ст.

2187 (40,3° ю. ш.)
10,7 °С, со­
более южной станции 2200
и 34,1 %0.

щеплении отдельных фронтов на струи, их меанд­

температура на поверхности составила

рировании, формировании вихрей, обратном слия­

лености

нии. В районах сужения АЦТ (в проливе Дрейка)

(44,1°

струи существенно сближаются и зачастую слива­

(SR-2)

34,6 %0, а
6,8

ю. ш.)-

на
°С

Антарктическая Полярная фронтальная зt>на
(ПФЗ) ограничена с севера срСАФ (ст.

ются, образуя «суперфронтьш.
Восточный разрез

на основа­

пересекает пять ос­

новных фронтов: Субтропический фронт (ст.

2184-

с юга

-

разрезе

2201),

а

Полярным фронтом, проходившим на

SR-2

через станции

2222-2230.

Полярная


Глава

448

IV.

События и факторы эволюции биосферы

30°
ю.ш.

32

о

34
36

о

21688
217()8
21728
21748

о

21768
21780

38°

стз

218()8

40°
42°

САЗ

2195е

44

о

46°
ПФЗ

22128

48°
50°
52°

54°
56

58
........~~~---.~~~--....-~~~....-~~~+00
10°
15°
20°

60°"-+-~~~~~~~

10

о з.д.

в.д.

Рис.

4.

Положение выделенных зон на восточном разрезе

(SR-2,

фронтальная зона отличалась в верхнем 300-мет­

31-й рейс НИС «Академик Сергей Вавилов»)

В проливе Дрейка самые северные станции

ровом слое от юга Субантарктической главным

захватили зону Субантарктики

образом более низкой температурой, а соленость

по

практически не менялась.

в аналогичной зоне на разрезе

2331 ).

(7

станций с

2325

Температура бьша несколько ниже, чем

гался холодный промежуточный слой зимней во­

SR-2 (на глубине
300 метров +4,7 °С на ст. 2331, на поверхности
+6,6 °С). Соленость практически не отличалась ОТ
таковой на SR-2. Остальные станции, на которых

ды (на глубинах

отбирались зоопланктонные пробы, были в Ан­

Южнее Полярного фронта в Антарктической
зоне под верхним перемешанным слоем распола­

80-200

метров), который облав­

ливался отдельно. Южнее Полярного фронта зоо­

тарктической зоне

планктонные пробы были отобраны на

Здесь, как и везде, отдельно облавливался верхний

(С

2265

ПО

9 станциях

лась в водах моря У эдделла.

37

станций (с

перемешанный слой (до глубины

2282).

Самая южная станция разреза

-

2240

находи­

2287

по

2324).

40-80 метров),
(40-200 метров) и подстилающая
его более теплая вода (до глубины 300 метров).
слой зимней воды


А. Л. Верещака и др. Роль фронтальных зон в эволюции морских экосистем

ю-ЮПТ

200

ср-ЮПТ

1
1
1
1

180
160
ЮФАЦТ

1
1

t:;

""

120

u

100

ro
u

1

1

ЮПФ

1

140
L::
::!!:

с-ЮПТ

1
1

1

1

449

САФ

1
юпз

со

::!!:
о

80

:s:

LD

60
40
20
о

-63 -62,5 -62 -61,5 -61 -60,5 -60 -59,5 -59 -58,5 -58 -57,5 -57 -56,5
Широта,
Рис.

3.

5.

S

Распределение общей биомассы нанофитопланктона на разрезе через пролив Дрейка в ноябре

Изменчивость фитопланктона

2010

г.

от общей численности и биомассы всего нанофи­
топланктона. На рис.

5

обозначены ядра струй

Фитопланктон лежит в основе трофических

ЮПТ (Южное Полярное Течение) в районе про­

цепей морских сообществ и обеспечивает энерге­

лива Дрейка, по гидрологическим данным рейса,

тическую основу их существования. На разрезе

и кривая изменения общей биомассы нанофито­

через пролив Дрейка были обнаружены следую­

планктона на разрезе. Здесь выделяются два мак­

щие группы нанофитопланктона: мелкие флагел­

симума

общей

биомассы

ляты, диатомеи, гетеротрофные флагелляты, и на

(ст.

и

При этом южный максимум об­

единственной

щей биомассы (ст.

станции

2243 бьmи обнаружены

криптомонады на горизонтах ниже

20

2252

2270).

2252)

нанофитопланктона

находится южнее ядра ю­

ЮПТ, а северный максимум (ст.

м.

Доминирующей группой на всем разрезе бы­
ли мелкие флагелляты, составлявшие более

2270)

находится к

северу от ядра с-ЮПТ (ЮПФ). Таким образом,

60 %

можно говорить, что весной в Южном полушарии

от общей численности и биомассы. Их числен­

максимумы биомассы нано и пикофитопланктона

ность достигала максимально

экз/л, а

образуются вне границ ЮПТ, а по мере прибли­

мкг/л. Диатомеи встречались на

жения к средней струе ЮПТ биомасса уменьша­

биомасса

-

157

1 890 010

большинстве станций, составляя от

1%

до

30 %

от численности и биомассы. Их численность мак­
симально достигала

13

162 735

мкг/л соответственно.

росли

составляли

экз/л, а биомасса

Гетеротрофные

небольшую

биомассы, не превышая

4%

долю

от

-

водо­
общей

от общей численно­

ется в

4-5

раз.

При сравнении общей биомассы нанофито­

плантона в

2010

ноябре

2010

г.

(весной) и январе

г. (летом), можно отметить похожее распо­

ложение максимумов на северной и южной гра­

ницах ЮПТ (рис.

6).

В январе

2010 г.

средние

сти и биомассы, а на большинстве станций не бы­

значения общей численности и биомассы нанофи­

ли обнаружены совсем. Изменение общей био­

топлантона составляли

массы нанофитопланктона на протяжении всего

ветственно (против

разреза фактически отображает изменение био­

2010

массы мелких флагеллят как резко доминирую­

ности и в

щей группы, составляющей в среднем более

ноябре

90 %

716 кл./л и 103 мкг/л соот­
816 кл./л и 67 мкг/л в ноябре
l

г.), что незначительно отличается по числен-

1,5 раза больше значений биомассы в
2010 г. Максимальные значения числен-


Глава

450

IV.

-5
'--

""::!;;

с-ЮПТ

ср-ЮПТ

ю-ЮПТ

200
180

События и факторы эволюции биосферы

1
1

1

1

ЮПФ

1
1

ЮФАЦТ

160

1

140

1
1

САФ

1
120

~ 100

()

ro

::!;;
о

80

:s:

LQ

60
40
20
о

-63 -62,5 -62 -61,5 -61 -60,5 -60 -59,5 -59 -58,5 -58 -57,5 -57 -56,5
Широта,
Рис.

6.

S

Распределение общей биомассы нанофитопланктона на разрезе через пролив Дрейка в январе

2010

г. (30-й рейс

НИС «Академик Иоффе»)

ности и биомассы нанофитопланктона состав­

Средняя биомасса под квадратным метром в

1 287 400 кл./л и 196 мкг/л и в но­
1 975 660 кл./л и 160,8 мкг/л соответст­

столбе воды 0-300 м на разрезе SR-2 составляет
20,8 мл/м 2 . Полученные данные показывают, что

венно. Таким образом, значения общей биомассы

величина биомассы зоопланктона в районе иссле­

нанофитопланктона в проливе Дрейка в январе в

дования колеблется в довольно широких преде­

среднем были на

лах, почти на два порядка -

ляли в январе
ябре

-

значения на

50 %

больше, а максимальные

20 % превышали

ноябрьские.

Наблюдаются значительные колебания внутри ка­

Распределение биомассы диатомового пико­
фитопланктона на разрезе в ноябре

2010 г.

2

от 1,3 до 80 мл/м .

харак­

теризовалось гомогенностью. И только на ст.

2260

образовался пик биомассы.
Все это позволяет сделать вывод о значитель­

ной роли ЮПТ в формировании фитоцена в про­
ливе Дрейка в зимне-весенний период, с форми­

ждой зоны, тем не менее можно проследить общие

закономерности.

Так,

наблюдается

повышение

суммарной биомассы с продвижением с севера на
юг почти в

3 раза: в Субтропической зоне средняя
2
биомасса составляет 17,5 мл/м , в Субантаркти­
ке - 25,8 мл/м 2 , в Полярной фронтальной зоне 26 мл/м 2 , в Антарктике-45,8 мл/м 2 .

рованием максимумов общей биомассы нано и

Интересно, что во фронтальных зонах про­

пикофитоплантона на границах ЮПТ, а значит и

исходит резкое снижение биомассы не только

максимумов доминирующей группы мелких фла­

фито-, но и зоопланктона (рис.

7).

При более детальном анализе характера рас­

геллят.

пределения суммарной биомассы на полигоне на­
блюдается очень высокая неоднородность этого по­

4.

Изменчивость зоопланктона

казателя внутри каждой зоны. В Субтропической
зоне биомасса колеблется от

На рис.

7

показаны характер распределения

суммарной биомассы зоопланктона в столбе воды

(мл/м2 ) от поверхности до глубины 300 м на разре­
зе SR-2 и изменение поверхностной температуры.

2

5,5 до 55 мл/м , в Суб2
антарктической зоне - от 3 до 75 мл/м , в Поляр­
2
ной фронтальной зоне - от 1,3 до 36 мл/м , в Ан­
2
тарктике - от 18 до 77 мл/м . Максимальный раз­
брос наблюдается в Субантарктике и Антарктике.


А. Л. Верещака и др. Роль фронтальных зон в эволюции морских экосистем

Т С
0

2

l1

20

451
мл/10 м 2
8

4

3

7

"

15

6
5

10

4
3
2

5

о
N

N

'<!'"

i6

"'
1

о

"'1

со

"'00 r-- "'ci "'ci "'
"' "' "' "' 'f 'f 'f

"'</"
N

N

"'</"

ф

,...:

1

1

L()

со

со

L()_

ф

1

1

"' ,...: "'00"' r-- "'"'
"'
'f 'f 'f 'f 'f 'f 'f 'f

::;

со

N'

C'i

"'</"

"'

о
L()

о

r-'<!'"

N

ci

ф

ф

ф

L()

1

r-r--_
~

1

L()

со
L()

N
N

L()

L()

'L()
<!'"

L()

1

1

1

1

"'~- "'
"'N' C'i"'
1

ф

Рис. 7. Распределение суммарной биомассы зоопланктона (мл/10 м 2 ), за вычетом желетелого, на разрезе SR-2 в поверх­
ностном слое 0-300 м.: 1 Субтропический фронт; 2 Субантарктический фронт; 3 Полярный фронт;
4 - Южная граница АЦТ
0

Т Сна10м

ю.ш.

4

-58-

3

-58,52

-59-

/

/

••

/

/ю~ПФ

-59,5

1

•

о

•

1

-г-1---г·J........ ··т·----- "-~----~-----~-------·-----г----~----------·~------·-.
-63,5

-63

-62,5

-62

-60,5

-61

-61,5

Гидрологические границы Антарктического полярного фронта (АПФ)

САПФ - воды к северу от Антарктического полярного фронта
ЮАПФ - воды к северу от Антарктического полярного фронта

•

8
8

•

3

-1

-59

-59,5

-60

1

Увеличение

суммарной биомассы
зоопланктона

от 1,5 до 65,7 мг/мз

Рис. 8. Распределение суммарной биомассы зоопланктона (мг/м , сырой вес) в проливе Дрейка в поверхностном слое
0-200 м в ранневесенний период и температура воды на глубине 1О м

Распределение зоопланктона в проливе Дрей­

вает очень высокую мезомасПiтабную изменчивость

ка повторяет в общих чертах распределение фи­

внутри каждой зоны. В районе САПФ биомасса

топланктона

роких пределах, почти на два порядка

колеблется от 15,2 до 65,7 мг/м , в зоне фронта 3
от 3,7 до 23,6 мг/м , в зоне ЮАПФ - от 1,2 до
3
51,3 мг/м .

биомасса зоопланктона ниже, чем в области к се­

удается

веру от АПФ, в среднем в

суммарной биомассы в направлении с севера на

(рис.

8)

Биомасса

зоопланктона

в

районе исследования колеблется в довольно ПIИ­

- от 1,3 до
65,7 мг/м 3 . При этом в зоне АПФ и к югу от АПФ
2-3

раза.

Более детальный анализ характера распреде­
ления суммарной биомассы на полигоне показы-

3

На

юг.

фоне

мезомасПiтабной

проследить

Был

изменчивости

закономерное

уменыvение

подсчитан коэффициент корреляции

между суммарной биомассой и всеми возмож-


Глава

452

'00%

IV.

События и факторы эволюции биосферы

1

Ю'/о

е

--

с

<(

(.)

D

00'/о

Calanoida
Cyclopoid
Chaetognatha
Euphausiida
Appendicularia
Ostracoda

е
с

<(

3)%

ными характеристиками. Максимальный коэф­

фициент корреляции
пературы

верхнего

(0,64)

был отмечен для тем­

перемешанного

слоя

и

сум­

Исследование вклада основных таксономиче­

ских групп в биомассу мезопланктонного сооб­
щества показало, что в рассмотренном районе ос­

марной биомассой зоопланктона. Внутри каждой

новную роль играют

из

этой группы в общую биомассу колеблется от

гидрологических

зон

не

удалось

проследить

Copepoda

(рис.

9).

зависимости биомассы от каких-либо факторов

до

среды.

планктоне являются щетинкочелюстные.

99 %.

Вклад

85

Второй по важности группой в мезо­


А. Л. Верещака и др. Роль фронтальных зон в эволюции морских экосистем

453

=111· --~''''!1
Ю'/о

,, ,

~~~~~~~:

00'/о

40'/о

АР/о

....
<1111

Рис. 9. Относительный вклад(%) основных таксономических групп зоопланктона в его суммарную биомассу в проливе
Дрейка в ранневесенний период в 3-х зонах: САПФ, АПФ и ЮАПФ

Подтверждается

общая

закономерность

-

2)

виды, роль которых в сообществах уменьша­

уменьшение биомассы каждой из rрупп с прохожде­

ется

нием АПФ и высокая изменчивость в каждой зоне.

Microcalanus pygmaeus, Опсаеа spp., Rhincalanus gigas, Calanoides acutus, Scolecithricella
minor;

Интересно, что при переходе через фронт в
направлении с севера на юг качественный состав
зоопланктона

не претерпевает существенных

из­

менений. Доминирующими по численности чле­

3)

по

мере

продвижения

с

па

Ctenocalanus citer.
Их суммарная численность составляет от 60 до 90 %

группа

от общей численности зоопланктона.

примерно по середине АПФ).

1 мм)

и

север:

во всем деятельном слое ведут себя как груп­

мелкие

(до

на

особняком стоят щетинкочелюстные, которые

нами сообщества во всех трех зонах являются

Oithona spp.

юга

1,

а в верхнем перемешанном слое

2

-

как

(где вообще полностью исчезают

южнее изотермы

+1, 7 °С,

которая проходит

Вклад субдоминантных видов в общую чис­
ленность в различных зонах довольно значительно
меняется,

на основании

чего

зоны

можно

досто­

5.

верно отделить друг от друга по количественному

составу зооrmанктона.

Существуют

распределение массовых

«ключевые»

видов

виды, изменяющие структуру сообществ. Измене­

ние их доли в общей биомассе приводит к стати­
стически значимому изменению индекса сходства/

различия сообществ на разных станциях. Это:

1)

виды, роль которых в сообществах увеличи­
вается по мере продвижения с юга на север:

Oithona frigida, Clausocalanus spp., Subeucalanus longicornis, Euphausia frigida, Euphausia
triacantha;

Факторы, определяющие

5. 1.

Эксперименты по влиянию
биогенных элементов на рост
водорослей

Эксперименты проводились на борту судна, их

продолжительность варьировала от

14 до 221tуток.

Начальное содержание водорослей в 1-3-м экспе­

риментах было сравнимым, в то время как в 4-м


Глава

454

События и факторы эволюции биосферы

IV.

о

u.

:I:

::О:: Control
:li: Мах lrrad.

:::r
~ 4

3=N

~ 5
:::r

·

ф

:::Е Min lrrad.

а.

=t= р

о

Q

.а.

::Е Si
::Е Fe

3

о::

ro

:I:
:I:

ф

:Е

2

ф

а.
ф

i:::

...__, 1
ro

с:;
с:;

:s:

%о
а.
о

~ -1

.......

.____..~~~

2
Рис.

10.

.......

~~--'~~~

4

6

~~--''--~~-'-~~--''--~~-'-~~~.__~~-'-~~~..._~

1О

8

12

Изменение содержания хлорофилла а в эксперименте

14
11

N,

Р,

Si, Fe -

18

20

22 Days

в зависимости от разных условий. Приведены средние

величины по 2-м повторностям. Условные обозначения: Coпtrol
и уменьшенная освещенность;

16
контроль; Мах

-

lrrad.

и Мiп

увеличенная

lrrad. -

варианты с добавками соответствующих биогенных элементов. Пря­

моугольником отмечена область экспоненциального роста.

оно было выше на порядок. Сильно отличались

ниже чем в контроле. В среднем оно бьшо ниже в

эксперименты и по конечной биомассе водорослей.

0,22-0,95

Если в 1-м эксперименте она выросла незначитель­

по ЭФА и у.цельной скорости роста. Почти во всех

но, в эксперименте

случаях эти отличия были достоверны. В то же

20 раз.

она увеличилась более чем в

3

раза. Такая же картина прослеживалась

Эффективность фотосинтеза ЭФА возраста­

время варианты с повышенной освещенностью

ла от 1-го эксперимента к 4-му. Сходные различия

никак достоверно не отличались от контрольных

наблюдались и по у.цельной скорости роста.

ни по одному из 3-х параметров.

Продолжительность периода лаг фазы роста

Во всех 4-х экспериментах добавки азота и

водорослей в экспериментах сильно варьировала

фосфора не влияли на рост водорослей. Средние

от 2-х дней в эксперименте

для участка экспоненциального роста величины

рименте П (рис.

1О).

I

до

1О дней

в экспе­

F0 ,

Для сравнения результатов в

ЭФА и у.цельной скорости роста не отличались дос­

разных экспериментах мы не принимали во вни­

товерно от контроля. Отметим, однако, что добавки

мание данные

как N, так и Р повьШiали ЭФА в экспериментах

роста,

полученные

на

стадии лаг

Добавка кремния сказалась на водорослях в

фазы и сравнивали эксперименты на стадии ак­
тивного роста. Стадию активного роста определя­

I и П.

эксперименте П. ЭФА и

µ

были достоверно выше,

ли как участок кривой роста водорослей в кон­

чем в контроле. Уровень количественного разви­

троле,

тия

на котором

удельная

скорость

роста пре­

вышала значение О, 1.

F0

был также выше в среднем на

24 %,

но из­

за разброса данных эти отличия оказались досто­

Влияние разных факторов на рост фитопланк­
тона прослеживалось по разным параметрам рос­

та и физиологического состояния водорослей.
Во всех экспериментах прослеживалась явная

верны только на

уровне значимости.

бавкой железа. В эксперименте П все

3

параметра

были достоверно выше, чем в контроле. В экспе­

лимитация роста водорослей при пониженной ос­

рименте

вещенности. Содержание хлорофилла

в этом

троле на

варианте во всех экспериментах было достоверно

фактора

(F0 )

7%

Сходная картина наблюдалась в варианте с до­

I ЭФА и µ также были выше, чем в кон­
15-20 %, что указывает на влияние этого
на рост водорослей. В экспериментах III


455

А. Л. Верещака и др. Роль фронтальных зон в эволюции морских экосистем

0,40

•

0,35
0,30

•

::J..

~

0,25

о

а.

0,20

..D
1-

u

о

0,15

а.

о

""

u

0,10

о;

ro
::i::

..D

0,05

i::;
Q)

~

0,00
-0,05

•

О, 1

00

o.t

0,4

0,3

06

0,5

-0,10
Активность фотосистемы, АЭТЦ
Рис.

11.

Зависимость удельной скорости роста водорослей от активности электронно-транспортной цепи фотосинтетиче­

ского аппарата, ЭФА во всех вариантах 4-х экспериментов

и

IV

влияние

Fe

на рост водорослей не просле­

что

в

целом

противоречит

распространенному

мнению о световой лимитации роста фитопланк­

живалось.

По результатам обобщения всех вариантов
экспериментов наблюдалась зависимость средней
удельной скорости роста от средней ЭФА (рис.

11 ).

тона в антарктических водах.

Отсутствие лимитации роста водорослей по

азоту

и

фосфору

соответствует

общемировым

Зависимость оказалась положительной, коэффи­

данным, как в целом и по кремнию. Наблюдаемая

циент корреляции бьш равен

лимитация роста по кремнию в эксперименте

0,55.

Полученный

результат является ожидаемым, т. к. высокая эф­

скорее

фективность электронно-транспортной цепи фо­

возможно,

тосинтеза предполагает активный фотосинтез и

районе <щветением» фитопланктона.

всего

отражает краткосрочную

связанную

с

уже

11

ситуацию,

прошедшим

в

этом

соответственно быстрый рост водорослей. Однако

Обобщение экспериментов показало, что ско­

в отличие от теории на практике такая четкая за­

рость роста водорослей сильно зависит от темпе­

висимость обнаруживается редко. В данном слу­

ратуры (рис.

чае можно

скорость роста падала в

предполагать, что

столь четкая связь

12).

В антарктической зоне удельная

2 раза

при снижении тем­

прослеживалась благодаря высокому содержанию

пературы с

основных биогенных элементов

о сильном влиянии этого фактора.

N

и Р, которые не

результаты

лимитации роста светом

в

свидетельствуют

антарктических

до

4

градусов, что свидетельствует

Очевидная лимитация роста водорослей на­

лимитировали рост водорослей.
Полученные

1О

о

водах

блюдалась в эксперименте

знакам в эксперименте

I.

11

и по некоторым при­

Эти эксперименты были

при нахождении водорослей на глубине. Так, во

проведены в наиболее удаленных от шельфовых

всех вариантах с пониженной освещенностью рост

вод районах (см. рис.

практически отсутствовал, и физиологическое со­

риментах

стояние водорослей было угнетенным. При столь

полярного течения в относительной близости от

низком уровне освещенности в 10 мкЕ сек- 1 м 2 ,

берега, железо не лимитировало рост водорослей.

соответствующем нижним слоям фотической зоны,

Это соответствует представлениям о том, что ос­

111

и

IV,

13).

В то же время, в экспе­

проведенных в зоне Южного

клетки фитопланктона деградировали. Неожиданно,

новным источником железа в Антарктике являет-

увеличенная освещенность до 150 мкЕ сек- 1 м 2 , по
1
сравнению с 60 мкЕ сек- м 2 в контроле, не вызы­

ся материковый материал.

вала увеличения скорости роста фитопланктона,

щие рост фитопланктона, действуют разнонаправ-

J

Таким образом, два фактора, ограничиваю­


Глава

456

~

и факторы эволюции биосферы

0,35 -г------------------------_j

о

ОЗt-------~с__-~---~~-~---____:

Q

..о
1-

IV. События

'

g
Q

0,25 -j------------~~=--------------'

~
u

0,2t------..~----=-~-------------_J

tx:

~ О, 15 t - - - - - , . . , . , , . _ " - - - 6 - - - - - - - - - - - - - - - _ j
..о

~

0,1t----"'"---------------------1

•

0,05-г--------------------~

0+-----,-------.------,-------т---~
о

10

5

15

Рис.

12.

20

0

Температура,

25

С

Зависимость средней удельной скорости роста водорослей от температуры

MAMOSST.001 Sea Aurface Temperature (11 micron day) [С] (Oct 2010)

Лимитация

Лимитация

45S

роста

роста

водорослей

водорослей

железом

температурой

(Fe)
55S
60S

65S
708

-:•;

1ss,..,..~-...~-..............~""..,...,,;;....,..~...,..~-.-~......~-.-~......~--~--~--~~
40W

35W

ЗОW

25W

Рис.

13.

20W

15W

10W

5W

О

5. 2.

лено. При движении на юг усиливается лимити­

на

первое

место

выходит

нехватка

рует, но наиболее вероятно в Атлантическом сек­

торе Антарктики располагается в районе

52-55°

южной широты и определяется гидрологическими

градиентами. В нашем случае граница между эти­

25Е

ЗОЕ

Влияние абиотических факторов

Температура. В мезомасштабе удалось выде­
лить более теплолюбивые виды, для некоторых
отмечена положительная корреляция их численно­

сти с температурой верхнего перемешанного слоя:

Calanus

simillimus,

младшие копеподиты

ми зонами пролегала в районе одной из струй

К

(ЮАТ) в районе

отнести

14).

20Е

ионов

тирующих рост водорослей безусловно меандри­

(рис.

15Е

на зоопланктон

железа. Граница смены этих факторов как лими­

53°

10Е

Факторы, лимитирующие рост водорослей

рующее влияние температуры, в обратном направ­
лении

5Е

относительно

Subeucalaanus longicornis,
Pareuchaeta spp., Ostracoda).

холодолюбивым

Microcalanus pygmaeus,

видам

можно

для него выявлена


А. Л. Верещака и др. Роль фронтальных зон в эволюции морских экосистем

1-

1-

<(

1-

<(

Q

(§

Q

2

457

2

(.)

о

"

"

3з

34

----

/'

32

31

"
<

'

1

\

1
1

"

'

1

'

"

1'--- _ _ _

1

1

/

"

1

1

54

56

....

-

1

1

1

44

42

S

Расположение струй течений и фронтов

-

'\

1

1

\

т

Место взятия воды для экспериментов

с-ЮПТ
/'

1

46

48

Широта,

31-4

1

1

50

52

/

Эксперименты, где не была выявлена лимитация

Fe

'
Рис.

14.

Взаимное расположение экспериментов и гидрологических структур (по гидрофизическим данным рейса)

отрицательная корреляция с температурой. Для

поздние

геологические

эпохи,

то увидим,

что

в

остальных видов не наблюдается статистически

эволюции

значимой зависимости от температуры воды.

разнообразие, замыкаются биогеохимические цик­

экосистем

увеличивается

их

видовое

Трофический фактор. Для крупных хищни­

лы, растет способность видов обеспечивать рав­

ков основным фактором их распределения явля­

номерное распределение ресурсов внутри систе­

ется численность их пищи. Так, для щетинкоче­

мы и препятствовать их выходу из нее. Так же

люстных наблюдается положительная корреляция

как в эволюции видов общее прогрессивное раз­

(r

0,89)

=

с численностью мелких копепод и нет

витие

сопровождается

усложнением

отдельных

форм, так и в эволюции экосистем возникают та­

зависимости от температуры.

кие экосистемы, которые регулируются К-отбором
и осуществляют более совершенное перераспре­

6.

Естественная изменчивость

деление ресурсов. Одним из свойств К-отбора

экосистем и становление

является замедление темпов эволюционного пре­

биологической структуры

образования. В насыщенной, хорошо сбаланси­
рованной экосистеме эволюция встречает мно­

океана

жество препятствий: экологические ниши плотно
Эволюцию жизни можно рассматривать как

заполнены, связи между группами сильны. Шан­

процесс создания, накопления и передачи инфор­

сы

мации в биологических системах. В этом случае

только конкурентоспособные виды, число кото­

можно выделить

проникнуть

извне

в

такую

систему

имеют

генетиче­

рых весьма ограниченно. Возможно, сбалансиро­

ский канал, экологический и этологический. Эко­

ванность экосистемы сильно тормозит эволюцию

логический канал связан с эволюцией экосистем.

организмов.

3

канала эволюции

-

Подобно тому, как индивидуальное развитие ор­

Обычно экосистема консервативна по отно­

ганизма (онтогенез) представляет собой краткое

шению к эволюционным изменениям,

повторение филогенеза, так и эволюция экоси­

постоянство ее внутренней среды в сочетакии с

стем

сукцессионном развитии.

морфогенетическими и морфофункциональными

Если мы сравним структуру экосистем в ранние и

ограничениями на эволюционный процесс стаби-

повторяется

в

их

поскольку


Глава

458

IV.

События и факторы эволюции биосферы

лизируют видовой состав экосистемы. В

свою

1.

Процессы изменчивости структуры и функ­

очередь постоянство видового состава способст­

ции экосистем происходят в Мировом океане

вует

неравномерно, наиболее сильна изменчивость

поддержанию

относительного

постоянства

внутренней среды экосистемы. Налицо обратная

в

связь, которая способствует поддержанию эколо­

Именно здесь происходят наиболее быстрые

гического гомеостаза и эволюционной стабильно­

и серьезные перестройки планктонных сооб­

сти.

При этом для экосистемы несущественны

таксономическая

принадлежность и происхожде­

высокоградиентных

фронтальных

зонах.

ществ и изменения биологической структуры.

2.

Перестройки

биологической

структуры

за­

ние каждого организма, важны те функции, кото­

хватывают все элементы сообществ и проис­

рые он в экосистеме выполняет.

ходят в ответ на резкие пространственно-вре­

Различные воздействия на экосистему, среди

мепнЬ1е изменения среды. Абсолютные значе­

которых могут быть длительные смены абиотиче­

ния (численность, биомасса) и относительные

ских факторов, а также появление иных, нехарак­

показатели (соотношения различных элемен­

терных для данной экосистемы видов приводят к

тов) могут меняться на два порядка величин

ее эволюционным изменениям. В результате таких
воздействий экосистемные отношения нарушают­

на расстоянии в несколько миль.

3.

Высокоградиентные фронтальные зоны пред­

ся, снимается ряд ограничений на эволюционные

ставляют

процессы,

где под влиянием быстро меняющихся в про­

идет

взаимная

«подгонкю>

компонент

нарушенного и быстро меняющегося сообщества

стоянно возникают и проходят «проверку на

Сильно нарушенные экосистемы перестают быть

прочность» новые экосистемы.

4.

ства; пройдя несколько эволюционных фаз, на ко­

вновь возникающие экосистемы разносятся в

ства самоорганизуются в относительно стабильные

относительно

для некоторого диапазона условий новые экоси­

по

обе

ные вытесняют и постепенно замещают уже

стем зависят как от внутренних, так и от внешних

му уменьшению потоков энергии и вещества, пе­

области

рестраива~тся/погибает, но наиболее успеш­

Существование и эволюция отдельных экоси­

ях экосистем является тенденция к относительно­

стабильные

стороны фронта. Большинство сообществ пе­

стемы.

общих тенденцией при эволюционных изменени­

В результате естественной циркуляции (ме­

андрам и вихрям Циркумполярного течения)

торых обычно возникают новые виды, эти сообще­

локальных и биосферных факторов. Одной из

«лаборатории»,

странстве и во времени факторов среды по­

по принципу разделения выполняемых функций.
таковыми и разбиваются на отдельные сообще­

собой природные

существующие сообщества.

5.

Необычайно быстрая изменчивость факторов

среды приводит к тому, что экосистемы фрон­
тальных зон должны к ним приспосабливать­

ся. ВременнЬ1е градиенты абиотических па­

реносимых в другие экосистемы, а также вещест­
раметров заведомо превосходят те, что харак­

ва,

захораниваемого

в

виде геологических

отло­

жений. Если нет специфических препятствий, то
процессы переноса вещества между компонента­

ми экосистемы оптимизируются в пределах этой

экосистемы, что напоминает известный процесс

дифференциации.

терны для изменений под действие климата и

импактных

событий.

Например,

изменение

температуры и солености на несколько граду­
сов и промилле может происходить в течение

недели, а не многих тысяч лет. Поэтому «ла­

боратории» фронтальных зон успешно функ­
ционировали на протяжении всей эволюции

Заключение
Анализ полученных в высокоградиентных

Земли, поставляя материал для отбора биоло­
гической структуры сообществ.
Сформулированные

положения

позволяют

экосистемах данных позволяет сформулировать

ответить на вопрос: где формируются морские

рабочие положения концепции, иллюстрирующей

экосистемы

механизм эволюции биологической структуры

Дальнейшая разработка концепции должна отве­

океана.

тить на вопрос: как это происходит.

с

новой

структурой

и

функцией.


А. Л Верещака и др. Роль фронтальных зон в эволюции морских экосистем

Литература
Верещака А. Л.
Мир.

(2003)

Биология моря. М.: Научный

(2000)

Глубоководная бентопелагиаль:

192 с.

Верещака А. Л.

жизнь у дна. М.: Научный Мир.
Верещака А. Л.

(2008).

240 с.

Нанобиота Мирового океана:

роль в современных экосистемах, возможности ре­

конструкции древних экосистем
исхождения

и

эволюции

//

Проблемы про­

/ Под. ред.
439--456.
Верещака А. Л., Малинников В. А. (2005) Основы эколо­
гии моря. М.: Изд-во МИИГАиК. 239 с.
Микаэлян А. С" Сивкович А. Е" Мошаров С. А. (2010)
Э. М. Галимова. М:

URSS.

биосферы

С.

Исследования фитопланктона в 30-м рейсе НИС
«Академик Иоффе» в

2009-2010

гг. Отчет по рейсу.

Архив Института Океанологии.

Boyd Р W., Jickells Т, Law С. S" Вlain S. et al. (2007)
Mesoscale Iron Enrichment Experiments 1993-2005:
Synthesis and Future Directions 2 february 2007.
v. 315 s. 611-617.
Holm-Hansen О" Riemann В. (1978) Chlorophyll а determination: improvements in methodology // Oikos.
1978. V. 30. Р. 438--447.
Ito Т, Parekh Р, Dиtkiewicz S. and Follows М J. (2005)
The Antarctic Ci1·cumpolar Productivity Belt // Geophys.
Res. Lett" 32, L13604; doi:l0.1029/2005GL023021.
Jacqиes G. (1983) Some ecophysiological aspects of the
antarctic phytoplankton. Polar Biol, 2, 27-33.
Lara Е" Moreira D" Vereshchaka А" Lopez-Garcia Р, 2009.
Pan-oceanic distribution of new highly diverse clades of
deep-sea diplonemids. Env. Microbiol., 11(1): 47-55.
Lopez-Garcia Р, Vereshchaka А" Moreira D. (2007) Eukaryotic diversity associated with carbonates and fluidseawater interface in Lost City hydrothermal field //
Env. Microbiol" 9(2): 546-554.

459

Martin J. Н., Gordon R. М, Fitzwater S. Е. (1990) Iron in
Antarctic waters // Nature, 345 (10 Мау 1990). Р. 156158; doi:l0.1038/345156a0.
Monod J. (1950) La technique de la culture continue:
theorie et applications // Ann Inst Pasteur. Lille, 79,
390--410.
Riley G. А. (1951) Oxygen, phosphate and nitrate in the Atlantic Ocean // Bull. Bingham Oceanog. Collection,
13: 1-126.
Schreiber И. (2004) Pulse amplitude (РАМ) fluorometry
and saturation pulse method // Chlorophyll fluorescence:
а signature of photosynthesis. Advances in photosynthesis and respiration series. Papageorgiou G" Govindjee G. (eds.). Кluwer Academic PuЬlishers. Dordrecht" 2004. Р. 270-319.
Smith W. О. J" Anderson R. F, Moore К" Codispotid L. А.
and Morrisone J. М (2000). The US Southem Ocean
Joint Global Ocean Flux Study: An introduction to
AESOPS, Deep Sea Res. Part П, 47(15), 3073-3093.
Sommer И. (1986) Nitrate- and silicate-competition among
antarctic phytoplankton. Маг Biol" 91, 345-351.
Тimmermans К. R" Gerringa L. J. А" Baar Hein J. W. de ,
Wagt Bas van der, Veldhиis М J. W., Jong J. Т М de,
Croot Р L. (2001) Growth rates of large and small
Southem Ocean diatoms in relation to availability of
iron in natural seawater // Limnol. Oceanogr" 46(2),
260-266.
Тimmermans К. R"
Wagt В. van der, , Veldhuis М J W.,
Maatman А., Baar Н. J. W. de (2005) Physiological responses of three species of marine pico-phytoplankton
to ammonium, phosphate, iron and light limitation //
Joumal ofSea Research 53, 109-120.
Watson G. W., Ginoиx Р, Schopf Р S., Casey N. W. (2003)
Phytoplankton and iron: validation of а global threedimensional ocean biogeochemical model // Deep-Sea
Research П 50 (2003) 3143-3169.


ПРИЧИНЫ ВЕЛИКОГО ВЫМИРАНИЯ НА ГРАНИЦЕ ПЕРМИ И ТРИАСА

МС. Бараш
Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН.

barashтs@yandex.ru

В конце перми, на рубеже палеозоя и мезозоя

(251,0 ± 0,4 млн лет назад) произошла крупнейшая вис­
96 % видов морских беспозвоночных и около 70 %

тории Земли массовая гибель организмов. Вымерло до

наземных позвоночных. Для объяснения массовой гибели предложено и обосновано много факторов: исчез­
новение экологических ниш в процессе соединения материковых плит в Пангею; колебания уровня моря;
аноксия; повышенное содержание СО 2 ; отравление
климатические изменения; импакт-события

-

H 2S;

вулканизм; выделение метана из газогидратов;

столкновения с крупными астероидами или комбинация мно­

гих из этих механизмов. Некоторые из этих факторов находятся в отношениях соподчиненности, друтие дей­
ствовали независимо. Почти все они развивались относительно медленно и не могли вызвать внезапной мас­
совой гибели организмов в глобальном масштабе. Она могла произойти при падения на Землю крупных асте­
роидов, кратеры которых обнаружены в последние годы. Предполагается, что импакт-события «добили» уже

ослабленную биоту. Одновременное изменение многих определяющих биоразнообразие факторов, в том
числе не связанных причинно-следственными отношениями, доказывает существование общей космической
первопричины, повлиявшей как на изменения во внутренних и внешних геосферах, так и на активизацию ас­
тероидных атак (пересечение Солнцем спиральных ветвей Галактики, его колебания перпендикулярно галак­
тической плоскости или др.).

асовой границы (РТВ

Введение

ary)
На рубеже палеозоя и мезозоя на Земле про­
изошли

гибель

изменения,

организмов,

которые

вызвали

в

Permian-Triassic Bound-

палео-атоллов, а осадки глубоководных облас­
тей

-

кремнистыми отложениями. Отложения

фанерозое.

окраинных и шельфовых морей встречены во

Вымерло до

многих районах современных материков. Иссле­

и около

96 % видов морских беспозвоночных
70 % наземных позвоночных. Число ви­

дования этих отложений дают возможность ре­

дов морских животных сократилось с ~250 тыс.

конструировать процессы, приведшие к биоти­

до менее

ческой катастрофе.

1О

крупнейшую

массовую

-

представлены мелководными карбонатами

тыс. Каковы были условия среды, и

какие причины привели к этой катастрофе?

Интеграция

В середине перми все континенты соедини­

материков

сократила площади

шельфов, наиболее продуктивных областей океа­

лись, образовав суперконтинент Пангею, окружен­

на. Кроме того, при соединении ранее изолиро­

ный суперокеаном Панталасса (рис.

хотя от­

ванных шельфовых областей сообщества орга­

дельные блоки нынешней Азии присоединились

низмов подверглись внедрению чуждых для них

к

элементов. Интеграция Пангеи изменила цирку­

Пангее

в

самом

конце

перми.

1),
Дно

пермо­

триасового суперокеана Панталасса, которое за­

ляцию

нимало

было

муссоны у побережий и аридный климат во внут­

почти полностью поглощено в результате суб­

ренних областях суперконтинента. В это время

дукции. Фрагменты срединно-океанических по­

имела место первая фаза массового исчезновения

две трети

земной

поверхности,

океана

и

атмосферы,

род сохранились в виде аккреционных блоков у

морских

активных континентальных окраин. Отложения

вторая, главная фаза

срединных областей океана интервала пермо-три-

конца перми.

и

наземных

создав

организмов,

-

сезонные

меньшая,

в:ем

«Великое вымирание»


Глава

462

IV.

События и факторы эволюции биосферы

1
1

t'

'

/

/

1

1
1
',

,., }4"'.,.

\.-'
'
'

/
/

'

/

\ ,, / ,.,'4..'1]"'
. ",
, саА .
1'
'

....;
',
'"

Рис.

1.

1.

1...., '

1.... ....

'

....

1

Глобальная палеогеография на рубеже перми и триаса (по

Изменения морских экосистем

/

'"'/-

--

Scotese et а/" 1979,

с изменениями)

Как вымирание биоты, так и глобальные из­
менения условий среды происходили в течение

и вымирание организмов

двух фаз: первая
Катастрофа изменила структуру экосистем.
Перед катастрофой

67 %

морских организмов ве­

ли «сидячий» образ жизни (бентос), после нее

-

перми (Р2/Рз,

- на границе средней и поздней
260 млн лет назад) и вторая - на

пермо-триасовой границе (РТВ,

251-252

млн лет

назад). Характерной чертой первой фазы являют­

Прикрепленные к субстрату животные, та­

ся преимущественная гибель бентосных организ­

кие как брахиоподы и морские лилии, фильтрова­

мов (ругозных кораллов, фузулинид, брахиопод,

ли воду и питались находящимися в ней взвешен­

мшанок и др.) Во время второй фазы (РТВ) био­

ными частицами. После катастрофы увеличилось

разнообразие сократилось в основном за счет нек­

количество

тона и планктона (рис.

50 %.

подвижных

организмов,

активно

до­

2).

На обоих уровнях пермо­

триасового вымирания соотношения биомаркеров

бываюших пищу (моллюски, ежи, крабы).
Двустворчатые моллюски были довольно ред­
ки в палеозое, а после РТВ стали разнообразны и

показывают значения, обычно ассоциирующиеся
с условиями аноксии

(Xie et а!., 2007).

Условия

многочисленны, рудисты стали главными рифо­

аноксии сначала (Р 2 /Р 3 ) развились в глубоких во­

образующими организмами в мезозое.

дах, а затем (РТВ) распространились на шельфы,

Во время катастрофических событий интер­
вала пермо-триасовой

границы

полностью

мерли архаичные палеозойские рыбы

вы­

(Acantho-

увлекая хемоклин к поверхности океана. Мало­

или бескислородные условия охватили почти всю
толщу вод океана (супераноксия).

В поздней перми развивались крупные рифо­

dians, Placoderms), а также трилобиты, «морские
скорпионы» (Eurypterida), граптолиты, из донных
фораминифер фузулиниды. Другие пережили

вые постройки. Позже РТВ развитие рифов пре­

катастрофу с резким уменьшением биоразнообразия.

ности рифов в интервале РТВ соответствуют мо­

Вымерло

фораминифер

(Foraminifera), 99 %
радиолярий (Radiolaria), 79 % мшанок (Bryozoa),
96 % плеченогих моллюсков (Brachiopoda), том
числе

97 %

полностью

исчезли

леозоя продуктиды

59 %

характерные

(Productids).

для

па­

Вымерло также

двустворчатых моллюсков

(Bivalvia), 98 %
( Gastropoda ), 97 % аммонитов (Ammonites), 98 % игло­
кожих (Echinodermata), 59 % остракод (Ostracoda) (Hallam, Wignall, 1997; МсКiппеу, 1987;
Racki, 1999; Erwin, 1993).
брюхоногих моллюсков

-

гастропод

кратилось на

7-8

млн лет. Экологические особен­

дели сокращения атмосферного кислорода

ki, 2009).

(lsosa-

Массовая гибель радиолярий объясняет­

ся глобальным коллапсом биопродуктивности, ко­
торый подтверждается и по другим организмам

( фораминиферам,

кораллам, брахиоподам).

Мелководные таксоны остракод претерпели в
конце перми сильные изменения, в то время как

глубоководные

космополитные остракоды,

спо­

собные жить в малокислородной среде, не по­

страдали. Массовое вымирание конца перми бьmо
тяжелейшим в истории брахиопод: вымерло

90 %


М С. Бараш. Причины великого вымирания на границе перми и триаса

500

400

300

Число родов

200

100

100

200

300

400

463

500

.а

:::Е
Q.

i

ф

i

с:

Подвижные Прикрепленные
Рис.

2.

Сокращение биораэнообраэия в конце nерми

семейств и

начале триаса

(no Knoll et а/., 1996; Jsosaki, 2009,

с изменениями)

Кризис луч­

лее интенсивным и внезапным (в интервале менее

ше пережили долгоживущие группы, населявшие

малокислородные зоны. Среди гастропод лучше

500 лет) оно было 251,4 млн лет назад. Событие
13
совпадает с резким падением 8 Скарб и возраста­

пережили кризис формы широкого географиче­

нием

ского распространения. Раньше границы перми и

ских микросферул в ~ 100 раз по сравнению с вы­

триаса гастроподы были разнообразными, но ма­

ше- и нижележащими осадками. В области РТВ

лочисленными, а в раннем триасе они стали менее

наблюдаются прослойки пирита (свидетельство

разнообразными, но многочисленными. Предпо­

аноксии) и вулканического пепла.

лагается,

повышенное содержание

95 %

что

родов

-

(EtWin, 1993).

аммоноидеи

и

наутилоидеи,

как

и

другие хищники (рыбы, конодонты), относитель­

количества

предположительно

Ir,

Обнаружено

на порядок превы­

шающее фоновую концентрацию в верхнеперм­
ских и нижнетриасовых осадках (Хи,

но мало пострадали во время кризиса.

вулканиче­

Zheng, 1993).

Мелководные бентосные фораминиферы фу­

Наконец, у РТВ произошла быстрая трансгрессия.

зулиниды населяли эвфотическую зону низкоши­

В этом разрезе, как в ряде других, отмечается

ротных регионов океана. В конце перми они так­

обилие спор грибов, что является индикатором

же

мощного нарушения в наземных экосистемах.

подверглись

двухступенчатому

вымиранию.

Сначала, на GLB, исчезли семейства Schwagerinidae и Verbeekinidae, оставшиеся семейства Ozawainellidae, Schubertidae и Staffellidae вымерли на
РТВ (Stanley, Yang, 1994). Деградация фузулинид,
как

и

одновременное

сходное

развитие

2.

Причины массовой гибели
организмов

двуство­

рок и ругозных кораллов, могло быть вызвано

Массовая гибель организмов в конце перми

вымиранием симбиотических водорослей, кото­

отражает очень сильные и разнообразные измене­

рое, в свою очередь,

ния условий среды. Для ее объяснения предложе­

вероятно, определялось со­

но

кращением инсоляции.

много

гипотез:

исчезновение

экологических

Динамика вымирания организмов у пермо­

ниш в процессе соединения материковых плит в

триасовой границы наиболее детально изучена в

Пангею; гиперсоленость; аноксия; повышенное со­

разрезах провинции Мейшан

держание СО2; отравление

Китае

(Jin et al" 2000)

(рис.

(Meishan),
3).

в Южном

H 2S;

падение уровня

моря до минимального значения в фанеfюзое;

Вымирание происходило в течение 3-х млн лет

трансгрессии; вулканизм; потепление и кислые

как раньше, так и позже границы. Однако наибо-

дожди в результате вулканизма; потепление вслед-


Глава

464

с;

=

i

IV.

События и факторы эволюции биосферы

&13С,О/оо

(РDВ)
-2-1012:345
1...1.Ш-U-J

u

О1
s: 250
~

251

..а

...

:11

"

i:::

Виды
13

Рис. 3. Стратиграфическое распределение видов в разрезах Мейшана и колебания о С (по Jin et а/., 2000, упрощено)
ствие вьщеления метана из газогидратов; кратко­

товые

временные

импакт-собы­

смешением гидротермальных вод срединных хреб­

эпизоды похолодания;

моря»).

Это

соотношение

определяется

столкновения с крупными астероидами или

тов и речных вод, и фиксируется в геологической

комбинация многих из этих механизмов. Смеще­

летописи (жидкие включения в первичном мор­

ние фаций в результате любых изменений (тем­

ском галите, содержание

пературы, уровня моря и пр.) оказывало вредное

ских ежах и моллюсках и первичная минералогия

влияние, особенно в окраинных и мелководных

отложений абиотических карбонатов и морских

тия

-

Mg

в ископаемых мор­

областях. Все эти факторы, сократившие биораз­

эвапоритов). Соотношение

нообразие, обосновываются палеонтологически­

колеблется обратно пропорционально глобальной

ми, геологическими, геохимическими, изотопными

скорости роста океанской коры

и др. данными. Очень важно отметить, что неко­

Конец палеозоя

торые из этих факторов находятся в отношениях

преимущественно

-

начало

морской воды

Mg/Ca

(Ries J
мезозоя -

арагонитового

В"

2010).

интервал

осадконакопле­

соподчиненности, но другие действовали незави­

ния. Следовательно, скорость глобального риф­

симо, причем в достаточно ограниченном интер­

тинга была минимальной, что отражает опреде­

вале времени.

ленное своеобразие условий.
Срединно-океанические кремнистые отложе­

ния в Японии и Британской Колумбии (Канада)

3.

Химические и изотопные

отражают

индикаторы условий среды

соотношение изотопов серы, геохимия органиче­

условия

супераноксии

(пиритизация,

ского вещества, редкие элементы, доломитовые

Исследование
ских

компонентов

возможность

распределения

ряда

и

изотопов

соотношения

химиче­
дает

более конкретно охарактеризовать

условия среды и процессы их изменений.

В фанерозое соотношение
воде колебалось в интервале

конкреции). Аноксия длилась около
поздней перми до среднего триаса
До

50

Mg/Ca в морской
1,0-5,2, что было

этого интервала

и

после

20 млн лет с
(1sozaki, 2009).

него

в течение

млн лет у глубоководного дна океана господ­

ствовали насыщенные кислородом воды. Концен­
трация кислорода в атмосфере

в

конце перми

обусловлено либо преимущественным накопле­

также резко сократилась. Если на рубеже карбо­

нием арагонита и высокомагнезиального кальцита

на

(mМg/Ca

35 %, то в конце этого периода упала до 15 %
(Toran L., 2010). Таких резких колебаний не фик-

> 2;

«арагонитовые моря»), либо низко­

магнезиального кальцита (mМg/Ca

< 2;

«кальци-

и

перми

она достигла максимального уровня


465

М С Бараш. Причины великого вымирания на границе перми и триаса

02(%...)_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __
35

30

25
20

15
10
5

Рис.

4.

Содержание кислорода в атмосфере в течение

временное значение; РТВ

-

1 млрд

лет (по Тогап,

2010,

с изменениями): штриховая линия

-

со­

пермо-триасовая граница

сируется в течение всего фанерозоя (рис.

4).

Основ­

стве на

2-4 %о

в морских, в том числе срединно­

ной эпизод глобального потепления в конце перми,

океанических, и в наземных отложениях в Юж­

как полагают А. Хэллем и П. Виньолл

ном Китае, Японии, Британской Колумбии, Гре­

Wignall, 1997),

(Hallam,

был вызван сильным увеличением

ции,

Армении

260-250 млн лет назад вырос от 1500 до
3000 рСО 2 (µL · L- 1) (Saunders, Reichoi1, 2009).

(Jin et al., 2000; Jsozaki, 2009;
1sozaki et а!., 2009 и др.). Перед этим отрицатель­
13
ным сдвигом о С отмечен необычно высокий по­
ложительный сдвиг на 5-7 %0. Интервал положи­
тельных отклонений длительностью 3--4 млн лет
получил название события Камура (Kamura event).

содержания СО 2 в атмосфере вследствие мощного
вулканизма. Уровень атмосферной СО 2 , выражен­

ный в миллионных долях по объему (µL · L-

1
),

в

интервале

В сочетании с сокращением концентрации в

Оно, возможно, представляет интервал высокой

воде кислорода это создало условия для образова­

биопродуктивности, вызванной активизацией вер­

ния аноксии. Большинство ученых рассматривает

тикальной циркуляции. Для объяснения быстрого

аноксию как прямую причину гибели организмов,

падения о С на РТВ предлагаются следующие

однако другие считают, что более опасной была

процессы:

гиперкапния

(Knoll et al., 1996).

элементов в эвфотическую зону и падение био­

В условиях аноксии конца перми сульфатредуци­

продуктивности, влияние вулканизма, выветрива­

рующие бактерии

ния, вьщеления газогидратов и окисления биомассы

-

отравление СО 2

Chloroblaceae

могли стать до­

13

сокращение

поступления

биогенных

сероводород, который был губителен для назем­

(Hallam, Wignal, 1997).
Отрицательный сдвиг о 13 С в разрезах РТВ

ных и морских животных, и ослаблял озоновый

южного Китая мог быть вызван излияниями Си­

слой атмосферы. В результате организмы подвер­

бирских траппов, изменением соотношения по­

минантами в океанических экосистемах, выделяя

гались возросшему вредному ультрафиолетовому

ступления

облучению (Китр

морского

et al., 2005).

Кроме того, суль­

органического

происхождения

углерода

или

наземного

сменой

и

домини­

фидное отравление само по себе могло быть одной

рующих сообществ морских организмов в связи с

из причин вымирания

изменениями условий среды. Так, для условий

(Grice et а!., 2005).

На рубеже перми и триаса резко изменилось

шельфа предполагается переход от цианобактерий

соотношение некоторых изотопов. Наблюдающееся

к

в интервале РТВ резкое понижение 8 0 было вы­
звано потеплением (Hallam, Wignal,1997). В ин­

связи с поднятием эвксинской воды в фотическую
зону. В условиях аноксии конца перми сульфатре­

тервалах обеих фаз вымирания (Р 2 /Р 3 и РТВ) от­

дуцирующие бактерии

18

13

фототрофным

сероокисляющим

бактериям в

Chloroblaceae

могли стать

мечены отрицательные отклонения значений о С.

доминантами в океанических экосистемах,А выде­

На Р2/Рз

был обнаружен отрицательный сдвиг

ляя сероводород, который был губителен для на­

значений 8 С в карбонатах и органическом веще-

земных и морских животных и ослаблял озоно-

13


Глава

466

IV.

События и факторы эволюции биосферы

организмы

ских организмов. Однако исследования многочис­

подвергались возросшему вредному ультрафиоле­

ленных разрезов в интервале РТВ, наряду с усо­

товому облучению (Китр

вершенствованием биостратиграфии по конодон­

вый слой

атмосферы.

В

результате

et а/., 2005).

Диагенетические процессы приводили к из­

менению изотопных соотношений

там,

внесли

сомнения

относительно

важности

(Riccardi et а/.,

трансгрессионно-регрессионного механизма. Хотя

На обоих уровнях пермо-триасового

конец перми обычно считается интервалом низко­

вымирания соотношения биомаркеров показыва­

го стояния уровня моря, новые данные показали,

ют значения, обычно ассоциирующиеся с усло­

что массовая гибель происходила во время фаз

2006, 2007).

виями аноксии

Условия аноксии

быстрого подъема и распространения малокисло­

сначала (Р 2 /Р 3 ) развились в глубоких водах, а за­

родных или бескислородных глубинных вод на

тем (РТВ) распространились на шельфы, увлекая

мелководьях

хемоклин к поверхности океана.

прежде всего шельфовые сообщества.

Д. Эрвин

(Xie et а/., 2007).

(Erwin, 1993)

полагает, что единст­

(Hallam, Wignall, 1999).

Д. Киддер и Т. Уорсли (Кidder,

Пострадали

Worsley, 2004)

венным процессом, который количественно может

описывают изменения климатической системы в

соответствовать суммарному глобальному паде-

конце перми

нию соотношения

в

С/

12

С на ~ 1О

-

начале триаса и связанные с этим

является вы-

процессы. В перми герцинский орогенез постепен­

деление метана из газогидрата океанских осадков.

но прекратился, что ослабило химическое вывет­

%0,

Это происходит при быстром повышении темпе­

ривание силикатов. Соответственно уменьшилось

ратуры или падении давления. Такой процесс, на­

поступление в биосферу биогенных компонентов,

пример, мог иметь место при излиянии лав Си­

которое еще более упало в связи с возрастанием СО 2

бирской трапповой формации на дно соседних

и потеплением. Таяние полярных льдов сократило

арктических морей.
87
86

погружение холодных морских вод, обогащенных

ского минимума объясняется изменением характе­

мальный градиент полюс-экватор, ослабели ап­

ра выветривания при аридизации суши

Падение

Sr/ Sr в конце перми до фанерозой­

02

и биогенными элементами. Уменьшился тер­

(Isozaki,

веллинги, еще более сократились продуктивность

Аридизация была вызвана возникновением

и осаждение карбонатов. По мере потепления за­

гигантского суперматерика Пангеи, потеплением

сушливые условия охватили средние широты, вы­

и образованием системы атмосферной циркуля­

зывая широтную экспансию среднеширотных ат­

ции, при которой поступление влаги в централь­

мосферных циркуляционных ячеек Ферреля (Feпel

ные области материка было минимальным.

cells)

2009).

при уменьшении полярных ячеек. Возросшее

прибрежное

испарение

привело

к

приповерхностных теплых, бедных

4.

погружению

02

и биоген­

Колебания климата

ными элементами вод и образованию придонных

и уровня моря

вод со слабой циркуляцией. Они переносили тепло
в высокие широты и поднимались в зонах апвел­

В течение перми уровень моря опустился на

~230 м, а с середины карбона

et а/., 1984),

на ~280 м

лингов. При прекращении погружения приполяр­

(Hallam

ных вод океан быстро заполнился теплой малоки­

что связывается с интеграцией Пан­

слородной водой. Трансгрессии принесли условия

геи. Это произошло около

-

млн лет назад

(Haq,

аноксии в шельфовые области. Аноксия или ги­

Одновременно, вероятно, имело

поксия бьmи причиной массовых вымираний, что

место кратковременное похолодание, которое бы­

доказано для конца перми исследованиями фаций,

ло определено

геохимии и биомаркеров

Schutter, 2008).

260

по позднегваделупским известня­

кам из низкоширотных районов океана Панталас­

Twitchett, 2002).

са

кратковременные

(Isozaki et а/., 2007)

и по ледниковым тиллитам

(Grice et а/., 2005; Wignall,

Для конца перми известны также
эпизоды

похолодания,

которые

в высоких широтах. В области Тетиса за ним по­

вызывали смещение фаций и оказывали вредное

следовала трансгрессия.

влияние на шельфовые экосистемы.

В

конце перми (РТВ)

снова произошла регрессия. Долгое время быст­

Комплексное моделирование климатических

рые изменения уровня моря рассматривались как

условий для конца перми

одна из первопричин массового вымирания мор-

температуры поверхности

(Kiehl, 2005) показало
океана (SST - Sea Sur-


467

М С. Бараш. Причины великого вымирания на границе перми и триаса

0

SST ( С)
90-+-.._..,.._...................................~

s

ос

т

с.ш.

60
30
о

30
60
90-1-1"'"'1"'.....-.-.........,..,...,..."""'~

ю.w.

О

Рис.

30в.д.60

90

120

150

180 150

120

90

60

30 з.д.

2

О

4

6

8 10 12

5. Среднегодовые температуры поверхности океана (SST) в конце перми (моделирование) и отличие зональных сред­
них SST конца перми от современных модельных значений (по Кieh/, Shields, 2005, с изменениями)

face Temperarures)

в тропической зоне, сходные с

современными, но в высоких широтах на
выше (рис.

0

С

Увеличивалась также соленость. Для

5).

внутренних

8-1 О

областей

суперконтинента

Пангеи

в бассейнах Волги и Двины присутствуют доказа­

тельства климатических флюктуаций

Karasev, 2009).

(Krassilov,

Здесь возросла роль хвойных рас­

тений, уменьшились размеры листьев у листвен­

моделирование температуры времени РТВ пока­

ных, изменился индекс устьев

(stomatal index).

зало очень высокие среднегодовые значения, бо­

ристические

крупных

лее

обнаружены и в других районах.

40

°С (Кiehl,

Shields, 2005).

свидетельства

Фло­

изменений

Наземные животные подверглись массовому

вымиранию. На РТВ вымерли две трети семейств

5.

Изменения в наземных

наземных амфибий

экосистемах

psida)

(Amphibla),

завропсид

(пресмыкающихся) и терапсид

(Sauro(Therapsida)

(рептилий, похожих на млекопитающих). Наиболь­
Пертурбации условий среды вызвали корен­

шие

потери

понесли

ные изменения и наземных экосистем. Для назем­

смыкающиеся

ных позвоночных сочетание

постигла насекомых

падения

концентра­

ции в атмосфере кислорода и потепления должно

Всего

было сократить разнообразие экологических ниш

се

и

лии

ограничить

их

вертикальное

распространение

низменными областями. Животные должны были
приспособиться к недостатку кислорода (Ниеу,

Ward, 2005).
был

Баланс озона в стратосфере должен

нарушиться

вследствие

гидротермальных галогенов

активной

при

эмиссии

извержении

си­

крупные

травоядные

пре­

(Maxwell, 1992). Массовая гибель
(Labandeira, Sepkoski, 1993).
вымерло 88 % позвоночных, в раннем триа­

появились

менее

листозавры

-

специализированные репти­

(Retallack et а!., 2003).

Здесь же на РТВ обнаружен упомянутый выше

1-метровый слой с обилием спор грибов

event),

который

прослеживается

в

(fungal

наземных

и

морских разрезах. Продолжительность его накоп­

ления не превышает

40 тыс.

лет

(Steiner et а!.,

Этот же слой, содержащий почти исключи­

бирских траппов. Вымирала лесная растительность.

2004).

Увеличение ультрафиолетовой радиации должно

тельно остатки грибов и переработанные частицы

было вызвать усиление мутации наземных расте­

древесины, обнаружен в скважинах в южном Из­

ний. Леса гипноспермовых растений, покрывавшие

раиле. Микроскопические грибки

обширные зоны, сменились травянистыми ликоп­

nites

сидами

(Visscher et а!., 2004).

шения в них изотопов углерода и азота аналогичны

(Karoo)

в Южной Африке в интервале РТВ имела

В бассейне Кару

Reduviasporo-

распространились по всей Пангее. Соотно­

содержащимся в остатках древесины.

Следова­

место перестройка состава палеопочв, показавшая

тельно, эти грибки питались погибшими расте­

сдвиг от аридного и высоко сезонного палеокли­

ниями

мата к более влажному и менее сезонному. В по­

растительные остатки,

граничных пермо-триасовых наземных отложениях

тельствуют о падении уровня моря, эрозии почв

(Sephton et а!., 2009).

Глауконит И1 пирит,

изотопные данные

свиде­


Глава

468

IV. События и факторы эволюции биосферы

и развитии бескислородных условий даже на мел­

матизм. Кислый вулканизм в нескольких крупных

ководье, подтверждают крупномасштабное выде­

провинциях изверженных пород в восточной Пан­

ление метаногидратов

В уг­

гее тоже внес вклад в вулканическое подавление

леносном бассейне Боуэн в восточной Австралии

(Sandler et а!., 2006).

пермской биосферы. Прослежено временное сов­

палеофлористические

что

падение между излияниями базальтов в Южном

после интервала холодного климата поздней пер­

Китае и первой фазой вымирания биоты в конце

ми, продолжавшегося

перми, а также крупнейшими извержениями си­

данные

показывают,

9 млн лет,

наступил коллапс

экосистемы болот (погибло ~95

%

растений), что

объясняется кратковременными коренными изме­
нениями в атмосфере

бирских траппов и второй, главной фазой выми­

рания (рис.

6).

В Чаотяне

(Michaelsen, 2002).

(Chaotian), Китай (Isozaki et а!., 2004)

Перечисленные выше изменения условий сре­

выделено два значительных горизонта массового

ды бьши вызваны общими первопричинами более

исчезновения: один на границе Р 2 /Р 3 и другой на

высокого порядка, к которым относят вулканизм и

РТВ. На каждой из границ резко уменьшается

(импакт-события).

биоразнообразие, а затем появляется новая фауна.

Наиболее популярной гипотезой о причине позд­

В горизонтах исчезновения присутствуют слои

непермского вымирания является инициирование

кислых риодацитовых туфов. Таким образом, позд­

его крупномасштабным вулканизмом, прежде все­

непермская биосфера дважды подверглась воздей­

го ввиду совпадения интервалов этих явлений.

ствию мощного эксплозивного вулканизма.

удары

крупных

астероидов

Оба

Имел место как базальтовый магматизм срединно­

слоя туфов прослежены на этих же стратиграфи­

океанических хребтов, так и внутриплитный маг-

ческих уровнях в Южном Китае и Японии, под­

тверждая крупномасштабную связь эксплозивно­
го вулканизма и массовых вымираний.
Вулканизм у пермо-триасовой границы, кис­

Влияние вулканизма

6.

лый и средний, бьш широко развит вдоль западного
края Панталассы, в южном Приморье

(Vrzhosek,
1997), Южном Китае (Yin et а!., 1992) и Гондване
(Veevers, Tewari, 1995). Он мог быть связан с кон­

60

вергенцией плит или рифтингом. Последовавшая
субдукция скрыла источники извержений. Однако
лишь в Южном Китае слой вулканокластитов по­

50

2

крывает более 1 млн км . Вулканизм имел взрыв­
ной характер, при котором выделяются огромные

массы газов и пепла. Он происходил в области

40

развития карбонатных осадков, что приводило к

~

выделению мощных объемов СН 4

!&. 30

and СО 2 .

Однако главное воздействие на возникновение

i"

гибельных условий для биоты оказало извержение

~

Сибирских траппов. Сибирские траппы

!!! 20

тат крупнейшего

1i"

вулканического

-

резуль­

извержения

за

всю историю Земли. Траппы развиты на всей Вос­
точно-Сибирской платформе, в Хатангском проги­

~ 10

бе, в Минусинской котловине; зона магматизма

а:1

простирается и на дне Карского моря (рис.

7).

Кроме трапповых полей и межпластовых
внедрений лав (силлы), огромные площади в этой

300 млн.л.
Рис.

6.

250

200

вулканической

скими туфами

провинции

-

покрыты

вулканиче­

результатом эксплозивных из­

Вымирание родов организмов в связи с вулканиз­

вержений. Трапповая провинция покрывает около

мом (по

2 млн км 2 , а ее первоначальная площадь оценива-

Saunders, Reichov, 2009,

с изменениями)


М С. Бараш. Причины великого вымирания на границе перми и триаса

• ::::. • - траппов<111 провинцн11
Рис.

7.

l8J IУФЬ• 11 tуффи1ы

язвы

-

Сибирская траnnовая провинция

(no

469

Масайтис,

1983; lvanov, 2011)

ется в 7 млн км , объем лав -в 1-4 х 10 км (Ма­
сайтис, 1983). Местами мощность вулканических

2009).

пород значительна, например, в районе Нориль­

изошли в районах распространения залежей угля

ска

км. Если объем базальтов Сибирских

и горючих сланцев, при термальном метаморфиз­

траппов равномерно распределить по поверхности

ме в атмосферу должны были выделиться огром­

Земли, толщина слоя составит около

ные количества СО 2 и метана. Это усиливало пар­

2

-

3,5

6

3

3 м (Renne

Сибирский трапповый вулканизм начался

251,7 ± 0,4 млн лет назад

и ослабел

лет назад. Наиболее интенсивным

251,1±0,3 млн
он был 250,2 ±

млн лет назад. Совпадение интервалов этого

осадках

венно

(Reichow et al.,

Там, где излияния Сибирских базальтов про­

никовый эффект

et al., 1991).

± 0,3

ного ультрафиолетового облучения

конца

перед

заметные

(Svenson et al., 2009).

перми,

массовым

количества

отложенных

В морских

непосредст­

исчезновением,

углистых

частиц,

имеются
которые

образовались при сгорании угля и горючих слан­

извержения и возраста РТВ подтверждает, что оно

цев и затем широко распространились. Эти час­

было важнейшей причиной массовой гибели ор­

тицы подобны современным продуктам сжигания

ганизмов в конце перми.

каменного угля и могли отравлять водную

При извержении до

среду

4 х 10 6 км 3 вулканического материала в течение
короткого интервала времени (около 0,6 млн лет)

(Grasby et al., 2011).

большие количества СО 2 ,

SОъ фтора и хлора

с глобальным похолоданием из-за аэрозольного

должны были выделиться достаточно быстро для

экранирования атмосферы, выделением газов и

Извержения вызывали «вулканическую зиму»

разрушения систем атмосферы и биосферы (Ката

выпадением кислотных дождей, вредных для рас­

Эти компоненты вулканических вы­

тений. После главного излияния базальтов следо­

et al., 2003).

бросов в атмосферу могли оказать влияние на ус­

вало

ловия среды. Если Сибирские траппы извергались

новление биоразнообразия и усиливая стратифи­

в ОСНОВНОМ в течение

200 ТЫС.

«вулканическое

лето»,

задерживая

восста­

лет, ОНИ ДОЛЖНЫ

кацию океана. Разложение газогидратов вело к

были удвоить содержание СО 2 в атмосфере и под­

выделению в атмосферу огромных количеств СО 2

нять глобальную температуру на

и возникновению очень сильного губительного

1,5-4,5

°С.

Выделение СОъ вело к глобальному потепле­
нию,

S0 2 и

сульфатные аэрозоли

парникового эффекта. Быстрое глобальное потепА

к глобальному

ление вызывало вредные для биосферы изменения

похолоданию. Галогены и их соединения вызвали

среды: ослабление апвеллингов, стагнацию океана,

уменьшение содержания озона и повышение вред-

падение продуктивности. Это повторилось дваж-

-


Глава

470

IV.

События и факторы эволюции биосферы

Извержение Сибирских
т

Эмиссия

i-----.

аппов

---,

Эмиссия СО 2

S02
Усиление

Диссоциация

Краткое

наземного

Глобальное

ПОХОЛО·

выветри-

потепление

дание

вания

газогидратов

Негативная

Расцвет
Увеличение

грибов

экскурсия Б 13 С

Srl84'Sr в океане

87

Аноксия в
океане

Массовая rибель на суше

онижение

Рост рСО2
в поверхностных

уровнямо я

водах

-------Массовая rибель в океане м--------t
Рис.

8.

Основные следствия извержения Сибирских траnпов (по

ды, во время обеих фаз позднепермского вымира-

Гиперкапния

Wignall, 2007)

данные о микросферулах Сr/Ni-шпинели косми­

ния. Схема основных следствий мощного извер-

ческого происхождения в нескольких разрезах на

жения представлена на рис.

пермо-триасовой границе, точно определенной по

8.

микропалеонтологическим данным, в восточной

Европе и Кавказском регионе.

7.

Влияние имnакт-событий

Однако реальные кратеры обнаружены лишь

в последние годы (рис.
Хотя рассмотренные факторы отрицательно

9).

Так, на северо-запад­

ной материковой окраине Австралии, в

25

км от

влияли на биоразнообразие, они развивались от-

берега найдены свидетельства погребенной под

носительно медленно и не могли вызвать внезап­

осадками импакт-структуры Беду

ной массовой гибели организмов в глобальном

(18,18°

ю. ш.,

119,25° в.

д.

(Bedout, Bedoo)
(Becker et al., 2001, 2004).

масштабе. Триггером резких изменений экологи­

Здесь проведены сейсмические, гравиметрические

ческих условий были, вероятно, удары крупных

исследования, пробурены две скважины до глубины

астероидов или комет. Влияние импакт-событий

3000 м.

доказано лишь в последние годы. Материал, ха­

в сотни метров с почти чистым стеклом, раздроб­

рактерный для импакт-событий, был встречен на

ленными зернами плагиоклазов. В центре кратера

РТВ в нескольких разрезах: ударный кварц в Ан­

диаметром

тарктике и Австралии;

крупных астроблем центральное поднятие. По пла­

Fe-Ni-Si и Fe-Ni фрагменты

Обнаружена импакт-брекчия мощностью

180-200 км

находится характерное для

и сферулы, а также фуллерены с признаками газов

гиоклазу определен

неземного происхождения (3Не) в Китае и Японии.
34
2
87
86
Заметные колебания значений SJ3 S и Sr/ Sr в

253 ±5

разрезах Китая в конце перми, наряду с высокой

шиеся на пермо-триасовой границе

(Kaiho et al., 2001),
которое

-

и

Известны также другие кратеры, образовав­

ляется крупнейшим кратером в Южной Америке.

мощное

мантии серы в систему океан

250,1±4,5

из

Р, Са и микро­

падение в океан астероида или

вызвало

-

атмосфера. Это

Mn,

фоссилий, доказывают, по мнению К. Кейхо и др.

кометы,

возраст

(Catalogue ... ,
2009). В Бразилии обнаружен кратер Арагуайна
(Araguainha) (16,77° ю. ш., 52,98° з. д., диаметр
40 км) возрастом около 250 млн лет (Lana, Marangoni, (2009) и 244,4 ± 3,25 млн лет по (Catalogue ... ,
2009). 40-километровая структура Арагуайна яв­

концентрацией импактных минералов и значитель­
ным уменьшением содержаний

Ar/Ar

млн лет, что соответствует РТВ.

выделение

привело к значительному падению концентрации

Кратер вскрывает горизонтально залегающие осадки

кислорода, кислотным дождям и биотическому

бассейна Параны в центральной Бразилии. Падение

кризису. Дж. Тери и др.

астероида произошло около

(Thery et al" 2007)

приводят

250

млн лет назад. Он


М С. Бараш. Причины великого вымирания на границе перми и триаса

120'

50•

О"

50•

471

180"

• 11

•111
О"

120·

Рис.

9.

150"

120'

Современное положение кратеров, возникших в интервале РТВ, и Сибирской трапповой провинции (СТП). Кратеры:
Беду,

1-

2-

Арагуайна,

3 - Арганаты, 4 - Уилкс, 5 - Фольклендский, 6 - Большой Куонамки, 7 - Гулинский,
10-SAR28. Диаметры кратеров (км): 1-> 100, 11-100-10, 111-< 10. Черные кружки­
кратеры, полые кружки вероятные или возможные кратеры

8-Ессей, 9-Альпийский,
доказанные ударные

имел диаметр

км и пробил 2-километровую

ным взрывом. По совокупности геолого-геофизи­

толщу осадков, обнажив кристаллические породы

ческих данных возраст кратера отнесен к рубежу

фундамента на площади шириной в

перми и триаса.

2-3

4 км.

Хорошо

топографически выражены центральное поднятие
шириной

6-7 км

и кольцевой трог. Ударный рас­

К вероятным относят также Фольклендский

плав имеет гранитный состав. В юре кратер был

(Falkland) кратер у Аргентины (51° ю. ш" 60° з. д"
диаметр 300 км, возраст 250 млн лет). К менее дос­

заполнен осадками и базальтовыми лавами.

товерным относят следующие кратеры на Вос­

К достоверно установленным относят кратер

Арганаты

(Arganaty)

обнаружен

по

съемки (Зейлик,

в Казахстане, который бьш

материалам

1987).

космической

фото­

Кратер расположен между

озерами Балхаш и Сасыкколь. Внутреннее кольцо
с поперечником

кратера.

По

60 км

отражает цокольный вал

внешним дугообразным разломам

диаметр структуры достигает

300-315 км. Коль­
(rim) превышает в высоту
7,5-11,5 км. Кратер и его коль­

цевой вал выбросов

700 м,

его ширина

точно-Сибирской платформе: Большой Куонамки

(Great Kuonamki) (70° с. ш" 111° в. д" диаметр не
251 млн лет); Гулинский (Gulinskiy)
массив (70,91° с. ш" 101,2° в. д., диаметр> 50 км,
возраст 251 млн лет); Ессей (Essey) (68,81° с. ш"
102,18° в. д" диаметр 4,5 км, возраст 251 млн лет);
а также в Европе Альпийский (Alpian) (43° с. ш.,
8° в. д., возраст ~250 млн лет) и в Канаде SAR 28
(56,57° с. ш., 110.57° з. д., возраст ~250 млн лет, диа­
метр 7,5 км) (Catalogue ... , 2009).

указан, возраст

цевые структуры представлены песчаными отло­

В Антарктиде в Центральных Трансантарк­

жениями, которые в центральной части подсти­

тических горах на Графитовом гребне, около лед­

лаются гранитами. Космогенная природа кратера

ника Бердмор

подтверждена петрографическими исследования­

вой пограничной аргиллитовой брекчии найдены

ми (шоковый кварц) и кольцевыми магнитными и

многочисленные фрагменты хондритовых метео­

гравитационными аномалиями. В центре структу­

ритов с характерными геохимическими признака­

ры под чехлом рыхлых отложений располагается

ми, ударным кварцем и внеземными фуллеренами

овальный массив лейкократовых гранитов. Автор

с захваченным Не (Basu et al., 2003)~ Найдены

полагает, что поступление гранитной магмы из

металлические зерна,

глубинного очага было инициировано космоген-

пограничных слоях в Южном Китае и Японии.

(Beardmore)

в слое пермо-триасо­

3

какие встречались также в


472

Глава

IV.

События и факторы эволюции биосферы

Возраст определен по палеоботаническим и изо­

заряда в

топным данным. Находка подтверждает импакт­

ше, чем взрыв ядерного арсенала всего мира. Гло­

собьпие глобального масштаба.

бальное распространение облаков пьmи, состоя­

Таким событием могло быть крупнейшее в

100

миллионов мегатонн, в

1ООО раз

боль­

щей из частиц пород земной коры, выброшенных

истории Земли импакт-событие в Антарктиде, на

из кратера,

Земле Уилкса

и

материала

космического тела,

сни­

Здесь бьmа

жало солнечную инсоляцию, сокращало фотосин­

обнаружена крупная отрицательная маrnитная ано­

тез и нарушало всю пищевую цепь. Возникала

малия, совпадающая с топографической кольцевой

«космическая

(Von Frese et al., 2006).

депрессией шириной в

биной

848 м,

243

км и минимальной глу­

с центром в координатах

120° в. д. Гравитационное спутниковое
2006 г. выявило положительную

70°

ю. ш.,

зима»,

которая

вызывала

гибель

многих наземных и морских организмов. Удар ас­

тероида по карбонатным породам с большим со­

картирова­

держанием СаСО 3 и

гравитаци­

разовании кратера Чиксулуб на Юкатане) увели­

онную аномалию, которая показывает выступ ульт­

чил содержание СО 2 и сернокислых аэрозолей в

раосновных

для

атмосфере. Это должно было привести к выпаде-

крупных ударных кратеров. Подповерхностное

нию кислотных осадков и повышению температуры

радарное картирование

на

ние в

пород

мантии,

что

NASA

характерно

выявило 500-кило­

несколько

CaS04 , (как

градусов,

это было при об­

частичному разрушению

метровый кратер, располагающийся под Восточ­

озонового слоя. Гипотеза о глобальном распро­

но-Антарктическим ледниковым щитом. Предпо­

странении пожаров на КТ -границе подтверждает­

лагается, что это следствие удара 55-километро­

ся необычно высоким содержанием сажи в погра­

вого астероида, превышающего в

ничных прослоях глины в Дании, Испании, Новой

4-5 раз

астероид

Чиксулуб, который привел к массовой гибели ор­
ганизмов

65

млн лет назад. Удар вызвал подъем

Зеландии.
По представлениям Ю. Исозаки

(Isozaki, 2009),
265 млн

200-километрового купола мантийного материала.

изменения систем Земли начались около

По гравитационным данным следует, что это им­

лет назад, когда после

пакт-событие произошло около

250 млн лет назад.

геомагнитного поля имело место Иллаварское со­

Вероятно, именно оно, наряду с крупным импакт­

бытие изменения полярности. После него начался

50 млн лет

стабильности

событием Беду и другими, было важнейшей при­

длительный

чиной внезапной массовой гибели организмов на

нитного поля. Это событие, обусловленное, из­

рубеже перми и триаса. Геологические образцы

менениями состояния ядра и мантии Земли, через

из-под ледникового щита пока не получены, и для

5 млн лет

подтверждения импакт-события требуются непо­

ей событий, перечисленных выше (рис.

период

частых

изменений

геомаг­

проявилось на поверхности Земли сери­

1О).

средственные доказательства. По поводу возник­

Сопоставление временных серий импакт-со­

новения этой структуры имеются и другие гипо­

бьпий на Земле и Луне с данными о вулканиче­

тезы: образование мантийного плюма или прояв­

ской активности мантийных плюмов

ление другой крупномасштабной вулканической

их корреляцию на 90-процентном доверительном

активности.

уровне. Так, мел-палеогеновый Деканский плюм

Несомненно, большая часть астероидов падала

показывает

сильно

возросшую

показало

активность

непо­

земной поверх­

средственно после импакт-события Чиксулуб. Ис­

ности. Однако следы этих импакт-событий не со­

следование показывает, что крупные импакт-собы-

200 млн

тия могут усилить вулканизм существующих в это

в океан, занимавший около

70 %

хранились, т. к. океаническая кора старше

лет исчезла

-

погрузилась в зонах субдукции.

время мантийных плюмов

(Abbott, Isley, 2002).

Последствия ударов крупных астероидов, тем

более нескольких, произошедших в пределах уз-

кого интервала времени, должны были оказать гу-

Заключение

бительное воздействие на морские и наземные
организмы

Происходили по-

Вероятно, единые внешние космические при­

нижение освещенности, изменение температуры,

чины вызвали как изменения в сферах Земли, так

кислотные дожди и пожары. При ударе должна

и астероидные атаки. Влияние космоса на земные

бьmа вьщелиться энергия, соответствующая взрыву

процессы предполагалось еще в первой поло-

(Alvarez et al., 1980).


473

М С. Бараш. Причины великого вымирания на границе перми и триаса

заимодеиствие

11:

s:

внутренних геосфер

1'О

ф

-&
а.

"s:

ID

1'О

:ё

s:

с;

1а.

с;

1(J

•

:с

1-

*s

с;

ф

s

о

с

ф

а:

~g

L..

rll

Е:[

:!Е

Mz
~ т2
s

40

а.

f:i:

>S:

s:

:i:

::r

~

рз
:::Е

Уровень

Химия

g1ЗС,%о

океана

т

+100N

2

-2

4

ф

с

:s

ф

i:::

т
Pz

Р,

270
Рис.

иМg/Са

{

[..........-

1
!~

Аноксия

i

:i:

ф

~

Ударные
кратеры

\

с

1
а.

+

+

i

i
~

Вымирание,
фаза

\\

260

а.

+

~рагонит

с

Q.

образие

:а&:

§.

перем

1-

Биоразно­

Космос

1'О

T-J

Q.

Климат

океана

"' ::&"'
~ !.

~
"'

:!.
...

.о

:с

&.
!li
>< :i:

:А

а:

250

s:

:i:

"'

с

т,

:!:

1'?

j_ +

s:

1-

..а

~g
~ 6.
::&

С[

s:

Система поверхности Земли

..

СР

\,

\

ратн

Связь между абиотическими факторами и массовой гибелью организмов на рубеже перми и триаса (по

10.

2007,

уровень океана по

хроны: С-Р

-

Hallam, 1984,
карбон-пермский, Р-Т -

с изменениями).

Климат: Т

пермо-триасовый,

вине ХХ века (В. И. Вернадский, А. Л. Чижевский,

T-J

теплее, Х

-

дами километровых размеров либо с «астероид­
ными атаками»

ХХ века.

тероидов

влияние

колебаний

Yin et а/.,

холоднее. Геомагнитные супер­

-

-триасово-юрский

М. Миланкович и др.) и исследуется с середины
Рассматривалось

1

- падением на Землю серии ас­
(Rampino, Stothers, 1998 и др.). А. А. Ба­
(2010) полагает, что смертность организ­

солнечной активности, взаимодействия Земли и

ренбаум

Луны, орбитальное вращение Земли, столкнове­

мов и активность тектонических процессов резко

ас­

возрастают в моменты пребывания Солнца в об­

тероидами и кометами. В последние годы иссле­

ластях газоконденсации и звездообразования вет­

дования в этом направлении активно развиваются.

вей Галактики.

ние Земли с другими космическими телами

-

качестве причин геологической цикличности

Оценки возраста ударных кратеров показы­

обычно называют изменение гравитационного по­

вают корреляцию с событиями массовой гибели

тенциала Галактики

организмов. Массовые вымирания имеют перио­

В

на разном удалении от ее

центра, вариации скорости движения Солнца по

дичность

орбите, пересечение Солнцем спиральных ветвей

хорошо

Галактики, его колебания перпендикулярно галак­

периодичности

тической плоскости и др.
Период орбитального движения Солнца в Га­

лактике

датированных

и

последовательность

ударных

кратеров

имеет

30 ± 0,5 и 35 ± 2 млн лет (Rampino, Stothers, 1998). Для объяснения этой квазипе­
риодичности

предлагаются

космические

явления

лет) сопоставляется с про­

сходной частоты, упомянутые выше. Что касается

должительностью геологических эр. Время пере­

событий массовой гибели организмов, то, учиты­

сечения ветви Галактики

млн

вая их внезапность и кратковременность, они мо­

время, в течение которого Солнечная сис­

гут быть объяснимы только быстрыми катастро­

лет

-

(200-300 млн

26-30 млн лет,

- 20-30 млн лет, 4-5

тема испытывает влияние галактических ударных

фическими изменениями условий среды,

волн (Христофорова,

С такими интервала­

вызываются ударами крупных астероидов. Веро­

связываются границы подраз­

ятно, на фоне постепенного, происходящего в те­

ми периодичности

2000).

какие

делений разного уровня стратиграфической шкалы

чение

фанерозоя. Геологические, и прежде всего палео­

экологических условий и соответствующе.rо угне­

нтологические,

тения биоты астероидные атаки внезапно резко

интервалы

изменения,

0,1-10 млн

происходящие

через

лет, объяснимы столкнове­

ниями Земли с крупными одиночными астерои-

сотен

усиливали

тысяч

стресс

и

-

миллионов

вызывали

массовую гибель организмов.

лет

ухудшения

кратковременную


Глава

474

IV.

События и факторы эволюции биосферы

Литература
Баренбаум А.А. Галактоцентрическая парадигма в гео­
логии и астрономии. М.: Книжный дом «Либро­
ком»/URSS,
Зейлик Б. С

2010. 544 с.
(1987) Космогенный

кратер Арганаты и

сопряженные с ним кольцевые структуры (Южный

Казахстан)// Докл. АН СССР. Т.
Масайтuс В. Л.

(1983)

297. № 4.

С.

925-928.

Пермский и триасовый вулка­

низм Сибири// Записки Всероссийского Минералог.
об-ва. Т.

4.

С.

412--425.
(2000)

Христофорова Н Н

О

влиянии

спиральной

структуры Галактики на эволюцию планеты// Гео­
ресурсы. № 1. С. 15-27.
Abbott D. Н, Isley А. Е. (2002) Extrateпestrial influences
on mantle plume activity // Earth and Planet. Sci. Lett.
V. 205. Р. 53-62.
Alvarez L. W, Alvarez W, Asaro F, Michel Н V (1980)
Extrateпestrial cause for the Cretaceous-Tertiary extinction: experimental results and theoretical interpretation // Science. V. 208. Р. 1095-1108.
Basu А. R" Petaev М 1" Poreda R. J et а/. (2003) Chondritic Meteorite Fragments Associated with the Permian-Triassic Boundary in Antarctica // Science. V. 302.
№ 5649. Р. 1388-1392.
Becker L" Poreda R. J" Basu А. R. et а/. (2004) Bedout:
А PossiЫe End-Permian lmpact Crater Offshore of
Northwestem Australia // Science. V. 304. № 5676.
Р. 1469-1476.
Becker L" Poreda R. J Hunt А. G. et а/. (2001) Impact Event
at the Permian-Triassic Boundary: Evidence from Extrateпestrial NоЫе Gases in Fullerenes // Science.
V. 291. Р. 1530-1533.
Catalogue of the Earth's Impact structures. (2009) Siberian
Center for Global Catastrophes, Russian Academy of
Sciences, Siberian division. Retrieved 2009--08-12.
[Электронный
ресурс]
http://omzg.sscc.ru/impact/
indexl .html
Erwin D. Н (1993) The Great Paleozoic Crisis, Life and
Death in the Permian. New York: ColumЬia University
Press. 327 р.
Frese R. R. von, Potts L" Wells S. et а/. (2006) PermianTriassic mascon in Antarctica // Eos Trans. AGU
Jt. Assem. Suppl. V. 87. № 36. Abstract Т41А-08.
Grasby S. Е" Sanei Н., Beauchamp В. (2011) Catastrophic
dispersion of coal fly ash into oceans during the latest
Permian extinction // Nature Geoscience. V. 4. Р. 104--107.
Grice К" Сао С, Love G. D. et а/. (2005) Photic zone euxinia during the Permian-Triassic superanoxic event //
Science. V. 307. Р. 706-709.
Hallam А. (1984). Pre-Quatemary sea-level changes // Ann.
Rev. Earth Planet Sci. V. 12. Р. 205-243.
Haq В. И" Schutter S. R. (2008) А chronology of Paleozoic
sea-level changes // Science. V. 322. Р. 64--68.

Huey R. В" Ward Р D. (2005) Hypoxia, Global Warming,
and Teпestrial Late Permian Extinctions // Science.
V. 308. N. 5720. Р. 398--401.
Hallam А" Wignall Р В. (1997) Mass Extinctions and
Their Aftermath. Oxford Univ. Press. 320 р.
Isozaki У (2009) Integrated «plume winter» scenario for the
douЫe-phased extinction during the Paleozoic-Mesozoic
transition: Тhе G-LB and Р-ТВ events from а Panthalassan perspective // Jour. Asian Earth Sc. V. 36. Р. 459--480.
Isozaki У, Kawahata Н., Ota А. (2007) А unique carbon
isotope record across the Guadalupian-Lopingian (Middle-Upper Peпnian) boundary in mid-oceanic paleoatoll carbonates: the high-productivity «Kamura· event»
and its collapse in mid-superocean // Global and Planetary Change. V. 55. Р. 21-38.
lsozaki У., Уао J, Matsuda Т. et а/. (2004) Stratigraphy of
the Middle-Upper Permian and Loweпnost Triassic at
Chaotian, Sichuan, China. Record of Late Peпnian
douЫe mass extinction event // Proc. Japan Acad.
V. 80. Ser. В. Р. 10-16.
lvanov А. V (2011) There is plenty of amphibole in the
Siberian Traps // http://www.mantleplumes.org/
SiberiaAmphibole.html
Jin У G" Wang У, Wang W et а/. (2000) Pattem of Marine
Mass Extinction Near the Peпnian-Triassic Boundary
in South China // Science. V. 289. Р. 432--436.
Kaiho К" Kajiwara У., Nakano Т et а/. (2001) End-Permian catastrophe Ьу а bolide impact: Evidence of а gigantic release of sulfur from the mantle pages // Geology. V. 29. Р. 815-818.
Като S. L" Czamanske G. К., Amelin Yu. et а/. (2003) Rapid
eruption of Siberian flood-volcanic rocks and evidence
for coincidence with the Permian-Triassic boundary
and mass extinction at 251Ма // Earth and Planet. Sci.
Letters. V. 214. Р. 75-91.
Кiehl J. (2005) Permian Surface Temperature // AstroЬiol­
ogy Magazine. http://www.astroЬio.net/pressrelease/
1692/the-dog-days-of-the-permian
Кiehl J Т, Shields Ch. А. (2005) Climate simulation of the
latest Peпnian: lmplications for mass extinction // Geology. V. 33. № 9. Р. 757-760.
Knoll А. Н" Bambach R. К., Canfield D. Е" Grotzinger J. Р
(1996) Comparative Earth history and Late Permian
mass extinction // Science. V. 273. Р. 452--457.
Krassilov V, Karasev Е. (2009) Paleofloristic evidence of
climate change near and beyond the Peпnian-Triassic
boundary // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. V. 284. Р. 326-336
Kump L. R" Pavlov А" Arthur М А. et а/. (2005) Massive
release of hydrogen sulfide to the surface ocean and
atmosphere during intervals of oceanic anoxia // Geology. V. 33. № 5. Р. 397--400.
Labandeira С С, Sepkoski J. J. (1993) Insect diversity in
the fossil record // 'Science. V. 261. Р. 310-315.


М С Бараш. Причины великого вымирания на границе перми и триаса

Lana С., Marangoni У. (2009) The Araguainha impact: а
South American Permo-Triassic catastrophic event //
Geology Today. V. 25. № 1. Р. 21-28.
Maxwell W. D. (1992) Permian and Early Triassic extinction of
non-marine tetrapods // Palaeontology. V. 35. Р. 571-583.
МсКiппеу М L. (1987) Taxonomic selectivity and continuous variation in mass and background extinctions of
marine taxa // Nature. V. 325. № 6100. Р. 143-145.
Michaelsen Р. (2002) Mass extinction of peat-forming
plants and the effect on fluvial styles across the Permian-Triassic boundary, northem Bowen Basin, Australia //
Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology.
V. 179. Р. 173-188.
Rampino М R., Stothers R. В. (1998) Mass extinctions,
comet impacts, and the Galaxy // Highlights Astron.
V. llA. Р. 246-251.
Reichow М К., Pringle М S., Al'Mukhamedov А. !. et al.
(2009) Тhе timing and extent of the eruption of the Siberian Traps large igneous province: Implications for
the end-Permian environmental crisis // Earth and Planetary Science Letters. V. 277. Р. 9-20.
Renne Р. R., Вlack М Т, Zichao Zh. et al. (1995) Synchrony and Causal Relations Between Permian-Triassic
Boundary Crises and Siberian Flood volcanism // Science. V. 269. № 5229. Р. 1413-1416.
Retallack G. J., Smith R. МН., Ward Р. D. (2003) Vertebrate extinction across Permian-Triassic boundary in
Karoo Basin, South Africa // GSA Bull. V. 115. №. 9.
Р. 1133-1152;
Riccardi А. L., Arthur М А., Китр L. R. (2006) Sulfur isotopic evidence for chemocline
Riccardi А., Kump L. R., Arthur М А., D'Нondt S. (2007) Carbon isotopic evidence for chemocline upward excursions
during the end-Permian event // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. V. 248. № 1-2. Р. 73-81.
Ries J. В. (201 О). Review: geological and experimental evidence for secular variation in seawater Mg/Ca (calcitearagonite seas) and its effects on marine biological calcification // Biogeosciences. V. 7. Р. 2795-2849.
Sandler А., Eshet У., Schilman В. (2006) Evidence for а
fungal event, methane-hydrate release and soil erosion
at the Permian-Triassic boundary in southem Israel //
Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology.
V. 242. № 1-2. Р. 68-89.
Saunders А., Reichow М (2009) Тhе Siberian Traps and
the End-Permian mass extinction: а critical review //
Chinese Sci. Bull. V. 54. № 1. Р. 20-37.
Scotese С. R., Bambach R. К., Barton С. et al. (1979) Paleozoic Base Maps // J. Geology. V. 87. Р. 217-277.
Sephton М А., Visscher Н., Looy С. V et al. (2009) Chemical constitution of а Permian-Triassic disaster species //
Geology. V. 37. № 10. Р. 875-878.
Stanley S. М, Yang Х (1994) А douЬ!e mass extinction at the
end ofthe Paleozoic Era // Science. V. 266. Р. 1340-1344.

475

Steiner М В., Eshet У., Rampino М R., Schwindt D. М
(2003) Fungal abundance spike and the PermianTriassic boundary in the Karoo Supergroup (South Africa) // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. V. 194. Р. 405-414.
Svenson Н., Planke S., Polozov А. G. (2009) Siberian gas
venting and the end-Permian environmental crisis //
Earth and Planetary Science Letters. V. 277. Р. 490-500.
Thery J. М, Vachard D., Dransart Е. (2007) Late Permian
limestones and the Permian-Triassic boundary: new
Ьiostratigraphic, palaeoЬiogeographical and geochemical data in Caucasus and eastem Europe // Geol. Soc.,
London. Spec. РuЫ. V. 275. Р. 255-274.
Toran L. (2010) Oxygen content of Earth's Atmosphere
during the Course of Last Billion Years: upward excursions during the end-Permian mass extinction // Geochim. et Cosmochim. Acta. V. 70. Р. 5740-5752. [Элек­
тронный ресурс] http://commons.wikimedia.org/wiki/
File:Sauerstoffgehalt-1000mj2.png
Veevers J. J., Tewari R. С. (1995) Permian-Carboniferous
and Permian-Triassic magmatism in the rift zone bordering the Tethyan margin of southem Pangea // Geology. V. 23 № 5. Р. 467-470.
Visscher Н., Looy С. V, Collinson М Е. et al. (2004) Environmental mutagenesis during the end-Permian ecological crisis // PNAS. V. 101. № 35. Р. 12952-12956.
Vrzhosek А. А. (1997) Late Permian Ьimodal volcanism in
South Primorye// Late Palaeozoic and Early Mesozoic
Circum-Pacific Events and their Global Correlation
(ed. J. М. Dickins et а!.). Cambridge: Cambridge University Press. Р. 106-108.
Wignall Р В. (2007) Тhе End-Permian mass extinction how bad did it get? // GeoЬiology. V. 5. Р. 303-309.
Wignall Р В., Twitchett R. J. (2002) Extent, duration and
nature of the Permian-Triassic superanoxic event //
Catastrophic Events and Mass Extinctions: Impacts and
Beyond (ed. С. Koeberl, К. G. MacLeod). GSA Special
Paper. V. 356. Р. 395-413.
Xie S., Pancost R. D., Huang Х et al. (2007) Molecular and
isotopic evidence for episodic environmentaJ change across
the Permo/Triassic boundary at Meishan in South China //
Global and Planetary Change. V. 55. № 1-3. Р. 56-65.
Хи D.-Y., Zheng У. (1993) Carbon isotope and iridium
event markers near the Permian/Triassic boundary in
the Meishan section, Zhejiang Provence, China // Palaeoecology. V. 104. Р. 171-176.
Yin Н., Feng Q., Lai Х et al. (2007) Тhе protracted PermoTriassic crisis and multi-episode extinction around the
Permian-Triassic boundary // Global and Planetary
Change. V. 55. № 1-3. Р. 1-20.
Yin Н. F, Huang S. J., Zhang К. Х et al. (1992) Тhе effects
of volcanism on the Permo---Triassic mass extinction
in South China // Permo-Triassic Events in the ]iastem Tethys (ed. W. С. Sweet et al.). Cambridge: Cambridge University Press. Р. 169-174.


ВЕНДСКАЯ МИКРОБИОТА УРИНСКОЙ СВИТЫ ПАТОМСКОГО КОМПЛЕКСА

СРЕДНЕЙ СИБИРИ: БИОСТРАТИГРАФИЧЕСКОЕ И ЭВОЛЮЦИОННОЕ ЗНАЧЕНИЕ

М А. Семuхатов, В. Н. Сергеев, Н. Г Воробьева, Н. М Чумаков
Геологический институт РАН.

seтikhatov@ginras.ru

Патомский комплекс, развитый в пределах Патомского и Северо-Байкальского нагорий Средней Сибири,

представляет собой наиболее полный и мощный разрез неопротерозоя на южной окраине Сибирской плат­
формы и в ее обрамлении. Однако у исследователей региона нет единого мнения о стратиграфическом возрас­
те отдельных частей этого комплекса, хотя в уринской свите, залегающей в верхней части средней (дальнетай­
гинской) его серии, заключена ассоциация органостенных микрофоссилий, характерных для отложений ниж­
него венда. В общей сложности в стратотипе уринской свиты, расположенном в приустьевой части р. Ура

(правый приток р. Лена), присутствует
мально), которые относятся к

23

36

видов микрофоссилий (в том числе шесть видов, описанных нефор­

родам акантоморфных и сфероморфных акритарх, нитчатых и коккоидных мик­

роорганизмов, а также форм необычной морфологии (Воробьева и др.,

2008; Sergeev et а/., 2011).

Доказательство

нижневендского возраста Патомского комплекса, который долгое время считался верхне- или даже среднерифей­
ским либо относился к Общему подразделению верхнего докембрия России

зад; Хоме11товский,

2002),

-

к байкалию

(850-650 млн

лет на­

радикально меняет сложившуюся интерпретацию геологической истории юга Сибир­

ской платформы и смежной части Байкало-Патомского региона.

ски обособленных ассоциаций микрофоссилий и

Введение

редких сопутствующих макроскопических окаме­

Результаты исследований последних лет по­

нелостей. Каждая из ассоциаций обладает субгло­

казали, что в верхней части протерозойских отло­

бальным распространением и отражает сукцес­

жений биостратиграфия вышла на первый план
при обосновании общего расчленения и телекор­

реляции осадочных последовательностей. Прове­

сию основных этапов развития органического ми­

ра протерозоя

(Sergeev, 2009;

Стратиграфическими

Сергеев и др.,

эквивалентами

2010).

этих

ассо­

денные исследования опирались прежде всего на

циаций являются биогоризонты, длительность ко­

данные о пространственно-хронологическом рас­

торых быстро (на два порядка), но неравномерно

пределении

убывает вверх по разрезу. Так, длительность первого

эукариотных

микроорганизмов,

до­

полненных сведениями о распространении в про­

(Лабрадорского) биогоризонта близка к

странстве прокариотных разностей микрофосси­

длительность рифейских биогоризонтов соответст­

лий, а также об ихнофоссилиях, флористических

вует тем или иным частям эратем рифея, а вендские

остатках, первых мелкораковинных организмах и

150 млн

лет,

отвечают длительности эпох данной системы.

о биомаркерах. Синтез перечисленных данных, по­

Помимо выделения биогоризонтов, микрофос­

лученных для отрезка времени от середины ранне­

силии обеспечивают расчленение отдельных частей

го протерозоя (от ~2 млрд лет назад) до основания

верхнепротерозойских

томмотского яруса нижнего кембрия, позволило

более дробные биостратиграфические подразде­

установить семь последовательных таксономиче-

ления

-

последовательностей

на

на зоны, которые по принципам построе­

ния близки фанерозойским биозональным едини­
Работа выполнена при поддержке программы приоритетных

исследований Президиума РАН №

держке РФФИ (гранты
и 11-05-92692-ИНД).

24 и при финансовой под­
11--05--00234, 10--05--00294, 11--05--00232

цам. Наиболее показательной в этом отнеih:~ении
является последовательность отложений нижне­

вендского Амадеусского биогоризонта Центральной


Глава

478

События и факторы эволюции биосферы

IV.

Австралии. В нижней части этого биогоризонта в

прослеживаются не только в Австралии. Аналоги

типовом для него разрезе (в бассейне Амадеус)

нижней зоны недавно были установлены в керне

К. Грей

буровой скважины в Притиманской депрессии на

(Grey, 2005)

выше тиллитов Марино вы­

делила изменчивый по мощности (от

25

до

420

м)

северо-востоке Русской плиты в верхней части

и по стратиграфическому объему стратон, охарак­

вычегодской свиты на глубине

теризованный

и др.,

простыми,

Leiosphaeridia jacutica

и

мелкими акритархами

L. crassa,

имеющими

2779-2312 м (Вейс
2006; Vorob 'eva et al., 2007, 2009а, Ь). При­

сутствующая здесь биота акантоморфных акри­

очень широкий диапазон вертикального распро­

тарх пертататакского типа,

странения. В более высоких горизонтах разреза,

кельтминской, содержит комплекс таксонов акан­

после маркирующих слоев, несущих следы удара

томорфид относительно сложного строения, кото­

1

получившая название

метеорита Акроман , в формации Пертататака и в

рые обладают симметричными, а иногда и беспо­

ее аналогах в Центральной и Южной Австралии

рядочно расположенными выступами. В составе

(Grey, 2005; Willman et al., 2006; Willman, Moczydlowska, 2008; Grey, Calver, 2007) развита богатая

этих

ископаемых

в

кельтминской

микробиоте

преобладают представители рода

типа

Alicesphaeridium (А. medusoideum, А. cornigerum, А. tubulatum и
А. lappaceoum ), которые представляют 3 7 % всех
акантоморфид микробиоты и около 15 % всех хо­

или эдиакарский комплекс акантоморфной пали­

рошо сохранившихся ее представителей. Другими

нофлоры (ЭКАП).

важными членами микробиоты являются пред­

ассоциация

сложно

построенных

крупных

(от

первых десятков до первых сотен микрометров)

акантоморфных

акритарх

пертататакского

Этот комплекс представлен

в бассейнах Амадеус и Джорджина, в рифтовом

Tanarium (Т conoideum, Т tuberosum, Т pilosiusculum и Т sp. ), составляющие около
7 % всех ее членов. Редкими компонентами мик­
робиоты являются Cavaspina и Appendisphaera, а
также эндемичные Keltmia cornifera, К. irregularia, Bullatosphaera velata, Тimanisphaera apophysa,
Eotylotopalla strobllata, Galeasphaeridium blcorporis, G. oviscoris и Weissiella grandistella (Vorob 'eva
et а!., 2009а). Важно подчеркнуть, что кельтмин­

комплексе Аделаида и на шельфе Стюарт) позво­

ская микробиота содержит таксоны акантоморфных

50

видами, относящимися к

28

родам, которые ра­

нее ошибочно считались нижнекембрийскими так­
сонами, а ныне относятся к нижнему венду и ис­

пользуются для обоснования последовательности

микропалеонтологических зон

Calver, 2007).

( Grey, 2005; Grey,

Анализ распространения этих акри­

тарх на обширной территории Центральной и
Южной Австралии (на востоке бассейна Офисер,

лил К. Грей

(Grey, 2005; Grey, Calver, 2007)

обо­

ставители рода

акритарх, общих с установленными К. Грей

собить четыре последовательные пространственно

2005)

выдержанные

следовательности

палеонтологические

комплексные

(Grey,

в первой зоне типовой (Австралийской) по­
пертататакских

форм.

Кроме

зоны, общий возрастной диапазон распростране­

акантоморфных акритарх, в кельтминской микро­

ния которых достаточно провизорно бьш оценен как

биоте содержатся сфероморфные акритархи, нит­

580-565 млн лет (Walter et al., 2000; Grey, Calver,
2007). Характерными формами этих четырех зон

чатые,

ЭКАП являются следующие роды и виды акри­

микробиоты в настоящее время определен только

тарх пертататакского типа:

в довольно широких пределах. Эта биота моложе

1) Appendisphaera barbata - Alicesphaeridium medusoideum - Gyalosphaeridium pulchrum; 11) Tanarium conoideum Schizofuza risoria - Variomargosphaeridium litoschum; Ш) Tanarium irregulare - Ceratosphaeridium glaberosum - Multifronsphaeridium pelorium; IV) Ceratosphaeridium mirablle - Distosphaera australica -Apodastoides verobturatus. Эти зоны
Время внедрения этого метеорита ряд авторов оценивают как

- 578

млн лет назад

исследователи

жена»

(Grey, 2005; Grey, Calver, 2007),

приводят доводы,

(Zhou et al., 2007).

что

эта

но другие

датировка

«омоло­

спирально-цилиндрические

и

коккоидные

цианобактерии. Изотопный возраст кельтминской

644 ± 11

млн лет (RЬ-Sr изохронного возраста не­

измененного глауконита из нижней части укской
свиты верхнего рифея; Зайцева и др.,

нее

558 ± 1 млн
SHRIMP возраста

лет

(U-Pb

2008)

и древ­

определенного на

вулканогенных цирконов из не­

согласно залегающих вышележащих

редкинского региояруса;

отложений

Martin et al., 2000).

До­

полнительные данные о возрасте

кельтминской

микробиоты

таксономиче­

представляет

анализ

ского состава трех последовательных ассоциаций

микрофоссилий, присутствующих в вычегодской


МА. Семихатов и др. Вендская микробиота уринской свиты Патомского комплекса Средней Сибири

свите. В верхней ее части (глубина
как

уже

говорилось,

присутствует

479

2279-2312 м),

Таким образом, отложения с кельтминской мик­

кельтминская

робиотой в Притиманском разрезе, имеющие мощ­

микробиота, содержащая ряд характерных таксонов,

ность

общих с описанными в первой зоне ЭКАП

ческими рубежами как снизу, так и сверху. Исполь­

2005).

( Grey,

Стратиграфически ниже в вычегодской свите

(глубина

2899-2780 м)

467 м,

ограничены резкими биостратиграфи­

зуя некоторые rnяциогоризонть1 для корреляции раз­

развита обедненная биота,

резов, К. Грей и К. Калвер пришли к выводу, что в

которую представляют виды родов Myxococcoides,
Leiosphaeridia, Chuaria, Simia, Caudosphaera, Siphonophycus, Obruchevella и Elatera. Базальная часть
вычегодской свиты (глубина 2910-2900 м) заклю­
чает характерные верхнерифейские акритархи Trachyhystrichosphaera aimica и Prolatoforma aculeata.

Австралии пертататакские акритархи существовали

Такое распределение микробиот свидетельствует,

позволяют обособить лишь широкий возрастной ин­

что базальные

1О м

вычегодской свиты относятся к

верхнему рифею, средняя часть свиты (глубина

2855-2780 м),

вероятно, может быть сопоставлена с

всего лишь от

575 до 565 млн лет назад (Grey, Calver,

2007). Однако, если принять более широко принятую
схему межрегиональной корреляции рассматривае­

мых отложений, то придется признать, что совре­
менные

изотопно-геохронологические

тервал от
ралии

635

до

560-550 млн лет,

развивались

(Seтgeev,

2009;

данные

в котором в Авст­

рассматриваемые

акритархи

Голубкова и др.,

2010), и, как под­
(Zhou et а!., 2007), из­

ледниковыми отложениями, залегающими в основа­

черкнули Жоу и его соавторы

нии венда, а на глубине

менить взгляды на возраст метеорита Акроман.

2279-2212 м

(в терминаль­

ной части вычегодской свиты) представлены отло­
жения нижнего венда, охарактеризованного аканто­

1.

морфными акритархами пертататакского типа.

Стратиграфическое
положение уринской свиты

В отложениях верхнего венда (редкинского и
котлинского региоярусов) акритархи пертататак­
ского типа исчезли из разреза, а в основании ред­

Патомский комплекс, который слагает боль­

кинских отложений появились первые представи­

шую часть Патомского и часть Северо-Байкаль­

тели рода

ского нагорий, представляет собой наиболее пол­

Saarina,

отнесенного к древнейшим пого­

1996).

ный и мощный разрез неопротерозоя на южной

Эту форму сопровождали первые остатки вендо­

пассивной окраине Сибирской платформы. Этот

тениевых многоклеточных водорослей

комплекс несогласно залегает как на отложениях

ноформам (Соколов,

1967, 1997;

Гншювская,

Eoholynia,
Archyfasta, Beltanelloides sorichevae, Serebrina cristata, новые формы цианобактерий Orygmatosphaeridium rublginosum, Polytrichoides, Trachysphaeridium, Synsphaeridium и акритархи Satka granulosa,
Octoedryxium inornatum, Spumosina rublginosa, Leiosphaeridia laminarita, Obruchevella valdaica, О. cylindrica, Circumella mogilensis и другие формы
(в общей сложности 30 новых видов). В основа­

двух нижележащих свит тепторгинской серии (пес­
чано-сланцевой пурпольской и более молодой мед­
вежевской, сложенной конгломератами и диамик­
титами

с

прослоями

основных вулканитов, джес­

пелитов и редких оолитовых карбонатов), так и на
прорывающих эти свиты гранитах, имеющих

возраст около

1800 млн лет (Иванов

и др.,

U-Pb
1995).

В составе Патомского комплекса выделяют

нии редкинского региояруса появляются свитые в

три серии: нижнюю баллаганахскую, несогласно

узкие спирали нити родов

и

залегающую на ней дальнетайгинскую и верхнюю

которые в верхней части подразделе­

жуинскую. Баллаганахская серия имеет мощность до

Cochleatina,

Tortunema, Volyniella

ния сопровождаются новыми морфотипами

Oscillatorites wernadskii, Striatella coriacea, Tortunema
siЬirica, акантоморфными акритархами Micrhystridium tornatum и морфологически сложными мик­
рофоссилиями Teophipolia, Ceratophyton и другими

1,5-2,0 км

и представлена главным образом песча­

никами с прослоями диамиктитов, редкими глини­
стыми сланцами, а у кровли

-

известняками, пес­

чанистыми известняками и местами строматолито­

выми доломитами. Дальнетайгинская серия в пре­

родами, а в средней части региояруса появляются

делах Уринского поднятия объединяет четыре

колониальные

согласно залегающие свиты: большепатомскую

цианобактерии

рующие с акритархами

L. tenuissima.

Ostiana, ассоции­
Leiosphaeridia ternata и

(джемкуканскую в альтернативной стратиграфиче­
ской схеме), баракунскую, уринскую и каланчев-


Глава

480

Возраст Серия

>:::

:::

События и факторы эволюции биосферы

IV.

~

Свита

Мачинская

р,

11
1

\О

::;:

Нохтуйская

~

l::Ь
·······
~А. vд

---т-т

Тинновская

D

()

дVдV

1
1

Тирбесская
Жербинская

~
:.:
()

Ченчинская

:::
:::

~

Никольская

1

-~···

......
1

1

1

.:..А"ё;Ь"ё/':J
.1. 1.
1
1-1о 1 о
-1=
1=

Ь:::z:::j

........
11

11
о

Каланчевская

11

11
о

< 647

о

11
о

1

1

о

<::[

:::<1>

1
1
------:=--1

о:!

Уринская

~

~ а

:.:

·········

()

:::
:::~

о 1 о

>:::
ro

1
о

<1>

:::""'.Q

Баракунская

~

о

1

1
11

..______

ч

t--ЛllЛllЛ

е>О)

()
()

Больше-

=

~

патомская

С>

u

~

()~

о

•

0"1

~

о

о)

1 км

~по"

()

о

()

о с:,.
~<E!L!J
С>

.. .·.·
С>-~

>:::
<1>

-&

:::

~

Рис.

1.

'1'-:

~

~
[iJ :.:
~ ()

Мариинская

~

0,5

• 1. 1.
1

~
~ ro

:::

о

1
• 1.

~

t529 10

lvлvлl 2

1~" ~1

11

~
~..
~

12

4

~
[U

5

[QJ

14

Em

6

15

ЕЕЫ

7

[QJ
[g_J

ЕЕЕЕ

8

1<647 117

~

9

1~118

С>

1

о

3

13

16

1.

Разрез Патомского комплекса. Условные обозначения:

1-

ледниковые отложения;

2-

карбонатные брекчии;

3-

конгломераты;

4- песчаники; 5 - глинистые и алевролитовые сланцы; 6 - известняки; 7 - песчанистые известняки;
8 - оолитовые известняки; 9 - строматолитовые известняки; 10 - доломиты; 11 - венчающий доломит (сар dolomite); 12 - мергели; 13 - остатки водорослей Beltane/loides sorichevae; 14 - уринский комплекс акритарх; 15 фауна немакит-далдынского яруса (зоны Anabarites trisu/catus и Purella antique); 16- фауна томмотского яруса (зона
Ajacicyathus sunnaginicus); 17 - U-Pb (SHRIMP) определения обломочных возраста цирконов (Чумаков и др" 2011);
18 скую (рис.

несогласия

1).

Большепатомская свита представлена

мощной толщей (до

1000 км)

марино-гляциальных

толщей темноцветных глинистых и алевритистых

сланцев

(300-350

м), а затем различными карбо­

и континентальных ледниковых отложений, содер­

натами (общей мощностью

жащих прослои конгломератов, песчаников и кар­

митами, тонкозернистыми и оолитовыми извест­

бонатных брекчий (Чумаков, Красильников,

няками, обломочными плоскогалечниковыми из­

Вышележащая баракунская
в

основании

кослоистыми

стью до

5 м,

1991).
свита (600-650 м)

сложена типичными ритмично-тон­
венчающими

доломитами

мощно­

осложненными текстурами «типю>.

Эти породы вверх по разрезу свиты сменяются

вестняками

с

линзами

и

450-500

м)

прослоями

-

доло­

кремней.

Вблизи основания баракунской свиты (в

150 м

выше венчающих доломитов) обнаружены остатки

эдиакарских фоссилий
(Леонов, Рудько,

2012).

Beltanelloides sorichevae


М А. Семихатов и др. Вендская микробиота уринской свиты Патомского комrшекса Средней Сибири

481

верхнюю

глинистые известняки и мергели. В верхней части

часть баракунской свиты, согласно перекрыты урин­

свиты тинновские породы содержат мелкораковин­

ской свитой, которая содержит рассматриваемые в

ную фауну

данной статье акантоморфные микрофоссилии и

antiqиa немакит-далдынского яруса верхнего венда

расчленяется на две подсвиты. Нижняя подсвита

(Хоментовский и др.,

Карбонатные

(250

породы,

слагающие

м) сложена тонкозернистыми песчаниками,

(SSF)

зон

Anabarites trisulcatus
1998; Хоментовский,

и

Purella

Карлова,

Тинновская свита со следами местного раз­

2002).

алевролитами и аргиллитами, содержащими про­

мыва перекрьmается терригенно-карбонатной нох­

слои и линзы мелкозернистых доломитов. Верх­

туйской свитой, вблизи основания которой содер­

няя подсвита

(120

м) представлена серыми и зе­

леновато-серыми, тонкослоистыми, иногда слабо

жится фауна зоны Ajacicyathиs sиnnaginicus

пер­

-

вой зоны томмотского яруса нижнего кембрия.

углистыми аргиллитами и алевролитами с редки­

ми тонкими

(1-1,5

м) прослоями тонкозернистых

Возрастные ограничения

2.

известняков и более редких доломитов.

Патомского комплекса

На уринские осадки согласно налегает калан­

чевская свита

(600-650

м), которая завершает раз­

и уринской свиты

рез дальнетайгинской серии Уринского поднятия.
Каланчевская свита в нижней части представлена

В конце прошлого века в литературе развер­

серыми и темно-серыми известняками, в средней

нулась широкая дискуссия о стратиграфическом

части

возрасте

-

оолитовыми известняками, а в верхней

оолитовыми доломитами.
ская серия

Вышележащая

-

жуин­

м), сложенная главным об­

(1000-1200

разом породами карбонатного состава, расчленя­
ется на две согласно залегающие свиты

(500-750

подразделений

Патомского

шинство исследователей опиралось на состав мик­

рофитолитов

( онколитов

и катаграфий), содержа­

ниж­

щихся в различных сериях комплекса, а также на

м) и верхнюю ченчин­

историко-геологические и отчасти строматолитовые

м). Никольская свита представлена

данные. В результате сложилось мнение, что две

нюю никольскую
скую

-

отдельных

комплекса. При обсуждении этой проблемы боль­

(500-700

мер­

нижние серии Патомского комплекса (баллаганах­

гелями, глинистыми доломитами и подчиненными

скую и дальнетайгинскую) следует относить к сред­

им известняками.

нему рифею (Журавлева и др.,

мелкозернистыми

тонкослоистыми

В

основании

серыми

свиты

залегает

1961; Келлер и др.,
1985; Chumakov, Semikhatov, 1981)

пласт песчаников, заключающих фрагменты разно­

1967;

возрастных обломочных цирконов (Чумаков и др.,

либо к среднему и верхнему рифею (Иванов и др.,

2011).

Вверх по разрезу никольская свита посте­

Се.михатов,

2000) или верхнему рифею (Хо­
1999; Хоментовский, Постни­
2001; Мельников и др., 2005), а верхнюю (жу­

1995;

Дольник,

пенно сменяется ченчинской свитой, сложенной в

ментовский и др.,

нижней части главным образом строматолитовы­

ков,

ми и оолитовыми известняками. Верхняя часть

инскую) серию считать верхнерифейской. Однако

ченчинской свиты состоит из чередования ооли­

вскоре был установлен фациальный контроль за

товых, строматолитовых и алевритовых известня­

пространственно-хронологическим распределением

ков. Количество последних и примесь в них тер­

таксонов микрофитолитов (Се.михатов,

ригенной

ребряков,

компоненты

вверх

по разрезу свиты

1975),

1974;

Се­

а ряд морфологических призна­

увеличивается. Довольно резко (иногда со следа­

ков, использованных при обосновании их систе­

ми перерыва и конгломератами) на ченчинской

матики, оказались вторичными (Радионова,

свите залегает жербинская свита кварцитовидных

Поэтому большинство авторов перестали рассмат­

1972).

глауконитовых песчаников в верхней части кото­

ривать микрофитолиты в качестве биостратигра­

рой обособляется 80-метровая пачка чередования

фического инструмента, хотя отдельные исследо­

известковистых аргиллитов, известняков и доломи­

ватели

тов, содержащих глиптоморфозы галита (эту пачку

ский состав комплексов онколитов и катаграфий

иногда выделяют как тирбесскую свиту). Выше­

при определении возраста верхнедокембриj.ских

лежащая тинновская свита

отложений Сибири

(300-600

м) в основа­

продолжают

Дольник,

2000;

использовать

таксономиче­

(Хоментовский,

Станевич и др.,

Постников,

2007).

Что

нии состоит из песчаников и алевролитов, пере­

2001;

ходящих вверх по разрезу в карбонатные брекчии,

же касается строматолитов Патомского комплекса


482

Глава

IV.

События и факторы эволюции биосферы

и его аналогов в Южной Сибири, то они при бли­

той разновозрастной выборки обломочных цирко­

жайшем рассмотрении оказались членами особой

нов в базальной терригенной пачке никольской сви­

(южно-сибирской)

ты, что позволило использовать

строматолитовой

провинции,

U-Pb

(SНRIМP)

отличающейся высоким содержанием эндемичных

метод для определения возраста этих цирконов и

таксонов ( Семихатов,

установления

1985; Semikhatov, 1991),

что,

естественно, снизило их роль в определении воз­

нижнего

возрастного

кольских отложений (Чумаков и др.,

предела

ни­

2011).

Образцы никольской свиты, содержащие об­

раста вмещающих пород.

Вместе с тем широкую популярность среди

ломочные цирконы, были взяты на левом берегу

российских исследователей приобрела точка зре­

р. Ура в

ния, согласно которой границы главных стратигра­

раста выполнены в Центре изотопных исследова­

фических подразделений верхнего докембрия сле­

ний Всероссийского научно-исследовательского

дует определять событийными рубежами (этапами

института в Санкт-Петербурге. Среди обломочных

тектонических перестроек) и что два таких рубежа

цирконов, выделенных из никольской свиты, на

обособляют новое Общее стратиграфическое под­

кривой относительной вероятности по отношениям
206
238
207
206

1 км

выше ее устья, а определения их воз­

лет назад), который предшествует венду и

рь; U и
РЫ РЬ выделяются пики, равные
2900, 2700, 2500, 2000 и 1800 млн лет, что свиде­

в Байкало-Патомском нагорье представлен дальне­

тельствует о размыве архейского и нижнепротеро­

тайгинскими и жуинскими отложениями (Хомен­

зо йского фундамента Сибирской платформы.

разделение неопротерозоя России

650 млн

товский

-

байкалий

(850-

и др.,

1999; Хоментовский, Постников,
2001; Хоментовский, 2002 и ссылки в этих работах).
Использовать

Для целей настоящего исследования наиболь­
ший интерес представляет самая молодая выборка

изотопно-геохронологические

цирконов, вьщеленных из никольской свиты. Цир­

данные для разрешения противоречий в датировании

коны этой выборки разделяются на две группы

Патомск9го комплекса воспрепятствовал тот факт,

206

238

попытка применить

как по
РЬ/ U возрасту, так и по отношению
238
232
Th/ U. Более древняя группа зерен обладает
232
отношением ThP38u от 0,4 до 1,1 и в координатах

осадочные геохронометры (валовые пробы глини­

2обрь;2зsu - 201рь;2зsu группируется вокруг конкор-

стых пород, Виноградов и др.,

дии с возрастом

in

что в разрезе комплекса нет залегающих
матических геохронометров,

а

sitи маг­

1996) априори привела
2003).

к недостоверным результатам (Горохов и др.,

Первым, кто усомнился в рифейском возрасте

704,3 ± 4,5 млн лет (1 cr, MSWD =
0,90). Более молодая группа зерен отличается
пониженным отношением 232 Th/238 U от 0,2 до О, 7

=

двух верхних серий Патомского комплекса, был

и в указанных координатах образует конкордию с

Ю. К Советов, который отнес их к венду

возрастом

2002).

(Sovetov,

К такому заключению он пришел на основе

межрегиональных корреляций и палеогеографиче­

646,9 ± 3,4 млн лет (lcr, n = 48, MSWD =

= 0,0077). Таким образом, полученные значения
U-Pb (SHRIMP) возраста обломочных цирконов

ских построений. Затем были получены детальные

определенно указывают на то, что базальные пес­

хемостратиграфические данные, подтверждающие

чаники никольской свиты моложе

этот вывод (Покровский и др.,

Обнаружи­

лет, то есть они моложе принимаемой сейчас изо­

лись исключительно большие вариации значений

топной датировки нижней границы венда, равной

s:IЗC

u ·

2006).

v

v

v

в верхнеи части дальнетаигинскои серии и

в жуинской серии от+

8,1

до

-12,5 %0,

характер­

ные только для верхов позднего протерозоя

545

(750-

млн лет назад), и высокие минимальные от-

87S r;sбS r

б онатах

646,9 ± 3,4 млн

650 млн лет (Семихатов, 2009; Дополнения"" 2000).
Однако полученное значение вовсе не означает,
что данная свита относится к нижнему венду,

-

оно определяет лишь нижний предел возраста ни­

дальнетаигинскои

кольской свиты. Минимальный возрастной предел

и жуинской серий (О, 70725-0, 70799), что еще бо­

жуинской серии определяется тем, что в вышеле­

лее

жащих породах (в тинновской свите) содержится

ношения

сузило

в кар

возможные

возрастные

v

v

пределы

для

двух верхних серий Патомского комплекса. Оконча­

мелкораковинная фауна зон

тельно решила проблему находка в верхней части

и Pиrella

уринской свиты богатого комплекса микрофосси­

немакит-далдынского яруса венда. Таким образом,

лий пертататакского типа (Воробьева и др"

Sergeev et а!" 2011)

antiqua,

Anabarites

trisиlcatиs

принадлежащих верхней части

2008,

самые молодые обломочные цирконы из основания

и обнаружение достаточно бога-

никольской свиты имеют статистически достовер-


М. А. Семихатов и др. Вендская микробиота уринской свиты Патомского комrшекса Средней Сибири

РЬ/238U возраст, равный 646,9 ± 3,4 млн лет.

Минимальный возрастной предел верхней час­

Поэтому жуинская свита должна быть отнесена

ти дальнетайгинской серии Патомского комплек­

1С венду. С этим выводом согласуются

са, залегающей выше венчающих доломитов ба­

ный

206

483

Sr/86 Sr хе­
мостратиграфические данные (Горохов и др., 1995;
Покровский и др., 2006; Halverson et al., 2007; Лет­
никова и др., 2006) и, главное, те факты, что в под­

эдиакарских ископаемых

стилающей жуинскую серию дальнетайгинской

(Леонов, Рудько,

серии (в уринской свите) найден представитель­

зах Беломорья распространены от средних гори­

ный нижневендский комплекс акритарх пертата­

зонтов усть-пинежской свиты терминальной час­

такского типа (Чумаков и др.,

ти редкинского регионального яруса до основания

2008; Голубкова и др.,

2007; Воробьева и др.,
2010; Сергеев и др., 2010), а в

вышележащего котлинского региояруса

баракунской свите (предшествующей уринской)

et al" 2007). В своем вертикальном распростране­
нии В. sorichevae в Беломорских разрезах спуска­

87

обнаружены остатки бесскелетных ископаемых
венда

Beltanelloides sorichevae

2012).

Среди обломочных цирконов, найденных в

(Леонов, Рудько,

песчаниках жербинской свиты, наблюдаются раз­

ракунской свиты, устанавливается по находкам

стратиграфически выше упомянутых доломитов

2012).

Beltanelloides sorichevae

Эти ископаемые в разре­

(Fedonkin

ются заметно ниже того уровня редкинских отло­

жений, для которых получен
раст вулканогенного

U-Pb (SНRIМP) воз­
циркона 558 ± 1 млн лет, и

ности, сходные с присутствующими в никольской

поднимается несколько выше того уровня, который

свите, но данная выборка представлена единичны­

датирован

555,3 ± 3 млн лет (Martin et а/., 2000).

ми зернами. Вероятно, это связано с разбавлением
цирконовой фракции при переотложении вмещаю­
щих осадков и повторном их захоронении. Таким

3.

Локализация материала

образом, в результате изотопного датирования об­

и методы его изучения

ломочных цирконов из никольской свиты получены

новые данные, в результате которых коренным об­

Первые находки крупных акантоморфных ак­

разом меняются сложившиеся взгляды на историю

ритарх на юге Средней Сибири были сделаны в

геологического развития обширной нефтеносной и

1980-х годах в кернах буровых скважин на Непско­

золотоносной территории Средней Сибири.

Ботуобинской антеклизе в отложениях непского

хемостратиграфиче­

горизонта, а содержащиеся в нем микрофоссилии

ские данные позволяют уточнить возрастное по­

были обособлены как комплекс IПб (Волкова и др.,

Упоминавшиеся

выше

Пятилетов,

1980;

карбонатные породы

Большинство специалистов довольно долгое время

никольской и

ченчинской

1980;

Файзуллина и др"

ложение жуинской серии. Во-первых, почти все

1982).

свит характеризуются очень крупной (от -5%о до

полагали, что присутствующие в этом комплексе

-13%0 V-PDB) и протяженной отрицательной ано­
13
малией 5 С (Покровский и др" 2006), сопостави­

шиповатые оболочки относятся к различным ви­

дам рода

Baltisphaeridium,

мой по своим масштабам со среднеэдиакарской

тиского

комплекса

Шурамской аномалией Омана и аномалией Доун­

Восточно-Европейской платформы, и потому весь

се Южного Китая, имеющих возраст в пределах

комплекс Пlб и вмещающие его породы должны

600-550 млн лет (Le Guerroue et а/., 2006 а, Ь;
Rieu et а/., 2007; Zhou et а/., 2007). Эта аномалия

быть отнесены к нижнему кембрию и сопостав­

лены с люкатискими отложениями (Волкова и др.,

находит своего аналога и в отрицательной нижне­

1980;

вендской (нижнеюдомской) аномалии Учуро-Май­
ского региона Сибири (Семихатов и др.,

2004).

Во-вторых, жуинские известняки выделяются наи­
87
86

более вероятными значениями Sr/ Sr, лежащими
0,70786-0,70942 (Горохов и др., 1995;
Покровский и др" 2006), которые согласуются с
87
86
величинами Sr/ Sr, характерными для карбонатов
с возрастом 600-550 млн лет в других регионах
(Летникова и др., 2006; Halverson et а/., 2007).
в пределах

характерным для люка­

акритарх

нижнего

кембрия

Рудавская,

1985; Moczydlowska, Vidal, 1988;
Рудавская, Васильева, 1989). В противовес изло­
женной точке зрения В. Г. Пятилетов (1980) и
В. В. Хоментовский с соавторами (1987) допускали,
что на Сибирской платформе представители рода

Baltisphaeridium

появляются

уже

в

юдоуских

(верхнедокембрийских) отложениях, но это мне­
ние не получило серьезного подтверждения.

Изучение наиболее представительных аканто­
морфных акритарх центральных и юго-восточных


Глава

484

IV.

События и факторы эволюции биосферы

районов Средней Сибири, проведенное М. Мочад­

торый расположен между лахандинским и венд­

ловской с коллегами, привело их к выводу, что

ским этапами (Наговицын и др.,

упомянутые акритархи должны быть отнесены к

точка зрения о принадлежности уринской свиты к

родам, присутствующим в формации пертататака

верхнерифейскому

Австралии

делению

-

Appendisphaera, Cavaspina

и

Tana-

но при этом весь комплекс IПб бьm ошибочно

rium,

отнесен к верхнему, а не к нижнему венду

(Moczyd-

Zowska et а!., 1993).

-

В итоге

2004).

стратиграфическому

к байкалию

подраз­

якобы получила новое

-

подтверждение. При этом байкалий рассматри­
вался как подразделение низкого ранга и тракто­

вался в качестве регионального яруса Сибирской

Что же касается микрофоссилий, содержа­

платформы (Фазуллин,

1998; Наговицын и др., 2004),

щихся в восточной части Байкало-Патомского на­

а не как нововведенная единица Общей страти­

горья

графической шкалы России

-

в уринской свите Уринского поднятия, то

находки В. Г. Пятилетовым

(1983)

этой уникаль­

темы рифея (Хоментовский,

- завершающей
2002).

эра­

ной по таксономическому разнообразию и степе­

Проведенное в последние годы изучение урин­

ни сохранности биоты сразу обратили на себя

ской микробиоты доказало, что типоморфными ее

внимание. Однако при первоначальном ее изуче­

представителями являются акантоморфные акритар­

нии, как справедливо подчеркнули Е. Ю. Голубкова

хи пертататакского типа, и поставило вопрос о сход­

и ее соавторы

стве близких по таксономическому составу биот.

(2010,

с.

18-19), установленный

так­

сономический состав микробиоты вызвал замеша­

В настоящей статье обобщены сведения о

тельство специалистов, так как в составе биоты

таксономическом

были определены типоморфные верхнерифейские

эволюционном значении уринской микробиоты,

формы

(Trachyhystrichosphaera, Palaeovaucheria,
Turukhanica), палеозойские таксоны (Lophodiacrodium, Oodium, Polygonium, Veryhachium ), вендские

полученные при изучении материала, собранно­

виды пертататакского облика и большое количество

Генерализованные

оболочек сложной формы, ранее не известных на

60°16'02,27" с.

Сибирской платформе (Пятилетов,

микропалеонтологического

товский и др.,

1998;

Файзуллин,

1983; Хомен­
1998). Такой гете­

го в

2005

составе,

изотопном

возрасте

и

г. Н. М. Чумаковым в стратотипе урин­

ской свиты нар. Ура в

ш.;

5,5

км от ее устья (рис. lБ).

координаты

стратотипа

117°06'36,10" в.

пород отбирались через

д. Образцы для

изучения

1-1,5

-

уринских

м на крьmьях анти­

рогенный состав микробиоты первоначально пы­

клинальной складки, расположенной вблизи устья

тались объяснить явлениями палеовмыва в урин­

р. Ура, в типовом разрезе уринской свиты. К сожа­

ские отложения более молодых микрофоссилий

лению, большая часть собранных образцов содер­

на стадии эпигенеза патомских пород (Пятиле­

жала остатки микрофоссилий плохой сохранности.

тов,

Только в верхних

1983;

Хоментовский,

1984).

Эта ошибочная

идея палеовмыва микрофоссилий в подстилаю­
щие

отложения

приобрела

широкую

20 м

свиты в разрезе западного

крыла Уринской антиклинали были обнаружены

популяр­

образцы с высокой степенью сохранности палео­

ность после того, как С. Н. Наумова обнаружила

нтологического материала. Эта часть свиты отли­

нижнекаменноугольные формы микрофоссилий в

чается несколько повышенной ролью в ее сложе­

тончайших трещинах в архейских гнейсах Укра­

нии аргиллитов и глинистых алевролитов, а также

инского щита (Шатский,

редких 1,0-1,5-метровых прослоев черных извест­

1957).

Первым специа­
природу ос­

няков и доломитов. Видимо, верхняя часть урин­

татков уринских микрофоссилий, был М. Ш. Фай­

ской свиты накапливалась в относительно глу­

листом, кто доказал сингенетичную

зуллин

(1998),

который установил тождество ряда

боководных обстановках ниже воздействия волн

уринских морфотипов с присутствующими в ти­

хорошей погоды (Чумаков и др.

повой пертататакской ассоциации в Австралии.

становках уринские акантоморфные микрофосси­

Последним обращением к якобы «смешанно­

лии

осаждались

из

планктона

2007).
и

В этих об­

захоронялись

му» таксономическому составу уринской микро­

главным образом в их прижизненном местооби­

биоты была статья К. Е. Наговицына и его соавто­

тании, а вместе с ними попадали в осадок циано­

ров, в которой выдвигалось провизорное предпо­

бактерии и водоросли, которые приносились вод­

ложение, что эта биота отражает самостоятельный

ными потоками из более мелководных мест оби­

эволюционный этап развития микрофоссилий, ко-

тания к месту захоронения.


М А. Семихатов и др. Вендская микробиота уринской свиты Патомского комплекса Средней Сибири

485

Детальное таксономическое описание урин­

видов, описанных неформально). Присутствую­

ской микробиоты, собранной в стратотипе свиты,

щие микрофоссилии по морфологии разделяются

приведено в статье В. Н. Сергеева с соавторами

на четыре категории:

(Sergeev et а!., 2011),

хи,

2)

микрофоссилий хранятся в Палеонтологической

3)

нитчатые микрофоссилии и

коллекции Геологического института Российской

различной морфологии, обычно обладающие сред­

академии наук, коллекция №

ней степенью сохранности. Последние три категории

а изученные экземrmяры

14701.

При изучении собранной коллекции на пер­
вой стадии ее исследования все образцы подвер­

1)

акантоморфные акритар­

сфероморфные и нетроморфные акритархи,

4)

микроостатки

включают в себя главным образом микрофоссилии
очень

широкого

вертикального

гались мягкой механической обработке (дробле­

часть из которых

нию). Дезинтегрированные образцы растворялись

Aimia

в соляной кислоте, а остатки от обработки в

распространения,

(Leiosphaeridia, Siphonophycus,

и др.) проходят через рифей, а иногда и венд.

HCl

Ключевыми для определения стратиграфического

подвергались растворению в плавиковой кислоте.

возраста уринской микробиоты служат многочис­

Сохранившиеся в растворе акритархи и другие

ленные акантоморфные акритархи пертататакско­

органические остатки выбирались вручную под

го типа.

бинокулярным микроскопом. Эта методика по­

Акантоморфные акритархи уринской микро­

зволила избежать центрифугирования раствора и

биоты.

обработки микрофоссилий в тяжелой жидкости,

уринской микробиоты являются морфологически

что

обеспечило

сохранность

морфологически

Наиболее

обильными

представителями

простые коккоидные и нитчатые формы
акритархи

-

и

сфе­

сложных и легко разрушаемых элементов строе­

роморфные

ния акантоморфных акритарх и сопутствующих

чехлы

форм. При изготовлении препаратов использовал­

таксономически главную часть микробиоты со­

Leiosphaeridia

гормогониевых

цианобактерий.

полые
Однако

ся канадский бальзам с добавлением полипропи­

ставляют многочисленные и разнообразные круп­

ленового эфира. Подобная смесь жестко фиксирует

ные акантоморфные акритархи пертататакского

микрофоссилии в препаратах и не обнаруживает

типа, представленные

следов перекристаллизации при хранении образ­

особенностью этих таксонов являются крупные

цов. Цифровые микрофотографии всего иллюст­

размеры (свыше

рированного материала были сделаны с использо­

имущественно сферические оболочки,

ванием произведенных в Германии оптических

на поверхности

микроскопов RМЕ-5 и

сложные выросты, которые обычно распределены

оборудованных японской цифровой камерой

симметрично, а иногда и нерегулярно на поверх­

on 3000

и германской

Carl Zeiss Axio Imager.A 1,
Canкамерой AxioCam MRc 5.

19

видами. Отличительной

100 мкм

в диаметре), их пре­

разнообразные,

несущие

иногда весьма

ности акритарх.

Самыми многочисленными уринскими акан­

томорфными акритархами являются представители

4.

Таксономический состав

рода

и биологическая

ки с

Appendisphaera (А. tenuis

оболоч­

sp.) -

интерпретация микрофоссилий

ковидными выростами. Они составляют прибли­

уринской свиты

зительно

1-3) присут­
ствуют 36 видов микрофоссилий (в том числе 6
2

ся

присутствующих акантоморфид и

Уже после того как наша работа была сдана в печать, была
К. Е. Наговицина

10 %

микроостатков

уринской

phaera
опубликована статья М. Мочадловской и

20 %

приблизительно

В составе уринской свиты (табл.

свиты

в

популяции.

представители

(Grey, 2005).

оболочки рода

согласны

с таксономическим

предложениями

данной статьи, поэтому ее критический анализ будет выпол­
нен в последующих наших публикациях.

Appendis-

(Moczydlowska, 2005)

визией таксономического состава уринской микробиоты. Мы
не

рода

пределами

и Авст­

В составе другого важного ро­

да, представляющего около

многом

За

широко распространены в нижневендских

отложениях Сибири
ралии

всех хорошо сохранивших­

(Moczydlowska М, Nagovitsin К. Eriacaran radiation of organicwalled microbiota recorded in the Ura Formation, Patom Uplift,
East Siberia// Precambrian Res. 2012. V. 198-199. Р. 1-24) с ре­
во

и А.

многочисленными непрозрачными волосин­

7%

всех уринских

акантоморфид, входят однослойные сферические

Tanarium,

представленные в урин­

ской свите тремя видами: Т

sum

и Т

conoideum, Т tuberodigitiformum (Sergeev et а!., 2011). Одними


Глава

486

IV.

События и факторы эволюции биосферы

из наиболее показательных элементов уринской

диаметр меньше

200 мкм,

микробиоты являются недавно описанные таксо­

превосходит

ны

похожие цисты некоторых динофлагеллят дости­

крупные сфе­

Ancorosphaeridium magnum -

100 мкм.

а у большинства он не

В отличие от этого внешне

ваются якореподобным закруглением, и морфоло­

30-80 мкм в диаметре, а диноцисты, превы­
шающие 200 мкм, неизвестны (Sarjeant et al.,
1987; Finkel et al., 2007). Это ограничение размера

гически близкий к нему

объясняется конечным значением диффузионного

роидальные оболочки с небольшим количеством
протяженных пустых выростов, которые заканчи­

Ancorosphaeridium minor,

гают

но обладающий более мелкими размерами. Три

потока

других

в

пределах

клеток,

протекающего

через

таксона,

цитоплазматическую мембрану и клеточную стенку

доминирующих среди акантоморфных акритарх

у фитопланктонных микроорганизмов, лишенных

микробиоты (Dicrospinasphaera virgata, Variomargosphaeridium litosclium и Archaeotunisphaeridium
aff. fimbriatum ), представляют собой сферические

крупных внутренних вакуолей

оболочки с гетероморфными полыми выростами,

не создают морфологически причудливые структу­

которые открываются свободно в полость сфе­

ры, сопоставимые с наблюдаемыми у крупных ор­

роида. Эти виды описаны ранее среди пертататак­

наментированных эдиакарских микрофоссилий или

ских микрофоссилий в Австралии

КОЭМ

биостратиграфически

важных

(Grey, 2005).

(Beardall, 2009). Фи­
500 мкм в диа­

комы празинофит могут достигать

метре, но ни современные, ни ископаемые формы

(Cohen et al., 2009).

Зеленые морские водо­

В отличие от этого, присутствующая в уринской

росли образуют морфологически подобные цисты

свите

со

ских

помимо Австралий­

?Sinosphaera rupina,
остатков

органостенных

акритарх,

переки­

сложно

построенными

и

разветвленными

вы­

ростами, подобные известным у их раннекембрий­

дывает мост и с ассоциацией окремненных мик­

ских представителей

рофоссилий,

зигоспоры отличатся от КОЭМ примерно на поря­

присутствующей

в

средней

формации Доушаньто Южного Китая

2007),

известны

в

Bullatosphaera velata

за пределами уринской

Eotylotopalla strobllata

свиты

(Zhou et al.,

нижневендских

отложениях

(Moczydlowska, 2010),

док величины (обычно

а немногочисленные двойные оболочки со

сфероидальными выростами
и

части

10-60 мкм в диаметре).

Среди существующих организмов только не­
сколько групп беспозвоночных животных в своем
жизненном цикле образуют зооцисты

egg cysts),
и

манской депрессии на северо-востоке Восточно­

Marcus, 1993; Marcus, Boero, 1998).

(Vorob'eva et al., 2009 а).

в

размерах,

ческое

(diapause

которые соответствуют таксонам КОЭМ

(в составе кельтминской микробиоты) в Прити­
Европейской платформы

но эти

сходство

и

в

морфологии

подтверждается

(van Waveren,
и

Морфометри­
результатами

Достаточно редкие в составе уринской микробио­

изучения КОЭМ при помощи трансмиссионной

ты

представляют собой

электронной микроскопии. Исследование нижне­

сфероидальные оболочки, покрытые многочислен­

вендских акантоморфных акритарх из формации

Knollisphaeridium maximum

ными

короткими

minutum

шипами,

характеризуется

а

Gyalosphaeridium

наличием

достаточно

Таннана бассейна Офисер в Австралии, показали,
что

ультраструктура

стенки

этих

ископаемых

ха­

крупных гетероморфных и гомоморфных вырос­

рактеризуется наличием трех слоев, сопоставимых

тов. Редко распространенными в уринской биоте,

с наблюдаемой у яиц современных ракообразных и

но характерными для нее являются акантоморфные

губок

акритархи с небо:Jiьшими выростами

Cavaspina

вания, проведенные на микрофоссилиях из форма­

cf acuminata и ранее описанные М. Ш. Файзулли­
ным (1998) и К. Е. Наговицыным с соавторами (На­
говицын и др., 2004) Cavaspina basiconica, Eotylotopalla aff. delicata и Appendisphaera minima, кото­

ции Доушаньто Южного Китая, выявили присутст­

рые отсутствуют в нашем материале.

разом, по крайней мере некоторые нижневендские

Акантоморфные акритархи обычно относят к
водорослям,

но

крупные

орнаментированные

уринские формы не содержат необходимых при­

(Cohen et al., 2009).

Параллельные исследо­

вие эмбрионов внутри крупной и морфологически
сложной акантоморфной акритархи Тianzhushania

(Yin et al., 2007, 2008; Cohen et al., 2009).

Таким об­

КОЭМ представляют собой зооцисты беспозво­
ночных, а ЭКАП уринской свиты фиксирует ран­
ние стадии диверсификации животных.

знаков для такого определения. Все известные ди­

Ряд представителей акантоморфных акритарх

ноцисты и зигоспоры зеленых водорослей имеют

пертататакского типа, присутствующих в уринской


М А. Семихатов и др. Вендская микробиота уринской свиты Патомского комплекса Средней Сибири

487

Таблица

1

Микрофоссилии уринской свиты нижнего венда (Патомское нагорье)

Объяс11е11ие. 1 -Tanarium conoideum, экз. № 2-2005-6-1-3, колл. № 14701-11; 2 Dicrospinasphaera virgata; экз.
2-2005-11-9-4, колл. № 14701-364; R59[1] (координаты England Finder); 3 - Tanarium digitiformum; экз. № 2-200511-17-5; колл. № 14701-457; N-N61[4]; 4 - Кnollisphaeridium maximum; экз. № 2-2005-9-13-3, колл. № 14701-236;
J64[0]; 5 - Unnamed Form 3; экз. № 2-2005-8-7-4; колл. № 14701-95; Q55[4]; 6 - Unnamed Form 2; экз. № 2-2005-10-6-56; колл. № 14701-292; Р73[2]; 7 - Archaeotunisphaeridium aff. fimbriatum; экз. № 2-2005-8-6-5; колл. № 14701-90;
L60[1]; 8 - Schizofusa zangwenlongii; экз. № 2-2005-9-8-1; колл. № 14701-213; 9 - Leiosphaeridia sp.; экз. № ~2005-916-4; колл. № 14701-253; 10-Siphonophycus sp.; экз. № 2-2005-8-14-2Ь; колл. № 14701-142.
Все изображенные экземпляры хранятся в ГИН РАН, г. Москва, колл. № 14701. Увеличение: одинарная линейка 50 мкм, двойная линейка - 100 мкм.

№


Глава

488

События и факторы эволюции биосферы

IV.

'"u

~~
Utr'>

~:.! =-в~
" "'
= <;
:.!
е
Q

Q

Tanarium irregulareCeratosphaeridium glaberosumMultifronsphaeridium pelorium

.:: '

~:21

§о

""'=
...:=
~~

~
u

~

~

.::

~

u

г

~
~

~

~

=

=

=
g~

Leiosphaeridia jacutica Leiosphaeridia crassa

а~~
о

>:S:
:s:•:S:

Тиллиты
Марино?

,Q

~!;;!

А

А. anguina
Alicesphaeridium medusoideum

:i::

Leiosphaeridia jacuticaLeiosphaeridia crassa

w

и морфологически простые

u

формы

о::
о::

Trachyhystrichosphaera aimikaProlatofoгma aculeata

D.

~

~=u

:J:W
х&
D. :s:
w D.
ID

Б

Tanarium conoideum

= Appendisphaera aff.

<:[

<u

Марино

~

о::
о::

~.::

Тиллиты

2.

=
=
u

Tanarium conoideumSchizofusa zhanwenlongiiVariomargosphaeridium litoschum

=
=
"";.,

Appendisphaera barbata
Alicesphaeridium medusoideum
Gyalosphaeridium pulchrum-

=iS::'
~§,

Q

~

:о~ Tanarium conoideumОо
.::=: Schizofusa risoria>:::1:::1
!2~ Variomargosphaeridium litoschum
u=
~о

Рис.

" ;=~Ё
" =

~=

=~

Комплексная зона

'=

":.:...

~~
<u

Ceratosphaeridium miraЬileDistosphaera australicaApodastoides verobturatus

о<

ПЛАТФОРМА

Комплексная зона

Свита

Комплексная зона

~=:;-

ВОСТОЧНО-ЕВРОПЕЙСКАЯ

ПАТОМСКОЕ НАГОРЬЕ

АВСТРАЛИЯ

:i::
;зе

:s:

:i::

в

Сопоставление нижневендских (эдиакарских) разрезов: А-Австралии
рья

(Sergeev et а/., 2011);

В

-

Восточно-Европейской платформы

акантоморфных акритарх. Сокращения: ЭЛП

(ELP) -

(Grey, 2005); Б- Байкало-Патомского наго­
(Vorob'eva et а/., 2009а) по зональным комплексам

эдиакарская лейосферидиевая палинофлора

свите, развиты в аналогах этой свиты в юго-вос­

более редкие

точной окраине Сибирской платформы и в обрам­

ной статье подробно не анализируются. Медиаль­

Aimia aff. gigantica,

которые в дан­

ляющих сооружениях Байкало-Патомского нагорья

но расщепленные веретеновидные оболочки

к западу от

zofusa zangwenlongii,

122° в.

д. и к востоку от

106° в. д.

Разви­

тые в очерченном ареале пертататакские акритархи

Schi-

присутствующие в уринской

свите, также могли бы быть включены в формаль­

присутствуют в различных структурно-фациальных

ный род

обстановках и в соответствии с этим по латерали

лочек у

изменяют свое таксономическое разнообразие (Го­

ным, что позволило сохранить данный таксон как

лубкова и др.,

отдельный род

201 О).

На фоне этого разнообразия

Leiosphaeridia, но способ разделения обо­
SchizojUsa оказался достаточно специфич­

(Grey, 2005).

Лейосферидии обычно

наиболее обильной и характерной микробиотой яв­

интерпретируются как фикомы празинофитовых

ляется рассмотренная вьппе микробиота верхней

зеленых морских водорослей (Таррап,

части уринской свиты

1980),

и этот

Присут­

вывод является наиболее корректной интерпрета­

ствующие здесь ископаемые свидетельствуют, что

цией для большинства представителей данного ро­

охарактеризованные

да. Недавно проведенное изучение некоторых кем­

второй зоне (рис.

2),

(Sergeev et а!., 2011).

ими

отложения

относятся

ко

выделенной К. Грей в типовых

австралийских разрезах

(Grey, 2005).

брийских

и

электронным

протерозойских
микроскопом

лейосферидий

позволило

под

выявить

у

Сфероморфные и нетроморфные акритархи.

изученных форм наличие характерной трехслой­

Заметную роль в уринской микробиоте играют

ной ультраструктуры чехла и эта особенность по­

сфероморфные акритархи,

ставленными формами. Эти неорнаментированные

зволила интерпретировать некоторые Leiosphaeridia как зеленые морские водоросли порядков Volvocales или Chlorococcales (Talyzina, Moczydlowska,
2000; Moczydlowska, 2010; Moczydlowska et а!., 2010).

сфероморфные ископаемые с очень широким диа­

Играющий незаметную роль в наборе уринских

которые распростра­

нены по всему разрезу уринской свиты и в некото­
рых горизонтах являются наиболее богато пред­

пазоном

вертикального

распространения,

чают в себя преобладающие

вклю­

Leiosphaeridia spp.

и

нетроморфных акритарх

Ceratophyton sp"

ляет собой коническую структуру длиной

представ­

600 мкм,


М А. Семихатов и др. Вендская микробиота уринской свиты Патомского комплекса Средней Сибири

489

Таблица

2

Микрофоссилии уринской свиты нижнего венда (Патомское нагорье)

Объяснение. 1 Ancorosphaeridium magnum; экз. № 2-2005-11-17-12; колл. № 14701--464; Q30[3]; 2 Variomargosphaeridium litoschum; экз. № 2-2005-11-11-12; колл. № 14701-380; 3 - Ancorosphaeridium magnum; экз.
№ 2-2005-12-3-2; колл. № 14701--483; J57[0]; 4 Appendisphaera tenuis; экз. № 2-2005-10-5-9; колл. № 14701-7J;4;
5 - Appendisphaera sp.; экз. № 2-2005-11-8-3; колл. № 14701-358; 6 - Appendisphaera tenuis; экз. № 2-2005-11-12-14;
колл. № 14701-397.


Глава

490

IV.

События и факторы эволюции биосферы

осложненную параллельными складками. Эга форма
внешне сходна с

Ceratophyton vernicosиm,

описанным

из нижнекембрийских отложений (Волкова и др.,

1980),

но возможно представляет собой фрагмент

ками эукариотных организмов. Так, оболочки с
шееобразным изгибом (раскрытием) на одной сто­
роне (Иппатеd

Form 1)

могут представлять акан­

томорфные акритархи или фрагменты крупных

пока точно не определенного более крупного мор­

бентосных

фотипа. Встреченные в уринской свите эллипсои­

зрачные

дальные оболочки с

внешними слоями объединены в Иппатеd

определенные как

cf

параллельными складками,

Сиситifоrта

sp.,

могут пред­

ставлять собой п.iюхо сохранившиеся экземпляры

организмов.

оболочки

и Иппатеd

с

Сфероидальные

различными

непро­

выростами

которые, вероятно, представ­

Form 5,

ляют собою плохо сохранившиеся остатки раз­

рода Сиситifоrта или же сжатые вместе сфериче­

личных акантоморфных акритарх, таких как

ские оболочки рода Leiosphaeridia.

rium,

Нитчатые микрофоссилии и микроостатки

теd

являющиеся

ные

эукариотных

прокариотных,

микроорганизмов,

так и

составляют

не­

TanaDicrospinasphaera

Varioтargosphaeridium,

или других форм. Двухслойные оболочки Иппа­

различной морфологии. Нитчатые микрофоссилии,
остатками как

и

Form 4

Form 3
в

по морфологии напоминают извест­

верхнем

протерозое

Редко присутствующие

в

зеленые

водоросли.

уринской микробиоте

значительную часть уринской микробиоты. Наи­

протяженные оболочки длиной до

более обычны среди них полые цилиндрические

дающие раскрытием на одной стороне (Иппатеd

чехлы из так называемых цианобактерий

Form 2)

(Lyngbya!Phormidiит!Plectoneтa)

spp.

Реже встречается

Polytrichoides

LPP типа

150 мкм

и обла­

внешне напоминают вазообразные панцир­

Siphonophycиs

ные амебы, появившиеся и широко распространен­

lineatиs, пред­

ные в отложениях с возрастом

ставленный несколькими параллельными трихо­

моложе

(Porter et al., 2003).

800-7 50 млн

лет и

Однако органическое

мами, окруженными общим чехлом, и удлиненные

вещество в уринских микрофоссилиях явно отли­

гладкостенные тела Digitиs fulvus. Более крупными

чается от вещества (протеина), присутствующего в

представителями уринской микробиоты являются

этих ископаемых и в современных амебах. Другим

спирально-цилиндрические

возможным

нити

цианобактерий

сравнением

рассматриваемой

Obruchevella sp., а также Oscillatoriopsis sp., Palaeolyngbya sp. и Palaeovaucheria clavata, которые в

(Ниа

нашем материале не найдены, но описаны ранее

ископаемых, описанных в литературе

М. Ш. Файзуллиным

1998; Наговицин et al., 2004; Голубкова

три

Последние

(Faizullin, 1998).

вида микрофоссилий

объединены

в работе

урин­

ской микрофоссилии могут быть фораминиферы

et а/., 2010).

Несколько иных видов уринских

( Файзуллин,
и др., 2010),

авторы вслед за В. Н. Сергеевым и его коллегами

В. Н. Сергеева с соавторами как одна форма (Sшgeev

(Sergeev et а/., 2011)

et а/., 2011),

чески измененные формы или младшие синонимы

а в данной статье фигурируют как не­

формальный таксон Unnaтedfilaтentous тicrofossils.

рассматривают как диагенети­

описанных таксонов.

Кроме названных выше таксонов, в уринской

свите встречаются неветвящиеся полые трубчатые
тела

45-90 мкм

в диаметре, которые несут множе­

ство поперечных ребер, описанные как

Rugosoopsis

tenиis. Точная биологическая природа этого иско­
паемого остается неясной, но его большой размер и
относительно сложная морфология свидетельству­
ют в пользу его эукариотной природы. Вероятными

5.

Биостратиграфическое
значение ассоциации

микрофоссилий уринской
свиты в контексте

глобального распространения

остатками эукариот являются также редкие в урин­

нижневендских микробиот

ской свите неветвящиеся большие трубчатые обра­

пертататакского типа

зования

(50--65

мкм в диаметре) с характерными

темными кольцами Segmentothallиs
Часть

форм,

aff. S. aspersa.

присутствующих

в

уринской

Таким образом, уринская микробиота харак­
теризуется присутствием

19

видов акантоморф­

микробиоте, описаны неформально из-за их пло­

ных акритарх пертататакского типа в верхней па­

хой сохранности и отсутствия четких диагности­

леонтологически наиболее богато охарактеризо­

ческих признаков. Все эти формы являются остат-

ванной пачке уринской свиты (рис.

2).

Эти данные


МА. Семихатов и др. Вендская микробиота уринской свиты Патомского комплекса Средней Сибири

491

отложений нижневендского Амадеусского биого­

1992; Moczydlowska et а/.,
1993; Zhang et а/., 1998; Тiwari, Кпо//, 1994;
Moczydlowska, 2005; Grey, Calver, 2007; Голубкова
и др., 2010; Zhou et а/., 2007; Vorob 'eva et а/., 2007,
2009 а, Ь).

ризонта Центральной Австралии. Изотопный воз­

Уникальный по таксономическому разнооб­

раст отложений уринской свиты, содержащей мик­

разию и обилию набор пертататакских микрофос­

рофоссилии пертататакского типа, пока не может

силий присутствует в формации Доушаньто Юж­

быть окончательно установлен. Используя неко­

ного Китая, которая содержит

торые гляциогоризонты для корреляции разрезов,

рассматриваемых

К. Грей и К. Калвер пришли к выводу, что в Авст­

заметить, что многие использованные при описании

ралии пертататакские акритархи существовали все­

микробиоты формации Доушаньто роды и виды

го лишь от

(Grey, Calver,

сейчас вышли из употребления, и потому эта ас­

свидетельствуют о принадлежности верхней час­

ти уринской свиты ко второй зоне типового разре­
за пертататакских форм, которые ранее выделила
К. Грей

(Grey, 2005)

до

575

в типовой последовательности

565

млн лет назад

пых регионах (Кпо//,

26

ископаемых.

родов и

34

вида

Однако

следует

Однако, если принять более широко приня­

социация микрофоссилий нуждается в таксоно­

тую схему межрегиональной корреляции рассмат­

мической ревизии. Следовательно, приведенные

риваемых отложений, то придется признать, что

ниже в нашей статье таксоны до определенной

современные

2007).

дан­

степени являются условными. Поэтому зональное

ные позволяют обособить более широкий возрас­

сопоставление ассоциации акантоморфных акри­

тной интервал от

тарх формации Доушаньто с

изотопно-геохронологические

635

до

560-550 млн

лет, в кото­

последовательно­

ром в Австралии развиты рассматриваемые акри­

стью микрофоссилий нижнего венда Австралии,

тархи (Голубкова и др.,

Восточно-Европейской

Жоу и его соавторы

Патомского нагорья сейчас невозможно. Для этого

2010), и, как подчеркнули
(Zhou et а/., 2007), изменить

платформы

и

Байкало­

требуется всесторонняя и полновесная таксоно­

взгляды на возраст метеорита Акроман.

Как уже говорилось, таксономический состав
уринских микрофоссилий свидетельствует, что оха­

мическая ревизия ранее описанного китайского

материала.

Мы

рассматриваем

микрофоссилии

рактеризованная ими часть уринской свиты отно­

формации Доушаньто только потому, что иные

сится ко второй

таксоны валидно нигде не переописаны.

risoria -

(Tanarium conoideum - SchizofUsa
Variomargosphaeridium litoschum) зоне,

Формация Доушаньто, входящая в состав чех­

австралийских

ла Южно-Китайской платформы, согласно залега­

разрезах. Ранее здесь определялись акантоморф­

ет на тиллитах Наньтоу, которые в нижней части

ные акритархи

заключают пласт туфов, содержащих цирконы с

выделенной

К. Грей

в

типовых

Multifronsphaeridium pelorium -

установлено, что формы, ранее определенные как

U-Pb возрастом 636 ± 4 млн лет (Zhou et а/., 2007;
Condon et а/., 2005). Эти тиллиты обычно сопос­
тавляются с гляциогоризонтом Марино (Hoffman
et al., 2004; Zhou et а!., 2007; Condon et al., 2005).

на самом деле яв­

В группе разрезов, расположенных в окрестностях

ляются младшими синонимами морфологически

восточного каньона р. Янцзы, формация Доушань­

достаточно сильно варьирующего вида

то имеет мощность от

характерного таксона базальной части третьей зоны

К. Грей (Голубкова и др.,

2010).

Однако при деталь­

ном описании микробиоты уринской свиты было

Multifronsphaeridium pelorium,

nosphaera virgata (Sergeev et а/., 2011).
таксономической

проблемы

Dicrospi-

В решении

соотношения

160 до 230 м

и расчленяется

на четыре пачки. Первая пачка представлена 5-мет­

этих

ровыми венчающими доломитами, заключающими

двух таксонов к нашему мнению присоединилась

у кровли горизонт туфов, имеющих цирконовый

и К. Грей (устное сообщение).
щих показательные наборы акантоморфных акри­

U-Pb конкордантный возраст 635,2 ± 0,6 млн лет
(Condon et а!., 2005). Вторая пачка мощностью от
80 до 140 м сложена черными сланцами, углеро­

тарх пертататакского типа, отдельные представи­

дистыми

тели этих акритарх установлены в Низких Гима­

стыми доломитами, в которых в

лаях Индии, на Шпицбергене, в Норвегии и в так­

венчающих доломитов залегает туфовый прослой,

Кроме перечисленных отложений, содержа­

сономически

обособленном

составе

в

Южном

Китае в восточных ущельях р. Янцзы и в смеж-

имеющий

глинистыми

U-Pb

доломитами

возраст

don et а!., 2005).

и

5м

632,5 ± 0,5

тонкослои­

выше ~овли

млн лет

(Con-

Перечисленные породы второй


492

Глава

IV.

События и факторы эволюции биосферы

Таблица

3

Микрофоссилии уринской свиты нижнего венда (Патомское нагорье)

Объяснение. 1 - ?Sinosphaera mpina; экз. № 2-2005-9-10-1; колл. № 14701-224; G58[0J; 2 - Eotylotopalla strobilata; экз. № 2-2005-8--4-1; кол. № 14701-81; M-67[1J; 3 - ?Sinosphaera mpina; экз. № 2-2005-9-1-2; колл. № 14701-180;
J53[4]; 4 - Unnamed Form 4; экз. № 2-2005-9-13-5; кол. № 14701-238; Р73[2]; 5 - Ceratophyton sp.; экз. № 2-2005-9-5-3;
колл. № 14701-204; U63[3]; 6 - Rugosoopsis tenuis; экз. № 2-2005-8-16-3; колл. № 14701-158; K33[1J; 7 - Rugosoopsis
tenuis; экз. № 2-2005-11-11-15; колл. № 14701-383; W56[0]; 8 - Unnamed Form 5; экз. № 2-2005-10-9-2; колл. № 14701306; К65[1].


М А. Семихатов и др. Вендская микробиота уринской свиты Патомского комплекса Средней Сибири

пачки заключают стяжения кремней, содержащих

ции Доушаньто и имеет

окремненные акантоморфные акритархи. Их первые

551±0,7 млн лет (Condon et а!., 2005).

представители (Тianzhushania
в

1м

щих

spinosa)

появляются

выше датированного прослоя туфов, имею­

U-Pb

цирконовый возраст

( Condon et а!., 2005).
рофоссилий

632,5 ± 0,5

млн лет

Выше по разрезу набор мик­

увеличивается

за

счет

появления

акантоморфных акритарх Cymatiosphaeridum kullingii, Meghystrichosphaeridium magnificum, М gracilentum, М peifectum, М sp., Papillomembrana sp.,
Goniosphaeridium acumulatum, Ericiasphaera magna, Е. rigida, Е. spjeldnaesii и Е. sparsa, которые
присутствуют в диапазоне от 25 до 65 м от осно­
вания формации. Кроме того, в нижней трети вто­

рой пачки формации Доушаньто содержатся ос­

Paramecia incognata, Sarcinophycus papilloformis, S. radiatus и
Wengania minuta, а в диапазоне от 25 до 60 м от

татки многоклеточных водорослей

U-Pb

493

цирконовый возраст

Таким образом, диапазон вертикального рас­
пространения

акритарх

пертататакского

формации Доушаньто приближается к

типа

80 млн

в

лет,

что гораздо больше наблюдаемых в иных место­
нахождениях рассматриваемых акритарх. Этот диа­

пазон открывает Тianzhushania

spinosa, которая
1 м выше туфов, имеющих
U-Pb возраст 632,5 ± 0,5 млн лет ( Condon et а!.,
2005), и завершается присутствием Meghystrichosphaeridium magnificum, М densum, М perfectum,
Ericiasphaera spjeldnaesii, Е. rigida, Goniosphaeridium conoideum, Echinosphaeridium maximum,
Eotylotopalla dactyols и Hocosphaeridium scaberfacium, обнаруженным в одном образце, найден­
появилась в разрезе в

ных несколько ниже по разрезу

U-Pb

датировки

551±0,7 млн лет.

основания названной пачки обнаружены редкие,

возможно, фоссилизированные остатки эмбрионов

Megasphaera ornata и Megaclonophycus onustus
(Xiao, Knoll, 2000). Стратиграфически выше этих

Заключение

находок в формации Доушаньто в окрестностях

Открытие ассоциации пертататакского типа в

восточного ущелья р. Янцзы, следует значитель­

уринской свите на пассивной окраине Сибирской

ный интервал, который не содержит акантоморф­

платформы радикально меняет возрастную ин­

ных акритарх, но заключает коккоидные (Archaeophycus venustus, Myxococcoides spp. и др.) и нитча­
тые (Oscillatoriopsis spp., Obruchevella parva, Salome hubeiensis, Siphonophycus spp., Polytrichoides
lineatus) цианобактерии. Этот интервал в рассмат­

терпретацию верхнедокембрийской стратиграфи­

риваемой группе разрезов охватывает большую

ском мире в начале вендского периода непосред­

верхнюю часть второй пачки, сложенную черны­

ственно перед началом широкомасштабной экс­

ми аргиллитами с подчиненными прослоями до­

пансии многоклеточных животных. Ассоциация

ломитов, и почти всю третью пачку, которая пред­

микрофоссилий уринской свиты также расширяет

ставлена доломитами с прослоями и стяжениями

представления о таксономическом составе и гло­

ческой последовательности осадочного чехла и
ассоциированных ледниковых отложений. Урин­
ская свита, содержащая ассоциацию ЭКАП, дает
возможность

проследить

изменения

в

органиче­

темных кремней. Только в нескольких метрах от

бальном распространении в нижневендских от­

кровли третьей пачки в одном образце обнаруже­

ложениях акантоморфных акритарх, являющихся

ны рекуррентные акантоморфиды Meghystrichosphaeridium magnificum, М perfectum, Ericiasphaera spjeldnaesii и Е. rigida, а также появляю­

в большинстве своем яйцами древнейших беспо­

щиеся новые морфотипы акантоморфных акри­

многоклеточных животных могут обеспечить мощ­

тарх пертататакского типа

ный

- Echinosphaeridium
maximum, Eotylotopalla dactylos, Goniosphaeridium
conoideum, Hocosphaeridium scabeifacium и Meghystrichosphaeridium densum. Отложения, содержащие

звоночных. В контексте биостратиграфии, хемо­

стратиграфии и климатостратиграфии эти остатки
инструмент

для

корреляции

позднедокем­

брийских осадочных отложений, подчиняясь тем
же номенклатурным требованиям, которые приме­

няются к фанерозойским фаунистическим остат­

эти микрофоссилии, не имеют изотопных датиро­

кам, включая демаркацию границ систем. Поtлед­

вок. Можно лишь отметить, что находки перечис­

ние находки ЭКАП в отложениях уринской свиты

ленных форм сделаны в

ниже по разрезу от

демонстрируют растущее значение микрофосси­

прослоя туфов, который залегает в кровле форма-

лий для протерозойской стратиграфии и особенно

20 м


Глава

494

IV.

События и факторы эволюции биосферы

для отложений венда. Уникальный таксономиче­

ский состав микрофоссилий пертататакского типа
превращает их в надежный инструмент для кор­
реляции нижневендских отложений и разрешения

.многих спорных проблем стратиграфии верхнего
протерозоя.

Дольник ТА.

(2000)

Строматолиты и микрофитолиты

юга Сибирской платформы. Новосибирск: Изд-во
СО РАН,

2000. 320

Дополнения

к

Дополнение
Журавлева
резы

3.

с.

стратиграфическому

4.

СПб.: ВСЕГЕИ,

кодексу

России.

С.

95-107 .
Чумаков НМ (1961) Раз­

А., Комар В. А.,

верхнедокембрийских

2000.

отложений

Западной

Якутии и их корреляция// Геология и минеральные
ресурсы Якутской АССР. Вып.

Литература
Вейс А. Ф., Воробьева Н Г, Голубкова Е. Ю.
вые

находки

нижневендских

(2006)

Пер­

микрофоссилий

на

Русской плите: таксономический состав и биостра­
тиграфическое значение// Стратиграфия. Геол. кор­
реляция.

Т.

2006.

14.

№

С.

4.

28-46.

Виноградов В. И, Пичугин Л П., Бы:wвер В. Н. и др.

(1996)

Изотопные характеристики и датирование эпигене­

тически измененных верхнедокембрийских отложе­
ний Уринского поднятия// Литология и полезн. ис­

копаемые.

1996.

Т.

31.

№

1.

С.

60-{)9.

Волкова НА., Кирьянов В. В., Пятилетов В. Г и др.

(1980)

Микрофоссилии верхнего докембрия Сибирской
платформы// Изв. АН СССР. Сер. геол.
С.

1980.

№

1.

23-29.

Воробьева Н. Г, Сергеев В. Н, Чумаков Н. М

(2008)

Но­

вые находки ранневендских микрофоссилий в урин­
ской свите: пересмотр возраста патомского комплек­

са средней Сибири// Докл. АН.
с.

2008.

Т.

419.

№

6.

782-787.

Гниловская МБ.

(1996) Новые саариниды венда Русской
1996. Т. 348. № 1. С. 89-93.
Ю., Раевская Е. Г, Кузнецов А. Б. (2010)

платформы// Докл. АН.
Голубкова Е.

Нижневендские

комплексы

микрофоссилий

Вос­

точной Сибири в решении стратиграфических про­

блем региона

2010.

т.

18.

№

Голубкова Е. Ю"
комплексы

// Стратиграфия. Геол. корреляция.
4. с. 1-24.
Раевская Е. Г (2007) Нижневендские

микрофоссилий

Сибирской платформы

//

внутренних

районов

Рассвет и закат вендской

(эдиакарской) биоты. Труды международной конфе­
ренции по проекту
С.

13.

Ред. А. К. Боб­

ров. Якутск: Якутское геологическое управление,

493

МПГК. М.: ГЕОС.

2007.

1961.

С.

12-28.

Зайцева Т С.. Горохов И М, Ивановская ТА. и др.
Мессбауэровские характеристики,

изотопный возраст (RЬ-Sr,

K-Ar)

(2008)

минералогия

и

верхнерифейских

глауконитов укской свиты Южного Урала// Страти­
графия. Геол. корреляция.

2008.

Т.

№

16.

С.

3.

3-25.
(1995)
Докембрий Патомского нагорья. М.: НедРа, 1995. 353 с.
Келлер Б. М, Семихатов М В" Чумаков Н. М (1967)
Иванов А. И Лифшиц В. И, Перевалов О. В. и др.

Верхний протерозой Сибирской платформы и ее

обрамления

//

Стратиграфия докембрия и кембрия

Средней Сибири. Красноярск,
Кочнев Б. Б.,

1967. С. 277-291.
(2010) Новые данные

Карлова ГА.

по

биостратиграфии немакит-далдынского яруса венда
юга Сибирской платформы
корреляция.

2010.

Т.

18.

Леонов МВ., Рудько С. В.
фоссилий в

// Стратиграфия. Геол.
5. С. 28-41.
(2012) Находка эдиакарских
№

отложениях дальнетайгинской серии

(эдиакарий-венд Патомского нагорья)

фия. Геол. корреляция.

2012,

//

Стратигра­

в печати.

Летникова Е. Ф., Кузнецов А. Б" Вещева С. В., Ковач В. П.

(2006)

Вендская пассивная континентальная окраи­

на юга Сибирской платформы: геохимические,

Nd и Sr-изотопные свидетельства// Докл.
Т. 409. № 2. С. 235-240.

АН.

Мельников Н В., Якшин М С., Шишкин Б. Б. и др.

Sm2006.

(2005)

Стратиграфия нефтегазоносных отложений бассейнов
Сибири. Рифей и венд Сибирской платформы и ее
складчатого обрамления. Новосибирск: ГЕО,

433

2005.

с.

Миссаржевский В. В.

(1989)

Древнейшие скелетные ока­

менелости и стратиграфия пограничных толщ до­

39-42.

Горохов ИМ, Семи.хатов МА" Баскаков А. В. и др.

(1995)

Изотопный состав стронция в карбонатных породах

кембрия и кембрия. М.: Наука,

1989. 237

Наговицин К. Е., Файзуллин К. Е" Якшин М С.

с.

(2004)

Но­

рифея, венда и нижнего кембрия Сибири// Страти­

вые формы акантоморфных акритарх Байкалия Па­

графия. Геол. корреляция.

томского нагорья (уринская свиты, Восточная Си­

Т.

1995.

3.

№

1.

С.

Горохов И М, Семихатов МА" Мельников Н

3-33.
Н (2003)

Еще раз об использовании изохронного метода при

Rb-Sr

датировании осадочных пород

фия. Геол. корреляция.

Гражданкин Д. В.

(2003)

2003.

Т.

11.

№

// Стратигра­
6. С. 122-135.

Строение и условия образо­

бирь)// Геология и геофизика.
С.

2004.

Т.

45.

Вып.

6/7.

7-19.

Покровский Б. Г, Мележик В. А" Буякайте М И
Изотопный состав С, О,

Sr

и

S

(2006)

в позднедокембрий­

ских отложениях Патомского комплекса, Централь­

вания вендского комплекса в юго-восточном Бело­

ная Сибирь. Сообщение

морье

стратиграфия и проблемы датирования// Литология

т.

// Стратиграфия.
11. № 4. с. 3-34.

Геол.

корреляция.

2003.

и полезн. ископаемые.

1.

2006.

Результаты, изотопная
№

5.

С.

505-530.


М А. Семихатов и др. Вендская микробиота уринской свиты Патомского комплекса Средней Сибири

ПятW1етов В. Г

Юдомский комлекс микрофос­

(1980)

силий Южной Якутии

1980.

№

7.

с.

Геология и геофизика.

Файзуллин М Ш.

Растительные микрофоссилии

(1998)

Новые данные о микрофосси­

лиях байкалия Патомского нагорья
геофизика.

8-20.
(1983)

Пятилетов В. Г

//

Файзуллина

3.

Т.

1998.

495

39.

№

3.

С.

//
328-337.

Геология и

Х, Лысова Л. А., Трещетникова А. А. и др.

Биостратиграфия позднедокембрийских и ран­

уринской свиты (Патомское нагорье). В кн.: Страти­

(1982)

графия

некембрийских отложений Непско-Ботуобинского

позднего

докембрия

и раннего

палеозоя

Средней Сибири. В кн.: Юго-западное обрамление
Сибирской платформы. Новосибирск: ИГиГ СО АН
СССР,

115-121.
(1972) Микрофитолиты

(1985)

1982. № 2.

С.

13-26.

О вмыве мелких окаменело­

стей в древние толщи и связанные с ними проблемы

С.

1983.

Радионова Э. П.

района// Изв. АН СССР. Сер. геол.

Хоментовский В. В.

и сходные с

ними образования в рифее и фанерозое. В кн.: Итоги
науки техники. Стратиграфия и палеонтология.

3.
1972. С. 75-86.
Рудавская В. А. (1985) Стратиграфическое значение ак­
ритарх протерозоя раннего кембрия для Сибир­
М.: ВИНИТИ,

стратиграфии
С.

Геология и геофизика.

//

1985.

1.

Хоментовский В. В. Байкалий Сибири

(850-650 млн лет)//
43. № 4. С. 313-333.
Постников А. А. (2001) Неопроте­

Геология и геофизика.
Хоментовский В. В.,
розойская

история

2002.

Т.

развития

Байкало-Вилюйской

ской и Русской платформ. В кн.: Палинологические

ветви Палеоазиатского океана// Геотектоника.

исследования отложений палеозоя и мезозоя севера

№

1985. С. 4-12.
(1989) Талсинская

№

6-12.

3.

С.

2001.

3-21.

Хоментовский В. В., Постников А. А., Файзуллин М Ш.

СССР и Прикаспия. Л.: ВНИГРИ,

теклизы. В кн.: Фитостратиграфия и морфология

(1999) Байкалий - эратема неопротерозоя // Докл.
1999. Т. 365. № 5. С. 677-679.
Хоментовский В. В., Федоров А. Б.. Карлова ГА. (1998)

спор древних растений в нефтегазоносных провин­

Нижняя граница кембрия во внутренних разрезах

Рудавская В. А., Васильева Н. Д.

ас­

социация акритарх из Непьско-Ботуобинской ан­

циях СССР. Л.: ВНИГРИ,

Семихатов МА.

(1974)
(1985)

№

4.

С.

1974. 204
//

Изв. АН СССР. Сер. геол.

местности:

1998. Т. 6.

(1997)

Кузнецов А. Б.,

С-изотопные

№

1. С. 3-11.

Основные проблемы стратиграфии доусоль­

ских отложений
платформы

Подковыров В. Н.

Юдомский комплекс стратотипической

(2004)

ляция.

Хоментовский В. В., Шенфиль В. Ю., ПятW1етов В. Г

с.

3-21.

Семихатов М А.,
и др.

Сибирской платформы// Стратиграфия. Геол. корре­

5-11.

Строматолиты в стратиграфии

докембрия: анализ'84

1985.

С.

Стратиграфия и геохронология

протерозоя. М.: Наука,

Семихатов МА.

1989.

АН.

хемостратиграфические

С.

//

внутренних районов

Геология и геофизика.

Сибирской

1987.

№

11.

3-11.

Чумаков Н. М, Капитонов И. Н., Семихатов М А., Лео­

нов МВ., Рудько С. В.

(2011)

Возраст верхней час­

корреляции и соотношение с вендом

ти патомского комплекса Средней Сибири: изотоп­

фия. Геол. корреляция.

ные датировки обломочных цирконов никольской и

Семихатов М А.

(2008)

2004.

Т.

// Стратигра­
12. № 4. С. 3-31.

Хроностратиграфия и хроно­

метрия: конкурирующие концепции общего расчле­
нения докембрия
Т.

83.

Вып.

5.

С.

// Бюлл.
36-58.

МОИП. Отд. геол.

2008.

(201 О)

Основные этапы развития докем­

брийского органического мира: сообщение
ний протерозой

2010.

т.

18.

№

Серебряков С. Н.

размещения

//

2.

Позд­

Стратиграфия. Геол. корреляция.

6. с. 3-34.
(1975) Особенности
рифейских

строматолитов

Сибири.

М.: Наука,

1975. 176 с.
(1967) Древнейшие погонофоры// Докл.
АН СССР. 1967. Т. 177. № 1. С. 201-204.
Соколов Б. С. (1997) Очерки становления венда. М.: КМК
Лтд., 1997. 156 с.
Станевич А. М, Мазукабзов А. М, Постников А. А. и др.
Северный сегмент Палеоазиатского океана в

неопротерозое:

история

седиментогенеза

и

геоди­

намическая интерпретация// Геология и геофизика.

2007.

т.

48.

№

1.

с.

60-79.

№

19.

2.

С.

115-119.
(1991)

Литологиче­

поднятия

1991.

№

3.

//

Литология

с.

58-78.

и

полезные

ископаемые.

Чумаков Н. М, Покровский Б. Г, Мележек В. А.

(2007)

Геологическая история патомского комплекса, позд­

ний докембрий, Средняя Сибирь// Геология. Док­
формирования и

Соколов Б. С.

(2007)

Т.

Чумаков Н. М, Красильников С. С.

ские особенности рифейских тиллоидов Уринского

Сергеев В. Н., Семихатов МА., Федонкин МА., Воро­
бьева Н. Г

жербинской свит// Стратиграфия. Геол. корреляция.

2011.

лады РАН.

2007. Т. 413. № 3. С. 379-383.
(1957) К вопросу о палеозойских

Шатский Н. С.

спорах

в криворожской серии Украинского докембрия// Изв.
АН СССР. Сер. геологическая. 1957. № 4. С. 15-19.
Beardall J. (2009) Allometry and stoichiometry of unicellular, colonial, and multicellular phytoplankton // New
Phytol. 2009. V. 181. Р. 295-309.
Chитakov N. М, Seтikhatov МА. (1981) Riphean and
Vendian of the USSR // Precambr. Res. 198k- V. 15.
Р. 229-253.
Cohen Р. А., Knoll А. Н., Kodner R. В. (2009) Large spinose
microfossils in Ediacaran rocks as resting stages of ear-


496

Глава

IV.

События и факторы эволюции биосферы

ly animals // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009. V 106.
6519-6524.
Condon, D, Zhu М У., Bowring S., Wang W, Yang А. Н,
Jin У. G. (2005) U-Pb ages from the Neoproterozoic
Doushantuo Formation, China // Science. 2005. V 308.
Р. 95-98.
Fedonkin М А., Sokolov В. S., Semikhatov М А., Chumakov N. М (2007) Vendian versus Ediacaran: priorities,
contents, prospective. In The Rise and Fall of the
Vendian (Ediacaran) biota. Origin of the Modem Biosphere. Transaction of the Intemational Conference on
the IGCP Project 493. Geos, Moscow. 2007. Р. 78-82.
Finkel Z., Sebbo J., Feist-Burkhardt S., Jrwin А. (2007) А universal driver of macroevolutionary change in the size
of marine phytoplankton over the Cenozoic 11 Proc.
Natl. Acad. Sci. USA. 2007. V 104. Р. 20416-20420.
Grey К. (2005) Ediacaran palynology of Australia. Мет.
Assoc. Australas. Palaeontol. 2005. V. 31. 439 р.
Grey К., Calver С. R. (2007) Correlating the Ediacaran of
Australia. In book: The rise and fall of the Ediacaran
biota. Geol. Soc. London Spec. РuЫ. 2007. V. 286.
Р. 115-135.
Halverson G. Р, Dudas F 6., Malooj'A. С., Bowring S. А.
(2007) Evolution of the 87Sr/86Sr composition of
Neoproterozoic seawater // Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol. 2007. V. 256. Р. 103-129.
Hoffinann К. Н, Condon D. J., Bowring S. А., Crowley J. L.
(2004) А U-Pb zircon age from the Neoproterozoic
Ghaub Formation, Namibia: Constraints оп Marinoan
glaciation // Geology. 2004. V 32. Р. 817-820.
Ниа Н, Chen Z., Yuan Х L., Xiao, Cai У. (201 О) The earliest
Foraminifera from southem Shaanxi, China // Science
China- Earth Science. 2010. V 53. Р. 1756-1764.
Knoll А. Н (1992) Vendian microfossils in metasedimentary cherts of the Scotia Group, Prins Karls Forland,
Svalbard // Palaeontology. 1992. V 35. Р. 751-774.
Le Guerroue Е., Allen Р А., Cozzi А. (2006 а) Parasequence development in the Ediacaran Shuram Formation
(Nafun Group, Oman): high-resolution stratigraphic
test for primary origin of negative carbon isotopic ratios. Basin Research. 2006. V. 18. Р. 205-219.
Le Guerroue Е., Allen Р А., Cozzi А., Etienne J. L., Fanning М (2006 Ь) 50 Myrrecovery from the largest negative delta С-13 excursion in the Ediacaran ocean //
TerraNova. 2006. V. 18: 147-153.
Marcus N Н, Boero F Minireview: The importance of
benthic-pelagic coupling and the forgotten role of life
cycles in coastal aquatic systems // Limnol. Oceanogr.
1998. V 43. Р. 763-768.
Martin М W, Grazhdankin D. V, Bowring S. А., Evans D. А. D., Fedonkin МА., Кirschvink J. L. (2000)
Age of Neoproterozoic bilatarian body and trace fossils, White Sea, Russia: Implications for metazoan evolution // Science. 2000. V. 288. Р. 84-845.
Р.

Moczydlowska М (2005) Taxonomic review of some Ediacaran acritarchs from the Siberian Platform // Precambrian Res. 2005. V 136. Р. 283-307.
Moczydlowska М (2010) Life cycle ofEarly Cambrian microalgae from the Skiagia-plexus acritarchs // J. Paleontol. 2010. V 84. Р. 216-230.
Moczydlowska М, Vidal G. (1988) How old is the Tommotian? // Geology. 1988. V 16. Р. 166-168.
Moczydlowska М, Vidal G., Rudavskaya, V А. Neoproterozoic (Vendian) phytoplankton from the Siberian Platform, Yakutia // Palaeontology. 1993. V. 36. Р. 495521.
Moczydlowska М, Schopf J. W, Willman S. (2010) Microand nano-scale ultrastructure of cell walls in Cryogenian microfossils: revealing their biological affinity //
Lethaia. 2010. V. 43. Р. 129-136.
Porter S. М, Mesterfeld R., Knoll А. Н (2003) Vase-shaped
microfossils from the Neoproterozoic Chuar Group,
Grand Canyon: А classification guided Ьу modem testate amoebae // J. Paleontol. 2003. V 77. Р. 409-429.
Rieu R., Allen Р А., Cozzi А. et а/. (2007) А composite
stratigraphy for the Neoproterozoic Huqf Supergroup
of Oman: integrating new litho-, chemo- and chronostratigraphic data of the Mirbat area, southem Oman //
J. Geol. Soc. London. 2007. V 164. Р. 997-1009.
Sarjeant W, Lacalli Т, Gaines G. (1987) Тhе cysts and skeletal elements of dinoflagellates: Speculations on the
ecological causes for their morphology and development// Micropaleontology. 1987. V. 33. Р. 1-36.
Semikhatov МА. (1991) General ProЬlems of Proterozoic
Stratigraphy in the USSR. Soniet Sci. Rev. Sec. G. Geol.
Rev. N. У.: Harwood acad. рuЫ. 1991. V 1. Rt. 1. 192 р.
Sergeev V N (2009) Тhе distribution of microfossils assemЫages in Proterozoic rocks // Precambrian Res. 2009.
V. 173. Р.212-222.
Sergeev V N, Knoll А. Н, Vorob 'eva N. G. (2011) Ediacaran Microfossils from the Ura Formation, Baikal-Patom
Uplift, Siberia: Taxonomy and Biostratigraphic Significance // J. Paleontol. 2011. V 85. Р. 987-1011
Sovietov Yu. К. (2002) Vendian forland basin of the Siberian cratonic margin: Paleopangean accretionary phases //
Rus. J. Earth Sci. 2002. V 4. Р. 363-387.
Talyzina N., Moczydlowska М (2000) Morphological and
ultrastructural studies of some acritarchs from the
Lower Cambrian Lukati Formation, Estonia // Rev. Palaeobot. Palynol. 2000. V 112. Р. 1-21.
Таррап Н ( 1980) The Paleobiology of Plant Protists. Freeman W. Н., San Francisco. 1980. 1028 р.
Тiwari М, Knoll А. Н (1994) Large acanthomorphic acritarchs from the Infrakrol Formation ofthe Lesser Himalayas and their stratigraphic significance // Himalayan
Geol. 1994. V 5. Р. 193-201.
Van Wavern !., Marcus N Н (1993) Morphology of recent
copepod egg envelopes from Turkey Point, Gulf of Ме-


М А. Семихатов и др. Вендская микробиота уринской свиты Патомского комплекса Средней Сибири

xico, and their implications for acritarch affinity // Special Papers in Paleontology. 1993. V. 48. Р. 111-124.
Vorob 'eva, N. G., Sergeev V N., Knoll А. Н. (2007) Microfossil assemЫages from the Vychegda Formation ofthe
East European Platform passive margin - а biostratigraphic model for the Upper Riphean (Crygenian)Nendian (Ediacaran) boundary. 1n book: Тhе Rise and Fall
of the Vendian (Ediacaran) biota. Origin of the Modem
Biosphere. Transaction of the lntemational Conference on
the IGCP Project 493. Geos, Moscow. 2007. Р. 42-46.
Vorob 'eva, N. G., Sergeev V N., Knoll А. Н. (2009 а) Neoproterozoic microfossils from the Northeastem margin
of the East European Platform // J. Paleontol. 2009.
V. 83. Р. 161-192.
Vorob 'eva N. G., Sergeev V N., Knoll А. Н. (2009 Ь) Neoproterozoic microfossils from the margin of the East
European Platform and the search for а biostratigraphic
model of lower Ediacaran rocks // Precambrian Res.
2009. V. 173. Р. 163-169.
Walter М R., Veever J. J., Calver С. R. et а/. (2000) Dating
the 840-544 Ма Neoproterozoic interval Ьу isotopes of
strontium, carbon, and sulfur in see water, and some interpretative models // Precambrian Res. 2000. V. 100.
Р. 371-433.
Willman S., Moczydlowska М, Grey К. (2008) Neoproterozoic (Ediacaran) diversification of acritarchs - а new

497

record from the Munaroo 1 drillcore, eastem Officer
Basin, Australia // Rev. Palaeobot. Palynol. 2006. 139,
17-40.
Willman S., Moczydlowska М Ediacaran acritarch biota
from the Giles 1 drillhole, Officer Basin, Australia, and
its potential for biostratigraphic coпelation // Precambrian Res. 2008. V. 162. Р. 498-530.
Xiao S., Knoll А. Н. (2000) Phosphatized animal embryos
from the Neoproterozoic Doushantuo Formation at
Weng'an, Guizhou Province, South China // J. Paleontol. 2000. V. 74. Р. 767-788.
Yin L., Zhu М, Knoll А. Н., Уиап Х, Zhang J., Ни J. (2007)
Doushantuo embryos preserved inside diapause egg
cyst // Nature. 2007. V. 446. Р. 661--663.
Yin L., Zhu М, Уиап Х (2008) New data on Tianzhushania an Ediacaran diapause egg cyst from Yichang, Hubei //
Acta Palaeontologica Sinica. 2008. V. 47. Р. 129-140
(ln Chinese).
Zhang У., Yin L., Xiao S., Knoll А. Н. (1998) Permineralized fossils from the Terminal Proterozoic Doushantuo
Formation, South China // Paleontol. Soc. Мет. 1998.
v. 50. 52 р.
Zhou С., Xie G., McFadden К., Xiao S., Уиап Х (2007) Тhе
diversification and extinction of Doushantuo-Pertatataka acritarchs in South China: causes and Ьiostrati­
graphic significance // Geol. J. 2007. V. 42. Р. 229-262.


РЕЗУЛЬТАТЫБИОСТРАТИГРАФИЧЕСКОГО,ЛИТОЛОГИЧЕСКОГО

И ИЗОТОПНО-ГЕОХИМИЧЕСКОГО ИЗУЧЕНИЯ ЭКОСИСТЕМНЫХ СОБЫТИЙ
РУБЕЖА ПАЛЕОЦЕНА И ЭОЦЕНА

М А. Ахметьев, Г Н. Александрова, В. Н. Беньямовский, Ю. О. Гаврилов,
Н. И Запорожец, С. М Ляпунов, Т. В. Орешкина, К. А. Печникова,
Б. Г Покровский, Е. А. Щербинина
Геологический институт РАН.

akhтetiev@ginras. rи

События палеогена на рубеже палеоцена и эоцена известны под аббревиатурой РЕТМ (Палеоцен­
Эоценовый Термальный Максимум). Аномальное потепление кайнозоя составляло одну из сторон глобальных
экосистемных событий. Они также заключались в массовом вымирании бентосных фораминифер, изменении
фауны млекопитающих, таксономической и экологической перестройке комплексов микропланктона, редук­

ции формальных таксонов макро- и микрофоссилий высших растений. Эти события были обусловлены и про­

исходили на фоне отрицательных изотопных аномалий 8 13 С и 8180, лучше выраженных в пределах окраинного
океанического шельфа и эпиконтинентальных морей. Рассмотрены последовательность и причины возникно­
вения кризисных явлений, масштабы их проявлений, раскрыты механизмы теплопереноса, обеспечившие гло­
бальное распределение тепла на планете. Детально изучены микропланктон (диатомовые водоросли, форами­
ниферы, органикостенный фитопланктон), а также растительные мега- и микрофоссилии из разрезов средних
широт Центральной Евразии. Уточнены уровни смены в разрезах эпизода РЕТМ комплексов микропланктона

и отмечено появление тератоморф в разных его группах. Важнейшими инструментами теплопереноса в тро­
пическом поясе были пассатные ветры и течения. В средних и отчасти в верхних широтах их сменяли муссон­
ные. Благодаря муссонам происходило более равномерное распределение тепла в поверхностной оболочке
Земли по обе стороны экватора. Обосновано существование в раннем палеогене Центральной Евразии мери­
диональной системы морского теплопереноса из Тетиса в Арктику.

тервалы рифея и венда, ордовика и силура, эоцена

Введение

и олигоцена), в других случаях

-

комплексом

Проводившееся в рамках программы Прези­

причин. Среди них, наряду с прочими, заметная

диума РАН изучение экосистемных событий в по­

роль отводилась изменению магнитного поля Земли

граничных интервалах подразделений геохроно­

(«смена полярности», «перемагничивание») (гра­

логической

природы

ница перми и триаса), импактным событиям (гра­

происходивших кардинальных биосферных пре­

ница мела и палеогена), а также изотопно-геохими­

образований. В одних случаях они вызывались

ческим аномалиям аноксической природы («океа­

экстремальными

нические» события среднего мела). Приведенным

шкалы

выявило

амплитудами

различие

эвстатических

ко­

лебаний, особенно в начале или при завершении

перечнем эти причины не ограничиваются. При

<<Ледниковых» периодов и эпох (переходные ин-

изучении

пограничных

интервалов

установлено

следующее:

Авторы приносят глубокую благодарность всем сделавшим

1)

ствуют рангу границ хроностратиграфической

полезные замечания по содержанию статьи.

Исследования выполнялись и финансировались программой
Президиума РАН №

25.

Некоторые дорогостоящие аналити­

ческие работы были выполнены благодаря поддержке Гос­
контракта №

16.740.11.0050

и гранта РФФИ №

масштабы преобразований не всегда соответ­

11--05-00431.

шкалы;

2)

с разными причинами биосферных событий
связаны неадекватное поведение на рубежах


Глава

500

IV.

События и факторы эволюции биосферы

перестроек тех или иных групп биоты и мас­

(редукция бентосных фораминифер, перестройка

штабы изменения биоразнообразия. На неко­

комплексов крупных позвоночных), так и по изо­

торых этапах в большей степени редуцирует

топно-геохимическим

бентос и представители наземной биоты (гра­

тический

ница палеоцена и эоцена); на других

этому рубежу, известен под аббревиатурой РЕТМ

планк­

-

тонные микроорганизмы, особенно карбонат­

3)

(Палеоцен-Эоценовый

Клима­

приуроченный

Термальный

к

Максимум).

Температура поверхностных вод близ полюса в

исходят более масштабные пораЖения биоты

это время достигала

(граница перми и триаса);

2006).

одни границы совпадают с кардиналь~~ыми

событий РЕТМ, но также предшествовавших и

изменениями магнитного поля (смена магни­

последовавших за этим интервалом. В процессе

тохронов ), что нередко используется при их

работы возникла необходимость раздельного рас­

латеральном прослеживании этих границ. На

смотрения причин глобального потепления, ранее

20

°С и выше

(Moran et al.,

Наши исследования коснулись не только

других границах вообще не происходит изме­

рассмотренных участниками Программы (Гаври­

нений магнитного поля и они нередко оказы­

лов, Щербинина,

2004),

и механизма теплопере­

магнитостратигра­

носа, обеспечивающего стабильную подачу тепла

фической шкалы (граница мела и палеогена).

в высокие широты. Потепление было глобальным,

Такие границы устанавливаются только по

источники

совокупности

это требовало уточнения внутренней структуры

внутри

эпизодов

абиотических

и биотических

аномального

тепла

-

дискретными,

событий. К ним относятся активизация вулка­

самого эпизода РЕТМ,

низма, экстремальное понижение уровня Ми­

тельностью событий как в пределах самого эпи­

рового океана, похолодания, отчасти импакт­

зода, так и в более широком интервале раннего

связанной с последова­

меридио­

палеогена. Этого можно было добиться только

нальных проливов, обеспечивающих теплопе­

при детализации исследований на комплексной

ренос из низких в высокие широты. Главными

палеонтолого-геохимической основе. Поэтому в

же в установлении границ остаются данные

статье большое место уделено результатам изуче­

биостратиграфии;

ния морского микропланктона и результатам гео­

события абиотической природы на некоторых

химических и изотопных исследований.

ные

5)

характеристикам.

кайнозоя,

ные (граница мела и палеогена). Иногда про­

ваются

4)

оптимум

причины,

а

также

редукция

границах связаны с эндогенными процессами

Решение перечисленных задач, особенно вто­

в коре и мантии или вызываются внешними

рой, связанной с уточнением механизма теплопе­

по отношению к Земле причинами и обуслов­

реноса,

лены процессами, происходящими в пределах

главные черты этого одного из наиболее масштаб­

солнечной системы;

ных биосферных кризисов фанерозоя.

по

нашему

мнению,

полнее

раскрывает

климатические изменения фиксируются прак­

Основными объектами изучения были разре­

тически на всех границах, но их амплитуда и

зы Центральной Евразии, входящие в три области

направленность обычно различны.

седиментации:

Таким образом, без сомнений, пограничные

натную

интервалы нуждаются в «качественной» система­

и

карбонатную,

терригенно-карбо­

кремнисто-терригенную,

-

различав­

шиеся и составом биоты. Последовательно рас­

тизации и своего рода их типизации путем сравни­

смотрены пограничные слои палеоцена и эоцена

тельного анализа событий, сходных по своей при­

северных регионов Пакистана и Индии (Северный

роде и причинам, их вызывающим. В перспективе,

Тетис ), а также Среднеазиатской и Казахстанской

по-видимому,

даже

частей Туранской плиты (область распространения

«унификация» однотипных биосферных рубежей.

горюче-сланцевой формации). Завершаются они

Рассмотрен пограничный интервал палеоцена

описанием событий РЕТМ в Тургайском прогибе,

возможна периодизация

и

и эоцена и представленные результаты дополняют

Западной Сибири, включая ее приарктический сек­

ранее

и др.,

тор. По представлениям авторов, именно в преде­

Этот интервал выбран не случайно, так как

лах этой протяженной меридиональной полосы в

он является наиболее показательным по разнооб­

позднем палеоцене и раннем эоцене стабильно

разию событий как с точки зрения развития биоты

осуществлялся морской теплоперенос от экватора

2008).

начатые

исследования

(Ахметьев


501

МА. Ахметьев и др. Результаты изучения экосистемных событий рубежа палеоцена и эоцена

в полярные широты. Что касается воздушного пе­

предвосхитив

реноса тепла над континентами в конце палеоцена

десятилетий о высоком содержании в этом интер­

и

вале органического углерода, а также приурочен­

в

раннем

давно

эоцене,

отмеченное

то

следствием

смещение

его

является

границ распростра­

нения вечнозеленых флор в высокие широты по

меридиональному каналу в

континента

последних

ных к нему отрицательных изотопных аномалий

С выделением во второй половине прошлого

Проблема морского теплопереноса в раннем

Евразийского

самым заключения

()IЗС И 0180.

обе стороны от экватора.

палеогене по

тем

центре

предвцрительно

рассмотрена М. А. Ахметьевым

была

(Akhmetiev, 1996).

столетия Амударьинского и Сырдарьинского го­

рюче-сланцевых бассейнов в Южном Узбекиста­
не, Байхожинского в Южном Казахстане, а также
Байсунского в Западном Таджикистане и в соседних

Этот канал выполнял функцию своего рода ото­

районах Туркмении (Нишанходжаев и др.,

пительной батареи для высоких широт и в мезо­

В. В. и Э. С. Олейник и др.,

зое. Д. П. Найдиным

1978)

(2001)

он бьm назван «мери­

1973;

1974;

Поплавка и др.,

возрос интерес к горючим сланцам как к

диональным терморегулятором» и был положен

источнику

им в основу обоснования позднемелового потеп­

рассеянных и некоторых других элементов

ления климата в высоких широтах Центральной

V,

Евразии.

привлекательными для комплексного использова­

Си, Мо,

сконцентрированных

Ni, Re,

в

них

редких,

(S,

Р,

Ва). Это делало сланцы весьма

ния. Были уточнены стратиграфическая позиция и
пространственное размещение горюче-сланцевой

1.

Исторический обзор

формации. Она повсеместно залегает в нижней
части сузакской свиты (региояруса) О. С. Вялова

Граница палеоцена и эоцена в Западной Евро­

пе

-

XIX ве­

рюче-сланцевого поля. О. С. Вялов обратил вни­

обычно обсуж­

мание на частые находки рыбных остатков в го­

отделов палеогена, предложенных в

ке В. Шимпером и Ч. Ляйелем

-

и ее возрастных аналогов к северу от единого го­

далась в связи с уточнением позиции спарнакских

рючих

слоев и их соотношения с морскими отложениями

дошвы. Это дало ему основание выделить в нижней

сланцах,

а также глинах

танетского яруса. Несмотря на широкое распро­

части сузакской свиты «рыбные» слои. В Таджик­

странение сапропелитов в спарнакских слоях Па­

ской впадине (Давидзон и др.,

рижского бассейна, они до самых последних лет

цев сосредоточены в нижней половине каптарских

не привлекали к себе внимания как к важному

слоев гиварского горизонта

индикатору биосферных событий прошлого. В Со­

сузакского региояруса. Выяснено, что максималь­

-

их кровли

1982)

и

по­

пласты слан­

возрастного аналога

ветском Союзе граница палеоцена и эоцена опре­

ную мощность и площадное распространение го­

делилась в 80-х годах прошлого столетия при пе­

рюче-сланцевая формация имеет в осевых частях

Крымско-Кавказской

прогибов запада Таджикской впадины и Северного

шкалы палеогена к Международной, и связана она

Афганистана, Бухаро-Каршинского района Запад­

с уточнением объема и границ зон карбонатного

ного Узбекистана и смежных районов Юго-Вос­

микропланктона. Этот рубеж, как знаковый био­

точной Туркмении (Бадхыз, Марыйский и При­

сферный в геологической истории фанерозоя, на­

амударьинский районы), восточных Кызылкумов

реходе

от

региональной

чал привлекать внимание только с конца 70-х го­

и низовьев Сырдарьи. Таким образом, сланцами

дов ХХ века, а более тщательный анализ его с

образовано единое четковидное субмеридионально

разных позиций стал предприниматься лишь с ру­

ориентированное поле. Афганские разрезы явля­

бежа 1980-х и 1990-х годов. За пределами СССР

ются промежуточными между разрезами Таджик­

толчком к изучению событий на границе палеоце­

ской впадины и Бадхызом. Горючие сланцы в Аф­

на и эоцена послужило проведение нефтепоиско­

ганистане выявлены Советско-Афганской геоло­

вых работ в Северном море и глубоководное бу­

гической экспедицией и прослежены скважинами

в пределах ХХ «платформы Северного !fфгани­

рение в Северной Атлантике.
На первых порах интерес к пограничному

интервалу в

южных

регионах

бывшего

СССР

проявляли специалисты по горючим ископаемым,

стана», занимающей более

30%

территории рес­

публики (Геология и полезные ископаемые Афга­
нистана,

1980).


Глава

502

IV. События и

Некоторые выводы пионеров
горюче-сланцевой

формации

факторы эволюции биосферы

исследования

особенно

важны.

и горючих сланцев на всей территории юга быв­

шего СССР. Они отражены во многих публикациях

Они позволяют более точно наметить пространст­

(Музылев и др.,

венное положение основного канала морского те­

Гаврилов и др.,

1994; Музылев и др., 1989, 1996;
1997; Ступин, Музылев, 2001).

плопереноса из низких широт на рубеже палеоце­

Наиболее всесторонне аспекты, связанные с эпи­

на и эоцена. Уже на ранней стадии изучения го­

зодом РЕТМ (причины потепления климата, пове­

рюче-сланцевой формации в середине 70-х годов

дение различных групп микропланктона, особен­
18
13

ее пространственном ограничении с запада. Бьm

ности изотопии 8 С и 8 0), рассмотрены Гаври­
ловым и Щербининой (2004). Изучение событий

также

на

была подчеркнута роль Амударьинского разлома в

отмечен переход горючих

сланцев при их

границе

палеоцена

и

эоцена

коснулись

цен­

насыщении пелитовым материалом по периферии

тральных и даже северных регионов России, где в

бассейнов в сапропелиты и битуминозные глины

строении толщ принимали участие уже не карбо­

при

осадков

натные, а кремнистые породы, в которых органо­

К северу от Арала в

генные прослои были не столь отчетливо выраже­

увеличении

фосфоритоносности

(Нишанходжаев и др.,

1974).

направлении к Тургайскому прогибу сланцы при

ны. Эти публикации служили базой исследований

их насыщении пелитовой составляющей также

последнего десятилетия.

замещаются

сапропелитами

и

битуминозными

глинами.

Важной стороной работ было выяснение со­
става и источника органического вещества в горю­

Обзор местонахождений горючих сланцев

чих сланцах и сапропелитах, доказывалось участие

Средней Азии и Южного Казахстана дан в статье

в их составе, наряду с морской, органики наземно­

Н. Г. Музылева и др.

го происхождения (Гаврилов и др.,

(1994)

в соавторстве со сред­

неазиатскими геологами. Кроме подтверждения

их стратиграфической позиции

1994).

На присутствие цианобактерий и динофла­

(Muzylov, 1989;
Музылев, Беньямовский, Табачникова, 1989; Beniamovsky et al., 1999) (зона Globorotakia aequa =верх­
няя часть зоны Acarinina acarinata по форамини­

геллат в составе горючих сланцев Таджикской де­

ферам и средняя часть нанопланктонной зоны

щающих их глинах. Часть диноцист Э. С. Олейник

Discoaster multiradiatus (NP9)),

более определенно

прессии и Гиссарского хребта обратили внимание

В. В. и Э. С. Олейник

(1979).

Они отметили обилие

этих фоссилий в сланцах, но особенно во вме­
отнесла к роду

Wetzeliella.

Род

Apectodinium,

к ко­

была намечена связь их накопления с трансгрес­

торому эти цисты в действительности принадле­

сивным импульсом, последовавшим за регрессией

жат, в то время еще не бьm описан. С начала 1990-х

и размывом подстилающих осадков. Отмечено и

годов широкое распространение в

другое важнейшее событие в изотопной летописи

и битуминозных глинах Северного Кавказа, За­

- высокоамплитудная отрицательная
аномалия 8 13 С, приуроченная к этим сланцам.

падной Сибири, Зауралья и Северного Казахстана

палеогена

видов рода

Apectodinium,

сапропелитах

включая А.

augustum,

Много внимания горючим сланцам, уточне­

было отмечено Н. И. Запорожец, И. А. Кульковой

нию роли аноксических событий в их формирова­

и О. Н. Васильевой. Это позволило им уточнить

нии

уделял

возраст вмещающих их региональных стратонов.

Ю. О. Гаврилов. Он занимался их геохимическим

на

рубеже

Н. И. Запорожец по собственным пробам, а также

изучением, реконструкцией условий образования

отобранным Н. Г. Музылевым, а позже Ю. О. Гав­

и

вещества

риловым и Е. А. Щербининой из северокавказских

горючих сланцев. Было доказано, что их возрас­

и среднеазиатских разрезов (Хеу, Медани, Торанг­

тными аналогами за пределами Средней Азии яв­

лы, Курпаи и другие) были описаны комплексы

ляются широко распространенные в южных рай­

органикостенного

онах бывшего СССР горизонты сапропелитов и

было обращено внимание на аномальное строение

битуминозных темноокрашенных глин. Индиви­

стенок цист некоторых таксонов (тератоморфы).

выяснением

палеоцена

природы

и

эоцена

органического

фитопланктона.

Ею

впервые

дуально или в соавторстве, а также в коллектив­

Это явление она связывала со специфической эко­

ных статьях с Н. Г. Музылевым и Ю. О. Гаврило­

логической обстановкой их обитания (Ахметьев,

вым были подведены итоги биостратиграфиче­

Запорожец,

ских и геохимических исследований сапропелитов

микропланктона

1996).
в

Позже аномальное строение
описываемом

интервале

авто-


М А. Ахметьев и др. Результаты изучения экосистемных событий рубежа палеоцена и эоцена

рами статьи отмечено и в других группах: нано­

Е. А. Щербининой

планконе (Щербинина), диатомовых (Орешкина),

следования

(2004).

эпизода

503

В последние годы ис­

РЕТМ

в

Высокоширотной

фораминифер (Беньямовский, Ступин). В указан­

Арктике бьmи проведены по керну скважин, про­

ной выше статье Н. И. Запорожец было подчерк­

буренных Международной Полярной экспедицией

нуто большое участие цианобактерий и аморфного

на хр. Ломоносова

органического вещества неустановленной природы

лективных публикаций).

(Moran et al., 2006 и

серия кол­

в наиболее обогащенных органикой слоях и мас­

Обоснование особенностей перераспределе­

совое распространение диноцист в межсланцевых

ния тепла в поверхностной оболочке планеты в

осветленных прослоях. Исследования предшествен­

период экстремального потепления требует крат­

ниц продолжили Г. Н. Александрова и А. И. Яков­

кого рассмотрения итогов изучения пограничного

лева. Они уточнили состав органикостенного фито­

интервала в тропических регионах Центральной

планктона,

Евразии.

отразив

«поведение» диноцист в слоях

эпизода РЕТМ и вмещающих их глинах. Кремне­

Некоторые

исследователи,

начиная

с

первой половины прошедшего столетия, отмечали

вый фитопланктон пограничных слоев палеоцена

общность состава бентосной и планктонной биоты

и эоцена начал систематически изучаться в Рос­

позднего палеоцена и раннего эоцена по обе сто­

сии в текущем столетии

роны Альпийско-Гималайского пояса. Э. М. Буг­

(Radionova et al., 2001;
Oreshkina et al., 2003, 2004). Геохимические иссле­

рова

(1987,

с.

90),

ссылаясь на данные М.

Kaevar,

дования, проводимые Ю. О. Гавриловым в послед­

писала: «В ассоциациях средне- и позднепалеоце­

ние годы, сопровождались изучением стабильных

новых фораминифер Афганистана содержатся

изотопов о 13 С и 8 0 Б. Г. Покровским, а также на­

крупные

нопланктона Е. А. Щербининой.

Rotalia, Miscellania, Ranickotalia, Parartotalia,

18

скульптурированные

раковины

родов

из­

Промежуточные итоги изучения в последние

вестные также в разрезах Пакистана и Индии. Се­

годы биосферных событий на границе палеоцена и

вернее (Таджикистан, юго-восточная часть Туркме­

эоцена, финансируемые Программой, представле­

нии) в разрезах нижнего и низов верхнего палеоце­

ны в коллективных статьях ее участников (Ах.меть­

на найдены

ев и др.,

Nummulites, Lockhartia, многочисленные
Quinque/oculina. Это, по-видимому, фауна мелко­

2008, 2010; Гаврwюв и др., 2010).
13
За рубежом изотопная аномалия о С была
отмечена в работах Э. Шеклтона (Shackleton, 1986),
а позже Р. Летолле и М. Ренардом (Letolle, Renard,
1990) при описании одного из разрезов Умбрии

ласти». Далее она заключает: «Можно определен­

(Италия). Рассмотрены проблемы климатических

чения Э. М. Буrровой разделяет Е. Ю. Закревская

водного шельфа северной части тропической об­

но говорить о связях с тропическими бассейнами
Индии и Пакистана» (там же, с.

90).

Эти заклю­

в обобщающем исследовании крупных фо­

и экосистемных событий на палеоцен-эоценовой

(2011)

границе

раминифер. Морская биота пограничных слоев

(Rea et al., 1990),

а также поведение ста­

бильных изотопов и потепление в конце палеоце­

палеоцена и эоцена Малых или Передних Гима­

на

лаев,

(Kennet, Stott, 1990, 1991).

На материалах Се­

северных пограничных районов Индии и

вероморского бассейна проводилось геохимиче­

Пакистана, Соляного хребта, Сулейман-Киртарской

ское изучение палеоценовых и эоценовых тефр

области неоднократно рассматривалась в статьях

Кпох,

(Morton,

1990).

Уточнению положения гра­

ницы палеоцена и эоцена, а также характеристике

биосферных событий на этой границе были по­
священы

тематические

исследования

по

одному

из проектов МПГК в конце 1980-х годов. Вымира­

последней четверти прошлого столетия

(Saxena,

Sarcar, 1983; Loyal, Gupta, 1990 и другие). Л. Эд­
варде (Edwards, 1992) из кровли танетских отложе­
ний Соляного хребта описан Apectodinium augustum. Из содержания таблицы распространения

нию бентосных фораминифер посвящена статья

раннепалеогеновых планктонных и крупных фо­

К. Кайо

раминифер шельфовых бассейнов Верхнего Инда

(Kaiho, 1994).

События на границе палео­

цена и эоцена в разных регионах Земного Шара

(Weiss, 1993, figs. 3, 12)

обсуждались

делить интервал самого активного биотического

на

совещаниях

Международной

удается более четко опре­

(Шве­

обмена между бассейнами Индии, Пакистiна, Юж­

ция, США, Бельгия, Испания, Новая Зеландия,

ного Афганистана и Средней Азии. В северной

Австрия). Их обзор дан Ю. О. Гавриловым и

акватории Индийского океана он приходится на

подкомиссии по

палеогеновой системе


Глава

504

IV. События и факторы эволюции биосферы

вторую половину танета

- ранний ипр (зоны Morozovella velascoensis (=Acarinina acarinata) и Morozovella sиbbotinae (Крашенинников, Басов, 2007)).
Работы последних лет (Sarma, 2006; Mirza,
Sheikh, 2006) дополняют сведения о строении уз­
кой полосы шельфа Северного Тетиса (s. str. латин. - «в узком смысле», в отличие от s. 1. -

ные осадки формировались в условиях мелковод­
ного шельфа единого морского бассейна, разде­
ленного проливом. Этот бассейн занимал северную
окраину Индостанского суперконтинента, Северо­
Афганскую платформу,

Таджикскую впадину и

Бадхыз. По мере сокращения морских акваторий

из-за начавшихся поднятий тонкообломочные осад­

«в широком смысле») с указанием на распростра­

ки стали сменяться грубыми песчаными и пест­

нение в слоях эпизода РЕТМ Apectodiniиm аиgиs­

роцветами. Критическое сближение двух конти­

tит.

Утверждается, что первое появление вида

нентов, вероятно, спровоцировало экстремальную

зафиксировано именно в этом регионе. Более четкое

регрессию в конце танета, а затем высокоампли­

разграничение получили две основные структур­

тудную раннеэоценовую трансгрессию в интерва­

но-фациальные зоны Кохатского бассейна Север­

ле

56-54 млн лет.

ного Инда. На севере шельфовые осадки раннего
палеогена

встроены

в

аллохтонные

шарьяжные

При оценке собьrгий раннего эоцена отмечалось

(Slotnik et al., 2011), что

в период с

58 до 52-50 млн

структуры, а в южной зоне в купольных подняти­

лет (оптимум раннего эоцена (ЕЕСО)) глобальные

ях они перемежаются с лагунными.

среднегодовые температуры возросли на

6 °С.

Это

повышение происходило в коротких интервалах,

разделенных «стазисами». Наиболее заметными

2.

О причинах экосистемного

(до

кризиса на рубеже палеоцена

мальный максимум (РЕТМ) и эоценовый термаль­

и эоцена и об источниках

ный максимум (ЕТМ-2). Кроме них бьmи отмече­

глобального потепления

ны еще по крайней мере четыре малоамплитудных

200 тыс.

лет) бьmи палеоцен-эоценовый тер­

потепления (Н-1, Н-2 и др.). Непродолжительные
В течение последней четверти века одной из

<<rипертермаль1»

сопровождались

в

системе

оке­

сторон деятельности Международной Стратиграфи­

ан-атмосфера повышенным содержанием Сорг"

ческой подкомиссии по палеогеновой системе бьmо

появлением отрицательных изотопных аномалий

всестороннее обсуждение биотических и абиотиче­

8

ских событий на рубеже палеоцена и эоцена с выяс­

ного выветривания.

нением причин экосистемного кризиса. Бьmа ут­
верждена граница между палеоценом и эоценом по

13

С и

8

18

~

О, а также активизациеи континенталь-

Существуют две точки зрения на причины

событий РЕТМ, которые не противоречат, а ско­

уровню массового исчезновения бентосных фора­

рее дополняют друг друга, проявляясь совместно.

минифер (ВFЕ), зафиксированному в стратотипиче­

Первая из них аргументирована Ю. О. Гаврило­

ском разрезе границы в Дабабайя (Египет)

вым и Е. А Щербининой. Опираясь на разрезы

(Alegret

et al., 2005; Aubry et а!., 2007), где она совпадает
13
углеродным изотопным экскурсом 8 С (CIE).

с

Из всей совокупности событий раннего па­

эпиконтинентального Перитетиса с шельфовой и

прибрежной седиментацией, они так рисуют по­
следовательность

событий.

Позднепалеоценовая

леогена на Земном Шаре наиболее значительной

регрессия с амплитудой в десятки метров освобо­

по своим масштабам была коллизия Индостанско­

дила

го субконтинента и Евразийской плиты. Поэтому

участки суши. В условиях влажного климата осо­

многие рассматривают все последовавшие за этим

бенно в западных и центральных частях Перите­

климатические, океанические и изотопные события

тиса сформировались гумидные ландшафты. Они

на рубеже палеоцена и эоцена как результат этой

служили источником накопления большой массы

коллизии (Гаврилов, Щербинина,

Од­

органического вещества и биофильных элементов

нако необходимо иметь в виду, что начало замет­

с образованием метана. Последний поступал в

ных изменений в седиментационном режиме по

атмосферу, окислялся до СО 2 с образованием лег­

2004,

с.

524).

от

моря

низменные

пенепленизированые

обе стороны современного Альпийско-Гималай­

кой углекислоты. «Значительные массы СО 2 , во­

ского пояса стало проявляться только с середины

первых,

эоцена. До этого однородные глинисто-карбонат-

эффекта, и во-вторых, образованию изотопно-лег-

способствовали развитию

парникового


505

М А. Ахметьев и др. Результаты изучения экосистемных событий рубежа палеоцена и эоцена

ких карбонатов и органического вещества как в

тельной органики, сносимой в бассейн. Этому про­

морских обстановках, так и на суще. Повышение

тиворечат данные палинологии (Практическая

температуры привело к появлению отрицательной
v
v
s:l80
кислородном изотопном аномалии u
в отложе-

стратиграфия,

ниях этого возраста» (Гаврилов, Щербинина,

глинах Бадхыза (Салун и др.,

с.

534).

2004,

Другая точка зрения на ту же проблему

-

каолинита

1990,

с.

162),

показателя

Возможно

а также присутствие

влажности

1961,

с.

в

сузакских

66).

появление горючих сланцев

при

также связывается с увеличением содержания в ат­

потеплении климата обусловлено механизмом их

мосфере СО 2 и, как следствие, с парниковым эф­

формирования, описанным Р. Диккенсом с соавто­

фектом. Однако предполагается, что ее источником

рами. В пользу этого свидетельствует и тектони­

бьmо быстрое разложение газогидратов, поступав­

ческий контроль в их локализации, ограничении с

ших непосредственно из фундамента с образовани­

запада активными разломами.

ем углекислоты за счет окисления метана

(Dickens,

2000; Dickens et а!., 2003).

Те, кто объясняет причину глобального поте­

пления выносом большого

При изучении разрезов морских шельфовых

объема органики в

морские бассейны, обычно обосновывают это ре­

отложений Перитетиса в эпизоде РЕТМ бьmо об­

зультатами

ращено внимание на отличия в строении средне­

пределах континентальных окраин и внутренних

азиатских разрезов от западноказахстанских, крым­

морей. Это подтверждается данными о распро­

ско-кавказских и западносибирских.

странении Сорг.. в современных морских и осадках

Среднеазиатская группа разрезов в интервале

изучения разрезов,

Земного Шара (рис.

1).

расположенных

в

Полоса аккумуляции с по­

РЕТМ представлена горючими сланцами, обра­

вышенным содержанием Сорг. прихотливо огибает

зующими

со­

все континенты, строго следуя положению бере­

держанием Сорг. и большими отрицательными зна­

говой линии, нигде не выходя за пределы шель­

нередко

единую

13

пачку

с

высоким

чениями изотопов о С и 8 0. Обычно эта пачка

фовой зоны. Трудно согласиться с этим, когда этот

разделена прослоями слабо битуминозных глин с

вывод распространяется на внутренние части океа­

18

низкими значениями тех же изотопов. Органиче­

нических бассейнов, а также на поднятия на кон­

ское вещество горючих

тинентах. Известно, что основные буроугольные

сланцев

состоит из циа­

нобактерий и в меньшей степени органикостенно­

месторождения

го фитопланктона. Представители других групп

на суще сосредоточены в других возрастных диа­

микропланктона встречаются

пазонах этого периода и только горючие сланцы

обычно только

в

светлоокрашенных разностях.

морского

Западноказахстанско-Северокавказская группа

палеогена

происхождения

северного

полущария

приурочены

к

погра­

ничному интервалу палеоцена и эоцена. Е. А. Ро­

разрезов, насыщенная пелитовым материалом, как

манкевичем

в самом Перитетисе, так и во внутренних бассейнах

ния Сорг. в верхнем слое осадков мирового океана.

(1977)

приводится карта распределе­

с терригенно-кремнистой седиментацией (Запад­

Из нее следует, что почти на

ная Сибирь) представлена сапропелитами и биту­

рового океана содержания Сорг. в верхнем слое

80 %

площади Ми­

минозными глинами с более низким содержанием

осадков не более

Сорг.• а также изотопов углерода и кислорода. Со­

полученном

став биоты и ее структура самого эпизода РЕТМ

РЕТМ, увеличение содержания изотопа о С имеет

более сложная.

по

0,5 %.

На массовом материале,

разрезам,

отвечающим

эпизоду
13

прямую корреляцию с увеличением в осадках со­

Горючие сланцы Средней Азии и Северного

держания Сорг.· Это подтверждается аналитически­

Афганистана имеют четкий тектонический кон­

ми данными по разрезам среднеазиатских горючих

троль. Они не распространяются западнее Аму­

сланцев (Курпаи, Гуру-Фатьма) и Крымско-Кав­

дарьинского разлома

казской

и

системы разломов

на его

области

(Гаврилов,

Щербинина,

2004).

северном продолжении, проявлявших активность

Есть все основания предполагать, что, как и ныне,

в раннем палеогене. Поддерживая представление

поступление в атмосферу СО 2 непосредственно из

о приоритете в формировании горючих сланцев

акватории открытого океана в раннем эоцене бы-

органического вещества морского происхождения,

ло ограниченным.

трудно согласиться с утверждением об их локали­
зации только в аридной зоне с дефицитом расти-

В. А. Крашенинников и И. А. Басов

_,,
(2007)

об­

общили результаты изучения разрезов палеогена


Глава

506

Рис.

1.

IV.

События и факторы эволюции биосферы

Распределение годовой первичной продукции в Мировом океане (по Ф. Гесснеру,
На карту нанесен Главный океанический фронт.

1-50; 2-50-100; 3-100-200; 4-200

Мирового океана по материалам бурения сотен
скважин по

программе глубоководного бурения.

1969,

из Романкевич,

1977).

мг, С орг/(л-год)

кремнисто-терригенным типом седиментации. Толь­

ко этим можно объяснить высокие температуры по­

Кроме шельфа и прибрежных зон континентальных

верхностных

окраин ими нигде не отмечались в разрезах ранне­

вечнозеленых субтропических растений в раннем

палеогеновые битуминозные глины, сапропелиты

эоцене Сибири к северу от Полярного круга. Рас­

вод в

Арктике и распространение

или горючие сланцы, что находит подтверждение в

смотрению предполагаемого механизма теплопере­

распределение Сорг. в современных осадках Миро­

носа посвящены следующие два раздела статьи.

вого океана. Возможно, распределение Сорг. в эпи­

континентальных бассейнах так же дискретно, как
дискретно распределяются и площади потенциаль­

3.

О канале морского

ной гидратоносности шельфовых акваторий, окру­

теплопереноса в Центральной

жающих Россию. Они колеблются от

Евразии в раннем палеогене

площади Арктического шельфа до

37 % общей
45-50 % площа­

ди акваторий дальневосточных морей (Соловьев,

Раннепалеогеновая морская меридиональная

Заметим, что органический углерод не бьm

система Центральной Евразии, соединявшая через

2002).

обнаружен в целом ряде палеоцен-эоценовых раз­

Тургайский пролив и Западно-Сибирское внут­

резов юга Западной Сибири и Приуралья с диато­

реннее море и акваторию Северо-Восточного Пе­

митами и другими кремнистыми осадками. Отсюда

ритетиса с Арктическим бассейном, традиционно

следует, что представление о глобальном проявле­

рассматривалась в качестве миграционного тракта

нии изотопных

и канала активного биотического обмена. Она про­

аномалий эпизода РЕТМ и, как

следствие, глобального потепления на этом рубеже

сушествовала до середины эоцена, пока Западно­

нуждается в коррективах. Оно может быть принято

Сибирское эпиконтинентальное море не преврати­

только при определенных условиях: необходимости

лось в полузамкнутый водоем.

признания морского и атмосферного теплопереноса

Роль меридиональной системы как источника

из низких широт в области преимушественно с

тепла и одновременно важнейшего инструмента


М А. Ахметьев и др. Результаты изучения экосистемных событий рубежа палеоцена и эоцена

507

Для сравнения с ними к северу

его переноса особенно проявилась в период макси­

1992; Weiss, 1993).

мального палеоцен-эоценового потепления. В раз­

от Альпийско-Гималайского пояса были привле­

резах разных частей Западно-Сибирской плиты,

чены разрезы Таджикской впадины (Давидзон и др"

так же как и южнее, за ее пределами, вьщеляются

1982)

и Северо-Афганской платформы.

прослои сапропелитов с заметным участием орга­

Восстановим весь путь морского теплопере­

нического углерода и присутствием тепловодного

носа от Тетиса к Высокой Арктике. После дивер­

Apectodinium augustum.

генции основной ветви Тетиса на две составляю­

Выше отмечено, что современное распреде­

щие северная из них в обход с востока Кабульского

ление Сорг. в верхнем слое осадков Мирового океа­

массива через Афганскую платформу выходила в

на

Таджикскую впадину. Предполагается, что шири­

имеет

вполне

(Романкевич,
до

определенную

1977).

закономерность

Максимального значения (от

1

на морского пролива, где формировались шельфо­

и более) оно достигает в прибрежных зонах

вые осадки гиварской (=сузакской) свиты, дости­

океана, в обрамлении островных архипелагов и во

гала до окончательной коллизии континентальных

внутренних морях, минимального

масс не менее

2%

(0,25--0,5 %) -

300 км

(Давидзон и др.,

1982).

От

во внутренних акваториях океанов, кроме средин­

Северного Афганистана и до низовьев Сырдарьи

но-океанических хребтов.

канал теплопереноса маркируется полосой горю­

Подавляющее большинство изученных разре­

чих сланцев протяженностью до

Сланцы

зов пограничного интервала палеоцена и эоцена

формировались

в

(рис.

переуглубленных

с аномальными содержаниями изотопов сосредо­

частях шельфа (до

точено на шельфах внутренних морей, окраинах

Аральского моря, по мере насыщения пелитовым

континентов и в пределах островных архипелагов.

материалом, горючие сланцы замещаются битуми­

Это скорее свидетельствует в пользу точки зрения

нозными глинами. В условиях более влажного кли­

Ю. О. Гаврилова об источнике изотопного углеро­

мата в седиментационном процессе активное уча­

да (Гаврилов, Щербинина,

стие стал принимать пелитовый материал. В Тур­

2004).

500 м)

1500 км.
К северу от

2).

Однако одних только вод Перететиса недоста­

гайском прогибе пачка битуминозных глин нижнего

точно для обеспечения высоких температур по­

эоцена на Амангельдинском месторождении под­

верхностных вод приарктического сектора, так как

стилает бокситоносную линзу. Севернее эта пачка

в кремнисто-терригенных осадках Сорг. содержится

прослеживается до сочленения прогиба с Западно­

в минимальном количестве. Поэтому наряду с во­

Сибирской плитой. В ее пределах до Арктического

дами Перитетиса должен сушествовать и какой-то

бассейна основной тепловой

другой дополнительный источник переносимого

вдоль восточной окраины плиты, где также извест­

тепла. Таким источником мог быть сам Тетис, но

ны месторождения бокситов в порожнинской свите

при условии сушествования прямых морских свя­

нижнего эоцена Енисейского кряжа.

зей между Тетисом и Перитетисом, покрывавшим

Туранскую плиту. Ранее (Ахметьев и др.,

2008)

поток направлялся

Единство морского канала теплопереноса на

всем его протяжении от Тетиса до Западно-Сибир­
ского моря подтверждается, во-первых сходством в

приведены доказательства этого.

Они основаны на сходстве глинисто-карбо­
натных разрезов верхнепалеоценовых и нижнеэо­

режиме седиментации и составе осадков,

опреде­

ляемом эвстатическими колебаниями, и во-вторых,

ценовых шельфовых осадков по обе стороны со­

последовательностью регрессий и трансгрессий,

временного Альпийско-Гималайского пояса при их

отраженных даже в цветовой гамме слоев. Это

мощностях до

а также единстве фауны

единство находит отражение в составе, а также в

(Miscellania, Lockhartia,

структуре биоты; с большим влиянием тепловод­

150 м.,

крупных фораминифер

и др.), планктонных фора­

ного низкоширотного микропланктона и холодно­

минифер, нанопланктона, органикостенного фито­

водного высокоширотного бентоса. Оно подтвер­

планктона с ведушей ролью рода

ждается сходством поведения в разрезах изотопов

Ranicotalia, Pararotalia

(в том числе А.

augustum),

Apectodinium

а также остракод. Для

s:IЗC

u

и

s:ISO ,

u

~

~

а также однонаправленнои тенденр:иеи в

сопоставления бьmи выбраны разрезы шельфовых

изменении аномальных содержаний породообра­

осадков Передних Гималаев (Формация Субатху

зующих окислов и большинства микроэлементов

(Loyal, Gupta, 1990)

и Соляного хребта

(Edwards,

в осадках.


Глава

508

IV.

События и факторы эволюции биосферы

@f'8

Арктика

во\

в

.....-:r


М А. Ахметьев и др. Результаты изучения экосистемных событий рубежа палеоцена и эоцена

Рис.

2.

509

Палеогеографическая схема меридионального сектора центральной части Евразии между Тетисом и Арктикой
во время события РЕТМ и положение упоминаемых в тексте разрезов.
А. Фрагмент палинпластической карты пограничного интервала от палеоцена к эоцену (по

Paleomap project.

[Электронный ресурс]

http:scotese.cm).

Ch. R. Scotese, 2002,

На карте отчетливо выражен морской пролив, разде­

лявший шельфы Индостана и Евразии, а также место виргации этого

пролива на западе на две ветви (север­

ную и южную) на шельфовом пространстве северной окраины Тетиса на юге Средней Азии.
Б. Единство биоты, находящейся ныне по обе стороны широтного Альпийско-Гималайского орогенного пояса.

Схема составлена для пограничного интервала палеоцена и эоцена.
В. Палеогеографическая схема меридионального сектора центральной части Евразии между Среднеазиатским
регионом и Арктическим бассейном.

1-

область распространения преимущественно карбонатных фаций с доминированием планктонных и бентос­

ных фораминифер, а также нанопланктона с участием диноцист и редких диатомей (в раннем эоцене),

11- об­

ласть распространения карбонатно-терригенных фаций с фораминиферами, нанопланктоном и диноцистами
(в позднем палеоцене) и диноцистами и диатомеями (в раннем эоцене),

111 -

область распространения терри­

генно-биогеннокремнистых фаций с диноцистами и диатомеями;

4 - северное течение из Арктики; 5 - упоминае­
Apectodinium hyperacanthum + А. augustum; 7 - Loкhartia
и другие крупные бентосные фораминиферы; 8 Pyxil/a graci/is и другие диатомеи; 9 - Reticulophragmium,
Verneuilinoides и другие бореально-арктические фораминиферы; 10 - месторождения бокситов: А- Аркалык­
ское (Амангельдинское); НА- Нижнеангарское; УЕ - Усть-Енисейское; 11 - полоса распространения горючих
сланцев; 12 - Амударьинский разлом, ограничивающий с запада поля горючих сланцев и фиксирующий запад­
ное положение канала морского теплопереноса; 13 - трасса меридионального морского теплопереноса на ру­

1-

суша;

море;

2-

мые в тексте разрезы;

южное теплое течение из Тетиса;

36-

комплексы диноцисты зон

беже палеоцена и эоцена.
Упомянутые в тексте разрезы:

2 - Торанглы; 3 - р. Хеу; 4 - сводный
6 - Русско-полянская скв. 10; 7 - Русско­
полянская скв. 8; 8 - скв. 9 (Чистоозерная); 9 - скв. 11, 10 - Першина; 11 - скв. 4 (Васюганье); 12 - скв. 19
Усть-Манья; 13 - скв. 228 (Полярное Предуралье); 14 - Харасавэй (Ямал); 15 - скв. Комсомольская (Карское
море); 16 опорная скважина в Тормском прогибе западной части Баренцова моря; 17 прогиб Западного
Шпицбергена; 18 - скважины, пробуренные на хр. Ломоносова (Moran et а/" 2006)
1-

Курпаи (Таджикская депрессия);

разрез южной части Тургайского прогиба;

5-

Соколовский карьер;

В разрезах РЕТМ от индийских и пакистан­

и мелкозем с прилегающей низменной суши. Замет­

ских до западносибирских и арктического (хребет

но увеличение содержания

Ломоносова) в комплексе дин о цист доминирует

содержании

группа

подстилающей уровень трансгрессивной фазы. За

Apectodinium,

включая А.

augustum

и тера­

микрокомпонентов

томорфы этого рода. Этой группе сопутствуют в

счет

спектрах

лоты в осадках (на

другие

таксоны,

свидетельствующие

о

резкого

Si0 2

сокращения

25 % в

при редукции в
в

кровле

содержания

пачки,

кремнекис­

пробе с глубины

236,9 м)

тесных биогеографических связях в разных час­

содержание других породообразующих элементов

тях коммуникационной системы с участием не

пропорционально возросло, особенно Р 2 0 5 (на по­

менее двух десятков общих космополитных видов

рядок), а также Са и

(Spiniferites ramosus, Thalassiphora delicata, Palaeocystodinium golsowense, Homotryhlium tenuispinosum и других).

лось содержание

Mn.

В

1,2-1,7 раза,

по срав­

нению с фоновым за пределами РЕТМ, увеличи­

горючих сланцах интервала РЕТМ одних и тех же

Sc, Cr, Fe, Ga, As, Rи, La, Се, Zr,
Pd, NЬ и Th. В 2-2,5 раза возросло содержание S,
V, Со, Sr, в 3-4 раза - Си, Zn, U, в 5 раз - Ва и в
8-10 раз - Мо (рис. 3). В разрезе РЕТМ выделя­

микроэлементов и сходство тенденций в их изме­

ются два прослоя более темноокрашенных биту­

нениях в разрезах Курпаи и Гуру-Фатьма (Таджи­

минозных

кистан) и Амударьинского месторождения (Гаври­

глин с более низким содержанием Сарг. и большин­

лов и др"

ства микроэлементов. Таксономическое же разно­

Весьма показательны близкие содержания в

1994;

керна скважин

Ступин, Музылев,

8

и

10

10 четыре

236,6 м

разделенных

светлым

прослоем

образие микропланктона увеличивается.
В горючих сланцах среднеазиатских разрезов

2010).

пробы, отобранные в 60-сан­

тиметровом интервале с глубин
и

а также

Русско-Полянского района

Южной Сибири (Ахметьев и др"
В скв.

2001),

глин,

отмечается аналогичное повышение в близких про­

237,0, 236,9, 236,7

порциях концентрации практически тех же самых

из интервала РЕТМ, установленного по

микроэлементов, что и в южносибирских би'rуми­

присутствию

Apectodinium augustum,

характери­

нозных глинах:

S, V,

Р, Си,

Zn,

Со,

Sr

и других.

зуют уровень максимальной трансгрессии, когда

Заметное увеличение содержания Ва в интервале

в море в обилии сносился обломочный материал

РЕТМ в пробах с наибольшим содержанием Сорг.


Глава

510

IV.

События и факторы эволюции биосферы

11

А

Скв.10

!

~~

Данные ренmгвно-флуорвсцвнmного внвлизв (РРМ

Si02

opr

Р,О,

233,7 65,58% 0,1% 0,07%
235,5 84,18

236

S
44З7

0,1% 0,14% 1520

V

Zn

Мо

228

77

3

88

40

5

Cr Ni
135 30
113 14

Ва

З22

Sr Cu

t,+1-tt•1:
t".+f!J,S-20°1:

247

24

20

16

12

4

275

о

4

-н,;i:-

t1 .ia ... g•c
t.,.+22•c

t",,,"t

83,14° 0,1% 0,11% 2345

tr но-12•с
t.,,т21•с

Б

2+

Zo

16

12

t 1 +IO°c
tw1 f20"c
t, f. 1•t:
tv11~2r-2s•c

в
2+20tlf2

о

-~

-1

t,;r

Рис. З. Данные рентгена-флуоресцентного анализа осадков интервала РЕТМ в керне скважин Русско-Полянского района
и климатодиаграммы для климатического оптимума эоцена

(11)

(Волкова и др.,

(1)

1990).

А. Климатограмма оптимума раннего эоцена для Обь-Иртышского междуречья (скв.

15),

по данным интерпретации

палиноспектров.

Состав пыльцы:

Stercu/ia; 8 -

1 - Comptonia; 2 - Ara/ia; 3 - Castanea; 4 - Castanopsis; 5 Platycarya; 9 - Carya; 1О - Myrtaceae; 11 - Sequoia; 12 - Taxodium.

Engelhardtia; 6 -

Rhus; 7 -

При указании на рисунке коли­

чественных климатических параметров учтены ареалы некоторых других родов (по данным палинологии).
Б. Климатограмма оптимума раннего эоцена для Северного Верхоянья (быковская свита).

Состав пыльцы:

nopsis; 8 -

1 - Podocarpus; 2 Myrtaceae; 9 - Stercu/ia.

Rhus; 3 -

Sequoia; 4 -

Sciadopitys; 5 -

Taxodium; 6 -

Keteleeria; 7 -

Casta-

В. Климатограмма оптимума раннего эоцена для междуречье р. Яны и Индигирки (тастахская свита).

Состав пыльцы:

8-

Sabal; 9 -

1 - Acer; 2 - Carya; 3 - Corylus; 4 - Castanopsis; 5 Hamamelis; 1О - Sequoia; 11 - Sciadopitys

Oacrydium; 6 -

Liquidambar; 7 -

Moraceae;

как в северных, так и в некоторых южных разрезах

туминозных глин в пределах всей морской мери­

(Гуру Фатьма) позволяет интерпретировать это яв­

диональной коммуникационной системы,

ление в соответствии с гипотезой Дж. Диккенса и

вающей Тетис с Арктическим бассейном.

его соавторов

(Dickens et al., 2003).

связы­

Высокое содер­

жание Мо как в среднеазиатских (особенно в при­
амударьинских сланцах), так и в западносибир­

О механизме теплопереноса

4.

ском разрезе связано с сероводородным заражением
придонных слоев.

Общность разрезов подчеркивается также от­
сутствием или весьма слабым увеличением со­

Имеются многочисленные расчеты среднего­
довых

и

сезонных температур,

а

также

осадков

для пограничного интервала палеоцена и эоцена.

держания некоторых, по существу, одних и тех же

Они получены для разных широт в акваториях

микроэлементов, в том числе и редкоземельных в

шельфовых океанических окраин и внутренних

пластах с повышенным содержанием Сорг.. Это

морей (Ахметьев,

также подчеркивает единую природу и механизм

образования горючих сланцев, сапропелитов и би-

1993, 2004 2007; Akhmetiev, 2010;
1972, 1977; Dickens, 2000; Jacques et al.,
2011; Greenwood et al., 2003; Hollis et al., 2011;
Макулбеков,


М А. Ахметьев и др. Результаты изучения экосистемных событий рубежа палеоцена и эоцена

511

Thomas et а!" 2011; Wolfe, Dilcher, 2000; Wolfe et а!.,
2000 и др.). Несмотря на некоторый разброс в кли­

ции

матических

чаются от модели, предложенной еще в начале 70-х

показателях,

можно

заключить,

что

Все современные климатические реконструк­
раннего

палеогена

принципиально

не

отли­

температура приэкваториальных вод бьша не менее

годов ХХ века

чем на

°С выше

ем на Земном Шаре зон высокого и низкого дав­

была и температура шельфовых вод эпиконтинен­

ления. Господствующие ветры и пассатные тече­

тальных морей в средних широтах Евразии, рас-

ния в северной части Тетиса, по представлениям

считанная по содержанию изотопа о О в ракови-

А. Фрейкеса и А. Кемпа, были направлены с вос­

нах моллюсков и фораминифер (Ясаманов,

1978).

тока на запад (или близко к этому направлению),

На это же указывает и существенное продвижение

ориентированному параллельно азиатскому побе­

в высокие широты разных групп тепловодного мик­

режью. Модель этих авторов получила развитие в

ропланктона (Ясаманов,

статье Дж. Пэрриша и Р. Кертиса

3-5

°С выше современной, на

5-6

18

1978).

Не менее чем на

5 °С

(Frakes,

Кетр,

1972)

с размещени­

(Parrish, Curtis,

выше были и среднегодовые температуры воздуха

1982).

над континентами. Только с высокими температу­

убедительно обоснована в монографии того же

рами было связано бокситообразование в низовьях

А. Фрейкеса с соавторами

Енисея (Бушинский,

В Арктическом бассей­

Независимо от палеоклиматологов западная ориен­

не в разрезе палеогена хр. Ломоносова отмечается

тировка пассатных течений подтверждается палео­

повышение температуры до

ботаниками по направлению расселения мангро­

1975).

20 °С

и более, что под­

тверждается расчетными данными (ТЕХ8б), а так­

Позже она была модифицирована и более

(Frakes et а!., 1992).

вых, а также миграции диптерокарповых, которые

же присутствием в интервале РЕТМ тепловодных

в течение палеогена проделали путь от Индонезии

диноцист

до Африки

(Apectodinium augustum).

Палеоботани­

ческие свидетельства потепления на рубеже РЕТМ
в средних и высоких широтах всех континентов к

(Lakhanpal, 1970).

До окончательного

сочленения в середине эоцена Индостанской пли­

ты с Евразийской с полным прекращением цирку­

северу и к югу от экватора базируются не только

ляции вод Тетиса между двумя континентальными

на анализе состава ископаемых флор, но и на рас­

блоками все пространство между ними занимал

CLAMP
(Climate Leaf Analysis Multivariate Programme)
(Spicer, Неrтап, 1998), основанном на независимых

четах климатических параметров методом

морфометрических показателях строения листо­
вых пластинок покрытосеменных.

4. 1.

мелководный шельфовый бассейн, в котором про­
исходило накопление глинисто-карбонатных пород.
Влияние пассатного течения отражалось на тек­

стурных особенностях осадков, а также развитии
турбидитов. Присыпки песка на поверхности или­

Пассатный теплоперенос в низких
широтах Центральной Евразии

стых

осадков

индийские

геологи

большой эоловой активностью

связывают

с

(Loyal, Gupta, 1990).

В раннем эоцене по мере сужения Тетиса до раз­

Новая тектоническая палинспастическая мо­

меров шельфового пролива скорость пассатного

дель для пограничного интервала палеоцена и эо­

течения должна была увеличиваться из-за возрас­

цена

с ее палеогеографической мо­

тания нагонных явлений. Известно, что в местах

дификацией подчеркивает единство шельфовых

зарождения современных пассатов температура по­

бассейнов Индо-Пакистанской окраины Северного

верхностных вод не превышала

Тетиса с шельфовыми бассейнами Северо-Афган­

по мере их продвижения в тропиках до

ской платформы и Средней Азии. Разделение Тетиса

В эпизод РЕТМ скорость пассатного течения, на­

на две ветви в мезозое и раннем кайнозое проис­

правлявшегося на север при разделении основной

(Scotese, 2002)

+25

°С, возрастая

25-27

°С.

ходило в Индо-Пакистанской акватории. Северная

ветви на две составляющие, в соответствии с рас­

из

четами

этих

ветвей

получила

субмеридиональную

палеотемператур

поверхностных

ориентировку к востоку от Кабульского массива, в

тропической зоне, была выше

пределах которого

2011

в раннем

палеогене

известны

25

°С

вод

в

(Hollis et а!.,

и др.). Близкой была и температура поверх­

Остается вы­

ностных вод южной части Туранского моря, iуда

яснить, какова роль этого морского прохода в пе­

доставлялись теплые воды Тетиса. Об этом свиде­

реносе тепла из Тетиса на север в направлении

тельствуют

континентальные углепроявления.

акватории Северного Перитетиса (рис.

2).

аномально

низкие

значения

изотопа

8180 в горючих сланцах таджикских разрезов (Гуру


Глава

512

IV. События

и факторы эволюции биосферы

близкий современным бамбукам, также

Фатьма, Курпаи). Формирование сланцев проис­

busites,

ходило в мульдах локальных проmбов, где глубины

обитающим в муссонных лесах. В раннеэоцено­

водоемов достигали

400-500 м.

В их придонных

вых флорах

Ushia

более мелколистны и представ­

частях в условиях застойных вод возникала анок­

лены одним-двумя видами. Для некоторых ипр­

сическая обстановка. Скорость же течения поверх­

ских флор Павлодарского Прииртышья (Карасор)

ностных вод под влиянием пассатов на южном от­

характерно

резке морского канала меридионального теплопе­

распространенного ныне исключительно в регио­

реноса была еще значительной. Севернее, уже в

нах Юго-Восточной Азии с муссонным климатом.

пределах Туранской плиты и Тургайского пролива

Кроме кастанопсиса доминантным в этих флорах

высокая скорость

является формальный род

теплопереноса,

как увидим да­

преобладание

Castanopsis -

рода,

Dryophyllum. Его обыч­
Castanopsis не только

но считают прямым предком

лее, сохранялась.

в геохронологическом, но и генетическом смысле

4.2.

(Паламарев,

Муссонный теплоперенос

nopsis,

над континентами Северного

Пыльца, сближаемая с

1962).

Н. М. Макулбековым

(1972)

Casta-

также отмеча­

ется в карасорской флоре в пробах из слоев с ли­

и Южного полушария

стьями С.

Рассмотрим свидетельства муссонной актив­
ности в позднем танете и в раннем ипре в средних

рые

kazakhstanensis

он сравнивал

с

и С.

pavlodarensi,

кото­

примитивными рецептными

видами секции

Echinobalanus (С. formosana Напсе,
kattapaefolia Ring), распространенными в мус­

широтах Центральной Евразии, опираясь на па­

С.

леоботанические данные.

сонной области Юго-Восточной Азии (Юго-Вос­

Между долинами Волги и Енисея известно

точный Китай, Индонезия) (Лыонг Нгок Тоан,

1966).

более десятка местонахождений флор раннего па­

Все это дает основание для сравнения карассор­

леогена. Они могут быть использованы с актуали­

ской флоры с современной юнньнанской. Климат

стических позиций для интерпретации климата.

окрестностей Куньмыня

Большая часть их сосредоточена в Нижнем и

характеризуется, по данным Лыонга, такими по­

Среднем Поволжье, Северо-Западном Казахстане.

казателями: среднегодовое количество осадков

Одни из этих флор имеют позднетанетский воз­

раст или формировались непосредственно на ру­

1038,2 мм; из
то 59,1 %,

беже палеоцена и эоцена (Камышин, Романколь,

симальная

Тыкбутак, флора «коричневых глин» Зайсанской
ипрский или раннелютет­

1,5 дня и толщина снежного покрова не более
0,5 см. Обилие летних осадков, как известно, яв­

ский возраст (Караколь, Карасор, Чакельмес и др.)

ляется основным признаком муссонного климата.

В материковой части Дальнего

Среднегодовая температура также характерна для

впадины и др.), другие

(Akhmetiev, 2010).

-

Востока России и Северо-Восточного Китая ту же
стратиграфическую позицию имеют субтропиче­
ские флоры каолиновых глин и алевритов райчи­

хинской свиты Зейско-Буреинского бассейна, а
также горючесланцевой пачки формации

Cuchengzi

-

столицы провинции

-

12,9 %, ле­
зиму 3,5 %. Мак­
снегопадов
-

них на весну приходится
осень

-

24,5 %

и

продолжительность

(+ 15 - +20 °С),
при среднемесячной температуре января +9,5 °С,
апреля 17,3 °С, июня - 20,9 °С, октября 15,7 °С. Абсолютный минимум температур равняет­
ся -4,2 °С, а абсолютный максимум +32 °С. Сред­
областей тропических муссонов

Фушуня. Ведущее место в родовом спектре этих

негодовое количество осадков в муссонной области

флор занимают лавровые, представленные неред­

Юго-западного Китая

ко пятью родами и более:

Persea, Cinnamomum,
Litsea, Ocotea, Laurophyllum, Daphnogene, Lindera,
Laurus, Appolonias. Доминантами флор являются
буковые: Ushia, Dryophyllum и Castanopsis. Танет­

кулбеков полагал, что карасорская флора сущест­

ские флоры отличаются видовым доминированием

климата лежала и расположенная к югу от Павло­

Ushia, присутствием крупнолистных Viburnum, Magnolia, Ficus, Aralia, Eleocarpus, рецептные эквива­

дара Зайсанская впадина. В раннеэоценовой фло­

ленты

которых распространены

в

муссонных ре­

гионах Китая и Вьетнама. Из однодольных

-

Ват-

-

1000-1500 мм.

вовала при среднегодовых осадках

Н. М. Ма­

800-1200 мм,

с

их максимумом в летний сезон и среднегодовой

температурой

+15-+20

°С. В области муссонного

ре останца Чакельмес, расположенного на южном

берегу озера Зайсан, доминируют виды буковых и
лавровых, в меньшей степени

-

аралиевых. Их


МА. Ахметьев и др. Результаты изучения экосистемных событий рубежа палеоцена и эоцена

прямые потомки обитают ныне в муссонных ле­

стве осадков

сах Юго-Западного Китая и Вьетнама.

приходится на летние месяцы.

1000-1500

513

мм, максимум которых

Местонахождения позднепалеоценовых и ран­

Обобщая полученные данные по Сибири,

неэоценовых флор известны и из районов, лежащих

В. С. Волкова с соавторами приводят следующие

западнее канала морского теплопереноса (верховья

показатели для климатического оптимума эоцена:

Эмбы, Мугоджары). В наиболее богатых ориктоце­

среднеянварские температуры

нозах (Романколь, Тыкбутак, Каралоль) домини­

ного отрезка р. Оби Сибири

рующими таксонами, как и в Прииртышье, были

июльские

-

Ushia, Dryophyllum, Moraceae (Ficus), Lauraceae
(Persea, Cinnamomum, Daphnogene) и др., Elaeocarpaceae, Magnoliaceae, Araliaceae, а также Viburnum,
Sterculia и представители других родов, типичных

1000 мм.

Для Обь-Иртышского междуречья эти

для муссонных областей.

21-25

-

к

югу от широт­

°С, средне­

7-12

°С при среднегодовых осадках

показатели несколько отличаются (соответственно,

8-11°С,19,5-20,0 °С и

1000-1200 мм

осадков).

Потепление раннего эоцена в Северной Сиби­

ри, связанное с атмосферным теплопереносом, ус­

Представления о климате Западно-Сибирской

тановлено

по

растительным

мегафоссилиям

во

плиты получены палинологами (Волкова и др.,

флорах Хараулаха (Кенгдейский грабен) и Яно­

Они основаны на построении климатограмм

Индигирского междуречья (оз. Тастах). В первой

1990).

по разрезам эоцена в разных частях Западно-Си­

из них в дополнение к ранее известным остаткам

бирской плиты и Сибирской платформы. Графи­

листьев магнолий недавно бьmи описаны листья и

чески совмещая ареалы наиболее характерных

цветки миртовых

рецептных родов, установленных в палиноспек­

ды

трах, включая доминирующие, по их максималь­

нившегося ныне только в муссонных субтропиче­

(Ozerov et al., 2006), а также пло­
Craigia (Kvacek et а!., 2005) - растения, сохра­

по­

ских лесах верховьев р. Янцзы. М. А. Ахметьевым,

зволяющие в узких пределах получить сведения

кроме плодов крайгии, обнаружены листья ликви­

о

дамбра и лавровых. Близкий состав имеет и тепло­

ному

сгущению

среднегодовых

Климатограммы,

получены

локальные

поверхностных

построенные

поля,

температурах.

для

климатиче­

ского оптимума эоцена, приведены на рис.

3.

Они

включают сведения о среднеянварских и средне­

июльских температурах восточной части Обь-Ир­
тышского

междуречья

тофович,

1958; Буданцев, 1983).

Потепление на рубеже палеоцена и эоцена
палеоботаниками подтверждено и для Тихоокеан­

Средней Сибири (бассейн р. Котуй, Северо-Си­

ского побережья, хотя при высокой влажности

72°

15, 58°

с. ш.)

дамбрами, платановыми и виноградовыми (Криш­

(А),

бирская низменность,

(скв

любивая флора оз. Тастах с магнолиевыми, ликви­

ю. ш.) (Б), междуречья

Яны и Индигирки, оз. Тастах,

70°

с. ш. (В) и Се­

климата его сезонность была практически не вы­

ражена. Остатки веерных пальм

Sabal

были обна­

верного Верхоянья (низовья р. Лены, Северное

ружены Л. Ю. Буданцевым в чемурнаутской свите

Верхоянье, быковская свита,

Северо-Западной Камчатки. Экземпляр

до

20

с. ш.). При по­

Sabal

из

от

коллекции М. А. Ахметьева бьm найден В. И. Во­

родов древесных растений. А. Н. Алек­

лобуевой в основании эоцена бухты Угольной к

строении климатограмм

15

72°

учитывались

сандровой и Н. А. Ясамановым

ареалы

(1987)

рассмот­

югу от устья р. Анадырь. В пределах севера Тихо­

рены климатические обстановки раннего кайнозоя

океанского

бокситоносных отложений юго-запада Сибирской

мигрировали по океаническому побережью Северо­

кольца

во

время

потепления

пальмы

платформы (низовья Ангары, Енисейский кряж).

Восточной Азии и Аляскинско-Канадского секто­

Родовой спектр палинофлоры порожнинской сви­

ра Северной Америки.

ты, отражающий климатический оптимум эоцена,

Меридиональный атмосферный теплоперенос

сравнивается ими также с составом лесных суб­

явился причиной формирования муссонного тече­

тропических флор современных муссонных ре­

ния по основному меридиональному каналу в цен­

гионов Юго-Западного Китая. Данная ими оценка

тре Евразийского континента. Известно, что со­

климатических показателей такова: среднегодовая

временные муссонные течения распространя~6тся

температура воздуха составляет
негодовая температура января
ля

-

21,0 - 26,5

+16 - +22 °С,

сред­

до глубин

100 м,

реже более. Таким образом, в

°С, ию­

изучаемом интервале под их влиянием находилось

°С при среднегодовом количе-

все шельфовое пространство Туранского и Западно-

10,0-10,5


514

Глава

IV.

События и факторы эволюции биосферы

Сибирского эпиконтинентальных морей, а также

В позднем палеоцене около

Тургайского пролива. Направления течений обычно

зад

среднегодовые

60-58 млн лет

температуры

на­

Центрального

соответствуют направлению самих муссонных вет­

Техаса бьmи близки современным

ров. В раннем эоцене они бьmи направлены с юга

был более мягким и влажным с перепадом сезон­

на север. Достигая юга Западно-Сибирского моря в

ных температур

результате

симальными

направленной

силы

вращения

Земли

(правило Кориолиса), тепловой поток отклонялся к

3000 мм

востоку. Это находит, по нашим данным, подтвер­

ныне,

ждение в

влажных

проникновении далеко

к северу микро­

планктона, а также процессов бокситообразования

11

°С (сейчас около

осадками

(сейчас

в

трех

20

°С) с мак­
сезон

до

Эти осадки, как и

сезонно

сухих

°С). Климат

дождливый

800-120 мм).

распределялись

и

(19

в

месяцев.

течение

трех

Соотношение

вечнозеленых

осадков дождливых и сухих сезонов 120 мм к
60 мм (сейчас 30 мм к 15 мм). В позднем танете
(58-57 млн лет назад) среднегодовая температура
возросла до 23-24 °С и климат стал еще более
мягким (среднегодовые амплитуды температур 6-7 °С при осадках до 4000 мм). Выпадение осад­

растений, в том числе пальм, установлены в по­

ков как и раньше продолжало носить сезонный

рожнинской свите раннего эоцена правобережья

характер, с максимумом их в летние месяцы. Еще

Енисея (Александрова и др"

более высокими среднегодовые температуры бы­

к востоку от Тургайского пролива (Амангельдин­

ская группа месторождений) и близ восточной ок­
раины Западно-Сибирской плиты (месторождения
Енисейского кряжа и Чадобецкого поднятия). Па­
линоспектры

с

участием

пьmьцы

1984).

Близкий по со­

ставу палинокомплекс выявлен Н. И. Запорожец в

ли в терминальном танете

глинистой

когда

пачке,

подстилающей промьшшенную

они

возросли

до

(57-56 млн лет назад),
27 °С, сопровождаясь

бокситовую залежь в Амангельдинской группе ме­

дальнейшим падением среднегодовых амплитуд

сторождений западнее г. Аркалыка.

температур (на

На большую скорость в раннем эоцене мус­

время

2 °С). Количество осадков в это
возросло до 5000, причем сезонность их вы­

сонного течения в Тургайском проливе указывала

падения сохранялась в такой же степени. К концу

Х. С. Липман

раннего эоцена среднегодовые температуры снизи­

(1965,

с.

87-88),

изучавшая радио­

лярии. Она писала: «Анализируя особенности ске­

лись до

летов радиолярий, мы видим, что они приспособле­

падении осадков. Это подтверждено результатами

ны к парению и свободному плаванию в условиях

изучения флор вышележащей формации Клейборн.

морского бассейна с большим гидростатическим

В северной части морского бассейна, трансгресси­

давлением. Это позволяет сделать вывод о теплой

ровавшего

или умеренной температуре вод, наличии восхо­

Миссисипи, в условиях влажных тропиков проис­

дящих течений и течений с быстрыми движения­

ходило формирование латеритной коры с боксита­

22-23

из

°С при сохранении сезонности в вы­

Карибской

акватории

по

долине

ми. Приведенные данные свидетельствуют о дли­

ми ВОДЫ».

За пределами Евразии потепление в конце
палеоцена и в раннем эоцене трактуется различ­

тельном влиянии тропических муссонов на расти­

тельный покров равнин юго-востока США.

но. Тем не менее, ведущим механизмом признает­
ся также муссонный теплоперенос.

Потепление терминального палеоцена и ранне­
го эоцена отчетливо проявилось и на Тихоокеан­

Для Северной Америки сведения о климате в

ском побережье США. Свидетелем этого являются

пограничном интервале палеоцена и эоцена при­

находки веерных пальм в ряде местонахождений в

ведены Дж. Вулфом и В. Дильчером

(Wolfe, Dilcher,

Центральной и Южной Аляске, а также прилегаю­

СLАМР-анализом рассчитаны климатиче­

щих островах. Климат неизменно сохранялся гу­

ские показатели для позднепалеоценовых и ран­

мидным, однако сезонность его проявлялась слабее.

нееэоценовых флор двух регионов: Юго-Восточ­

В Китае на рубеже палеоцена и эоцена про­

ной равнины США восточнее Техаса и Западного

изошло смещение к северу климатических зон, и

побережья континента. Для первого региона обра­

северная

батывались флоры формации Вилькокс

42°

2000).

(30°

с. ш.).

Их местонахождения отстояли по широте на

5°.

граница

стала

располагаться

севернее

с. ш.

Сведений о температурных

осцилляциях на

Западный регион расположен в средних широтах

конrnнентах в экваториальной зоне мало. Р. Мехротра

от штата Вашинпон до Южной Аляски.

(Mehrotra, 2011)

исследовал переходные флоры от


515

МА. Ахметьев и др. Результаты изучения экосистемных событий рубежа палеоцена и эоцена

палеоцена к эоцену в Западной Индии (Кач и

ской и Евразийской плит в начале второй полови­

Гуджарт). Он пришел к заключению, что эти фло­

ны палеогена. Что касается муссонных течений, то

ры могли суrnествовать в условиях тропического

они господствовали в меридиональной морской

климата с обильными осадками. В наземном по­

системе Центральной Евразии вплоть до начала ее

крове бьши распространены тропические вечно­

перестройки в лютете.

зеленые и увлажненные листопадные леса. В со­

ответствии с мобилистской парадигмой в раннем

Микропланктон пограничного

5.

эоцене Индия, по мнению Р. Мехротры, еще про­

должала «дрейф» к северу.

интервала палеоцена и эоцена

В Южном полушарии интервал РЕТМ изу­
чен палеоботаниками в Новой Зеландии, Австра­

лии и Южной Америке

(Hollis et al., 2011; Greenwood et al., 2003; Romero, 1986). Опираясь на
климатические показатели, авторы связывают по­

тепление с муссонами.

теплопереноса

в

эоцене

Южного полушария

Джордж

(62°

в

переходном

помогает

в

высоких

приведены для

ю. ш.) (Jacqиes

палеоцена

и

эоцена

микропланктона.

широтах

о-ва Кинг

et al., 2011).

диноцистам. Поведение нанопланктона в эпизоде

РЕТМ ранее рассмотрено Е. А. Щербининой (Гав­
рwюв, Щербинина,

5.1.

События РЕТМ, отраженные

в комплексах диатомовых

установлены кипарисовые, ногоплодниковые, ара­

водорослей в биокремнистых

лиевые, лавровые и миртовые при доминировании

(Nothofagus).

2004).

В соста­

ве флоры Фоссил Хилл, ипрско-лютетский воз­

отложениях

Родовой спектр

Расшифровку событий РЕТМ в бореальном

флоры близок современной флоре центральных

районов Чили

от

комплексов

В этом разделе будет уделено внимание трем груп­

раст которой доказан абсолютными датировками,

листьев южного бука

интервале

изучение

пам: диатомовым водорослям, фораминиферам и

Палеоботанические свидетельства муссонно­
го

Установлению последовательности событий

ю. ш.). В эоценовой флоре со­

поясе дает детальный анализ биокремнистых осад­

четались тропические и теплоумеренные элементы,

ков краевых частей морских бассейнов Зауралья и

отчего она названа «смешанной палеофлорой».

Среднего Поволжья, где диатомовые и силикофла­

Климатические показатели по расчетам

геллаты нередко являются породообразующими.

(40°

CLAMP

свидетельствуют о гумидном теплоумеренном кли­

Стратиграфической основой исследований является

мате со среднегодовыми температурами

региональная зональная шкала по диатомеям,

10,81

°С

ска­

и среднегодовыми осадками

-

выпадав­

либрованная с региональной шкалой по диноцистам

шими сезонно. Около

осадков приходилось

и другими группами планктона методами прямой

на

5 летних

60 %

в день). Ав­

и опосредованной корреляции (Ахметьев и др.,

торы статьи связывают потепление Антарктиче­
ского континента в первой половине эоцена с влия­

2001, 2004; Орешкина, Александрова, 2007; Ореш­
кина и др., 2008; Oreshkina et al., 2003, 2004 и др.).

нием муссонного климата. Продолжительность ве­

Объектами в Среднем Поволжье были разрезы

гетационного периода определена ими в

6 месяцев,

Сенгилея, Балашейки, скважин

при

непродол­

лье

этом

месяцев (в среднем

1247 мм,

допускается

6,2 мм

существование

жительного морозного сезона.

-

скв.

19 А

38

и

50,

в Заура­

(Усть-Манья), Ханты-Мансийска,

Камышлова, Коркино, Бакы и др.

палеогене теплопереносу еще не мешали широтные

Trinacria ventAlisocysta margarita по диноцистам (= верхи NP8 по
нанопланктону). Верхняя часть зоны Trinacria
ventricиlosa примерно с первого появления Moisseevia иralensis коррелируется с зоноw Apectodiniиm hyperocanthиm по диноцистам (близко NP9a).

орографические барьеры. Они стали возникать в

Объем зоны Hemiaиlиs proteиs примерно соответ­

Евразии после окончательной коллизии Индостан-

ствует объему зоны Apectodiniиm

Все рассмотренное выше позволяет сделать
вывод, что если в позднем палеоцене и в раннем

эоцене основной механизм теплопереноса в низ­
ких широтах определялся пассатами, то в средних,

а отчасти и в высоких широтах как Северного, так

и Южного полушария

-

муссонами. В раннем

Нижняя часть диатомовой зоны

ricиlosa соответствует верхней части зоны

augustum

по ди-


Глава

516

IV.

События и факторы эволюции биосферы

(NP9b). Интервал зоны Moisseevia (=Coscinodiscus) uralensis от уровня резкого уменьшения

витием карбонатно-терригенных фаций в интер­

таксономического разнообразия диатомовых ас­

биокремнистые осадки с комплексом диатомей ин­

социаций до основания зоны

тервала зон

отвечает диноцистовой зоне

teus.

ноцистам

densis

(нижняя часть зоны

Coscinodiscus payeri
Dejlandrea oeblsfelNPlO). Таким образом,

вале перехода от палеоцена к эоцену появляются

Trinacria ventriculosa - Heniiaulus pro-

Таксономически они менее представительны:

«полосатая» толща Соколовского карьера в Тургае,

граница палеоцена и эоцена близка основанию

тыкбутакская свита в Примугоджарье, опоки сузак­

зоны

и приходится на верхнюю

ских слоев в Приташкентской депрессии и в Фер­

часть камышинской свиты Среднего Поволжья и

гане. В керне скважин близкие по составу ком­

верхнюю часть серовской свиты Зауралья.

плексы установлены у оз. Ащиколь (Чуйская впа­

Hemiaulus proteus

В Среднем Поволжье, начиная с верхней час­

ти зоны

Trinacria ventriculosa

происходит

пополнение

состава

диатомовых

за

счет увеличения доли тахепелагической группы

Paralia/Anuloplicata,

дина) и в Восточных Кызьшкумах.

(верхи палеоцена),

маркирующей начало транс­

Особенность реакции диатомовой флоры на
события РЕТМ заключается в том, что максимум
таксономического

разнообразия

верхнюю часть зоны

приходится

на

до со­

Trinacria ventriculosa

грессии. Расширение комплекса происходит за счет

бытия

появления новых монотипных родов - Podosira,
Fenesstrella, Craspedodiscus, Moisseevia и др. Ха­

же закономерность отмечается и для Шпицбергена

(Harding et а!., 2011).

рактерна и выраженная диверсификация таксонов
группы

родам

Trinacria s. !.

границы палеоцена и эоцена. Такая

CIE -

Данные по диатомовым и силикофлагеллатам,

Heniaulus, Anaukus,
зона Hemiaulus proteus, со­

тельствуют о трех этапах развития Северного Пе­

ответствующая изотопному событию, принятому за

ритетиса на рубеже палеоцена и эоцена. Они от­

границу палеоцена и эоцена, отвечает биозоне вида,

ражены

индексирующего

вслед за высокоамплитудной позднетанетской рег­

Paralia и др.

вущего

Следующая

зону

с

присутствием

Gyrocilindrus antiqua.

короткожи­

Обновление комплекса

происходит и за счет исчезновения ряда видов ниж­

ней части зоны

как и по другим группам микропланктона, свиде­

рессией:

в

трансгрессивно-регрессивных

1) начальная

грессия и потепление;

циклах

стадия (Pre-PETM) - транс­
2) собственно собьпие РЕТМ,

Trinacria ventriculosa (Stephanopyzis
mirablle). Аналогичные тренды на­

трансгрессией (в ряде разрезов имеются признаки

блюдаются и в развитии силикофлагеллат, где для

сверхкратковременной регрессии в начале этого

ferox,

Тinacria

совпадающее

с

изотопным

экскурсом

и

новой

эпизода РЕТМ характерны короткоживущие таксо­

события);

ны с атипичной морфологией

который отражает переход к раннеэоценовой фло­

- Dictiocha elongata,
Naviculopsis danicus, N robusta и др.
Комплексы диатомей с редукцией состава (зона

Moisseevia uralensis)

после событий РЕТМ харак­

терны для калининской свиты Среднего Поволжья.

3)

заключительный этап

-

Post-PETM,

ре с заметным сокращением видового разнообра­
зия;

появление

реперных

видов

раннего

эоцена,

кратковременную регрессию и затем стабилиза­

цию бассейна.

В Западной Сибири в пределах основного ка­
нала теплопереноса переход от палеоцена к эоцену

полнее представлен в Среднем Зауралье

(серовско­

ирбитские отложения карьеров Камышлов, Корки­
но и Чумляк). Как и в Поволжье, верхняя часть зоны

Trinacria ventriculosa

5. 2.

Перестройки сообществ
бентосных и планктонных

фораминифер на рубеже
палеоцена и эоцена

характеризуется максимумом

таксономического разнообразия. Появляются но­

На рубеже палеоцена и эоцена произошла од­

вые рода - Pseudotriceratium и Distephanosira. Зона
Hemiaulus proteus, отвечающая кульминации тер­
мического максимума интервалу CIE, характе­

на из наиболее масштабных в истории фанерозоя
катастрофических

перестроек

состава

и

сооб­

ществ бентосных фораминифер. Она выразилась

ризуется появлением нескольких короткоживущих

в массовом глобальном вымирании батиальных и

таксонов, включая и индекс-вид.

абиссальных форм и кардинальной смене нерити­

В пределах более южной части канала мор­
ского теплопереноса в Северном Казахстане с раз-

ческих бентосных фораминифер. Это событие, ко­
гда, по данным специалистов, исчезло от

30 до 50 %


М А. Ахметьев и др. Результаты изучения экосистемных событий рубежа палеоцена и эоцена

палеоценовых видов

сапропелитовый горизонт (СП). Однако в ряде

под аббревиатурой

полных разрезов (Торанглы, Хеу) массовое исчез­

tion).

(Kennet, Stott, 1991), известно
BFE (bentic foraminifera extinc-

517

Предполагается, что этот процесс был крат­

ковременным (от

100

до

200 тыс.

лет). Он про­

явился синхронно с изотопным экскурсом углерода

(CIE).

Подобные изменения в меньшей степени

коснулись и планктонных фораминифер. Отмеча­

новение
(событие

(вымирание)

бентосных

BFE) происходит не

фораминифер

на границе СП с под­

стилающими мергелями и известковыми глинами,

а фиксируется в

1-2 м

ниже подошвы СП. По­

скольку весь профиль пересекает батиальную зо­

ется увеличение тепловодных акаринин и морозо­

ну, то происходит редукция комплекса этой зоны

велл и ускоренная эволюция

Stensioenia (Gavelinella) beccariiformis - Nuttalides
truempyei, известного как тип «Веласко». Эту ре­

rozovella,

Globanomalina

и

Mo-

что дало основание подразделить низ­

коширотную зону

(Р5) на

дукцию удалось наблюдать в изученных разрезах.

три подзоны

группа

На смену ей приходит обедненная бентосная «ин­

Morozovella velascoensis
(Speijer, Schmitz, 2000). Эта

с

фауна» (тех групп, раковинки которых погружены в

другими группами микропланктона во многих раз­

карбонатного

планктона изучалась

совместно

осадок) в отличие от эпифауны, представители ко­

резах Крымско-Кавказской области, Средней Азии,

торой лежали на грунте. Кроме того, в СП получает

Тургая и Западной Сибири (Музылев и др.,

распространение новая группа бентосных форм,

1989,

Beniamovskii et а!., 1999) и др.

представленная дизоксическими и субоксическими

Уникальность российского региона, давшая
возможность

исследовать

изменения

комплексов

фораминифер от области терригенно-кремнистой

булиминами, нодозариями, «примитивными» агг­

лютинирующими формами, что отражает гипоксию
и эвтрофность придонной водной массы.

седиментации на севере до карбонатно-тонкотер­

Планктонные фораминиферы, правда, не в та­

ригенной на юге, в том числе и в разрезах канала

ком катастрофическом виде, как бентосные, также

теплопереноса из низких широт,

указывают

позволила про­

на

значительную

экосистемную

пере­

следить изменения комплексов фораминифер на

стройку поверхностных водных масс в переходном

несколько тысяч километров по этому долготному

интервале.

траверсу (рис.

(Б и В) демонстриру­

числа акаринин является отражением более высокой

ется последовательная смена комплексов форами­

температуры вод. Это позволяет детализировать

нифер и другой планктонной биоты, отражающая

традиционную

1).

На рис.

Появление морозовелл и увеличение

2

абиотические перестройки по долготному профи­

лив

лю от Таджикской впадины, где развиты горючие

А.

сланцы, до бореального Западно-Сибирского моря.
Они представляют звенья единой коммуникаци­

крымско-кавказскую

шкалу,

разде­

зону Acarinina acarinata на три подзоны:
soldadaensis (нижнюю), Morozovella aequa (сред­
нюю), Subbotina patagonica -А. coalingensis (верх­
нюю) (Беньямовский, 2001).

онной цепи между Тетисом и Арктикой.
Весьма показательно изучение комплексов
бентосных и планктонных фораминифер разреза

5.3.

Органикостенный фитопланктон

Соколовского карьера Тургайского прогиба, яв­

Диноцисты постоянно присутствуют в слоях

ляющегося связующим звеном между областями

эпизода РЕТМ, а также в подстилающих и пере­

терригенно-биокремнистого и карбонатно-тонко­

крывающих их отложениях как в пределах основ­

терригенного осадконакопления. В этом разрезе

ного канала морского переноса, так и в шельфо­

на границе палеоценовой соколовской и нижнеэо­

вых осадках за его пределами.

ценовой «полосатой» толщ полностью исчезают

цист из трех разрезов. Два из них (Курпаи, Таджи­

бентосные фораминиферы.
На рис.

4

Ниже приводятся результаты изучения дино­

демонстрируются результаты реор­

кистан) и скв.

10

в Русско-Полянском районе юга

ганизации комплексов фораминифер по ряду опор­

Сибири находятся в створе морского меридио­

ных разрезов западнее Амударьинского разлома,

нального теплопереноса, третий

ограничивающего

строение одного из разрезов северной моvоклина­

с

запада

полосу

распростране­

ния горючих сланцев. В пределах Закаспийского и

-

характеризует

ли Большого Кавказа.

направлении

Разрез Курпаи выбран для изучения в связи с

здесь повсеместно прослеживается пограничный

аномальными экскурсами в горючих сланцах о С

Кавказского

регионов

в

широтном

13


518

Глава

IV. События

и факторы эволюции биосферы

о

..,
8.,,.;

[S]

iio

·~~
... :s

~
[].

х

~g

(.) Q.

О>

.:s:

1&

[~
~~
5

'<#"
.сх

[].
00

.~"

...

!Ох

[Ш.

~·i
~!

Q

ф

.-:.g"

[11

i~

ш

'i~

"'

i:r·~

в

йi

f ...

...

::!

CL

~
"'
~

i

"~!
~а
а5

~~

"'

rn

!i

~е

8

ф

~
ж
о

~

ж

е."
о

"'::&

Q.

"i
~о

5

:s

о:Т

е

h

enoeueu


МА. Ахметьев и др. Результаты изучения экосистемных событий рубежа палеоцена и эоцена

Рис.

4.

519

Динамика сменяемости комплексов бентосных и планктонных фораминифер в морских экосистемах на рубеже
палеоцена и эоцена в опорных разрезах по меридиональному профилю от Таджикской впадины до южного
ограничения Западно-Сибирской плиты и по субширотному профилю к западу от Амударьинского разлома
(Западный Копет-Даг и Северный Кавказ).

1-

положение рассматриваемых разрезов на схематической палеогеографической карте (см. рис.

гели;

мергели опесчаненные;

3-

4-

глины мергелевидные;

опесчаненные, пески и алевриты глинистые;
ном цементе;

8-

пески;

глины карбонатные;

5-

карбонатные пески;

9-

10 -

6-

мер­

2); 2 7-

глины;

глины

песчаники на карбонат­

массовое исчезновение (вымирание) бентосных фораминифер, по которому устанавливает­

11 -

ся нижняя граница эоцена (глобальный эпизод

BFE,

АиЬгу

et а/" 2007);

в разрезе р. Хеу звездочкой отмечены

образцы, в которых Н. И. Запорожец определила комплексы диноцист

(более 5%о) и 8 0 (до 7%о). Пачка сланцев из двух
пластов (более 1 м) занимает в разрезе тот же стра­
18

тиграфический уровень, что и в пределах других
сланцевых полей (нижняя часть сузакской свиты
по О. С. Вялову и средняя часть каптарских слоев

гиварского горизонта (Давидзон и др"

диноцисты и другой микропланктон не встречен.

Содержание Сорг.

более

5 %. Из микроэлемен­
тов по сравнению с фоновым в 2-3 раза возрастает
содержание РЬ, Zn, Ag, в 5 раз Ni, V, Со, Fe, Р,
на порядок - Мо.
-

Вме­

В пачке, перекрьmающей сланцы, падает содер­

щают сланцы пачки опесчаненных глин с резкими

жание Apectodiniиm, исчезают тератоморфы, содер­

нижними и такими же отчетливыми, но более по­

жание микроэлементов становится фоновым, орга­

степенными верхними контактами. Прослой меж­

нического вещества менее

сланцевых мергелистых глин принадлежит нижней

руют эоценовые таксоны ветцелиелловой группы.

части зоны

лев и др"

mиltiradiatиs, а по планктон­

Discoaster

ным фораминиферам

1982)).

Globorotalia

-

Разрез скв.

1О

20 %.

В спектрах домини­

Русско-Полянского района юга

аеqиа (Музы­

Сибири. Интервал РЕТМ установлен во многих раз­

Горючие сланцы не содержат фи­

резах Западно-Сибирской плиты, расположенных

топланктона, в том числе и диноцист. Л. И. Бого­

непосредственно в створе меридионального тепло­

любовой в них обнаружены бентосные нитчатые

переноса от ее южных окраин до Полярного Круга

1989).

колониальные формы Microcoleиs, относящиеся к

(Орешкина и др"

аэробным оксигенным фитотрофным цианобакте­

биоты шельфовых осадков раннего палеогена при­

риям (Музылев,

брежной акватории Арктического океана севернее

1994).

В пробе из глин в

1м

ниже подошвы слан­

2008).

По сходству литологии и

предполагается смыкание осадков западносибирско­

цев аморфная органика составляет не более

го шельфа с шельфовыми осадками хр. Ломоносова

В спектре диноцист

близкого состава, вскрытыми буровыми работами

niиm

(40 %),

15

видов.

15 %.
Доминирует Apectodi-

в том числе А. homomorphиm (в массе)

и А. qиinqиelatиm. Другие таксоны представлены
хоратными и гониаулакоидными цистами открытых

Международной экспедицией

(Moran et al" 2006).

Горизонт битуминозных глин и сапропели­
тов в скв.

1О

с содержанием С орг. до

2,5 % приуро­

полносоленых бассейнов (Spiniferites cornиtus, Achomosphaera alcicornи, Hystrichokolpoma sp" Cerodiniиm sp" Dejlandrea oeblsfeldensis и др.). В пробе,
отобранной в О, 1 м ниже подошвы сланцев, со­

А. hyperocanthиm, А.

кращается разнообразие спектра. Однако появля­

dium

ется А.

впервые появляется выше подошвы пачки битуми­

parvum,

Oligosphaeridiиm,

Cleistosphaer-

чен к люлинворской свите и вскрыт в интервале

237-233,7

м, выделяясь по присутствию характер­

ных таксонов диноцист: Apectodiniиm aиgиstum,

parvum"

А. sиnissиm,

pechoricиm. Зональный вид

-

idiиm и Melitasphaeridiиm, увеличивается содер­

нозных глин

жание

стилающие пачку глины по присутствию

Spiniferites.

В нижнем пласте сланцев встречены единич­

ные А. homomorphиm и А. qиinqelatиm, уступившие
место цианобактериальной массе. В

2-4 раза
Zn,

фоновым возрастает содержание Мо, Си,
ческого вещества до

15 %.

denticиlata относятся к та­

нету. Во всех четырех проанализированных пробах
(рис.

рокомпонентов по сравнению с фоновым: в

В спектре диноцист

1

Dejlandrea

Alisocysta

Ва.

-

видов, из которых пять принадлежат тератомор­

фам Apectodiniиm. Обнаружено

и

и исчезает в их кровле. Под­

над

В межсланцевом прослое глин содержание органи­

25

margarita

(236,7)

Wilsoni-

А. аиgиstит

зерно А. аиgи­

stит. В двух пробах из верхнего пласта сланцев

3)

отмечается увеличение содержания мик­

1,21, 7 раз - Sc, Cr, Fe, Ga, As, La, Се, Zr, РЬ, NЬ, Th,
в 2-2,5 раза - S, V, Со, Sr, в 3-4 раза - Cи,.fl.n, U,
в 5 раз Ва, в 8-10 раз Мои Р. Обращает вни­
мание существенное увеличение тех же микроэле­

ментов, что и в разрезе Курпаи: Мо, Си,

Zn,

Ва.


Глава

520

IV.

События и факторы эволюции биосферы

В перекрывающих глинах редуцируют

ApecAreoligera и Glaphyrocysta
инициального ипра. В 4 м выше кровли битуми­
нозных глин обнаружены ветцелиеШiы ( Wetzeliella
astra - loblsca), а выше новые эоценовые виды
появляются в такой последовательности: Wetzeliella meckelfeldensis, Dracodiniиm simile, D. varielongitиdиm, Charlesdowniea coleothrypta, D. politиm,
Ch. соlитпа (нижний - начало среднего эоцена
todiniиm и появляются

ляющих битуминозные разности. Содержание в
мацератах этих глин Apectodiniиm

-

70 %.

Возраст глин, подстилающих и перекрьmающих

битуминозные разности, отвечает терминальному

танету и лишь проба из глинисто-кремнистой пачки,
венчающей разрез, указьmает на ее ипрский возраст.

Глины кровли пачки, подстилающей битуми­

По видовому разнообразию Apectodiniиm (акме

5 видов Apectodiniиm, несколько
Kenleyia, в том числе К. пиdа. Единично Areoligera sp., Hafniasphaera graciosa, Spiniferites sp.,
Apteodiniиm sp" Opercиlodiniиm sp. и другие таксоны.

рода) интервал его максимального распространения

Проба из глин, расслаивающих битуминозные

диноцистовой шкалы).

нозную, содержат
зерен

лат.). Этот уро­

слои, наиболее богата, с обилием тератоморфных

вень в западносибирских разрезах прослеживается

Apectodiniиm (А. plexиs) с толстостенной оболочкой.

от пос. Карталы (р. Аят) и карьера у пос. Перши­

А. аиgиstит встречен в единичных зернах. Появ­

но на западе до Каймысовского свода Привасюганья

ляются таксоны, не установленные в подстилаю­

на востоке и от границы с Казахстаном в Русско­

щих глинах: Adnatosphaeridiиm robиstиm, Opercи­

Полянском районе на юге до низовьев р. Пур у

lodiniиm severinii, Dejlandrea cf oeblsfeldensis,
cf Fibrocysta Ьiopolaris, Diphyes kolligerиm, Homo-

назван А. р!ехиs («сплетенный»

-

арктического побережья.

Разрез по долине р. Хеу (Кабардино-Балкария)

tryhliиm abbreviatиm. Единично встречаются цисты

палеонтологически комплексно изучен. Семь па­

Achomosphaera sp., Spiniferites sp" Tectatodiniиm sp"
Apteodiniиm sp" Cordosphaeridiиm sp" Wilsonidiиm sp.
и другие (всего не менее 20 родов).

линологических проб отобраны из
битуминозных глин, расслоенного
светлоокрашенных

глин,

а также

40

1О
из

см пласта

см прослоем
подстилаю­

В глинах, непосредственно перекрывающих

щих и перекрывающих глин. Еще одна проба ото­

битуминозные разности, сохраняется

брана из глинисто-кремнистого пласта в

над

иm augustиm и другие тератоморфы этого рода с

битуминозными глинами. Выделено четыре уровня,

утолщенной стенкой клеток. Появляются новые

отличающихся составом спектра диноцист:

таксоны, обычные для позднетанетского комплек­

3м

1)

из

глин, подстилающих пласт битуминозных глин;

2)

из самого пласта;

3)

из глин, непосредственно

перекрывающих битуминозный пласт;

4)

из гли­

Apectodini-

са диноцист.

В пробе из глинисто-кремнистой пачки
diniиm практически исчезает (менее

5 %).

ApectoДоми­

нисто-кремнистой пачки над битуминозной пач­

нирующей становится группа гониаулокоидных и

кой и перекрывающими ее глинами.

хоратных цист, отражающих большую открытость

Споры и пыльца практически отсутствуют.

бассейна. Особенно многочисленны цисты

Диноцисты таксономически разнообразны, осо­

sphaeridiиm,

бенно в светлом прослое глин, расслаивающем

Areoligera, Apectodiniиm.
astra, Eatonecysta иrsиlae,

битуминозные разности, в глинах из подошвы, а

CordoAchomosphaera,
Появляются Wetzeliella
Systematophora spp. Эти

Oligosphaeridiиm,

также в глинисто-кремнистой пачке, венчающей

таксоны в западноевропейских разрезах характе­

разрез. 2-й уровень соответствует прослою глин,

ризуют нижнюю зону ипра.

расслаивающих битуминозные, и включает бога­

Таким образом, изученные разрезы объединяет:

тый спектр диноцист. В самих же битуминозных

1) четкое

глинах органомацерат почти на

сов диноцист;

100 %

состоит из

обособление трех сменяющихся комплек­

2)

выделение среднего комплекса с

слабо сегрегированного органического вещества,

доминированием цист Apectodiniиm и тератоморф

возможно,

этого рода, наряду с короткоживущим

цианобактериального

происхождения

-

Apectodi-

или продуктов жизнедеятельности неустановлен­

niиm

ных водорослей.

танета, обычно ограниченного в распространении

зональным индекс-видом терминального

Олиготаксонный состав спектра, свидетельст­

интервалом

вующий об аномальной гидрологической обста­

комплексов

новке, характерен только для светлых глин, разде-

РЕТМ в начале эоцена.

CIE; 3)

заметные изменения в составе

диноцист

по

завершению

эпизода


М А. Ахметьев и др. Результаты изучения экосистемных событий рубежа палеоцена и эоцена

Заключение

1.

521

Литература

Рассмотрены экосистемные события рубежа

Александрова А. Н., Братцева Г М, Кулькова И А.

(1984)

палеоцена и эоцена. Отвечающий им временной

Континентальные бокситоносные отложения палео­

интервал

цена и нижнего эоцена Сибирской ш~атформы и их

предполагаемой

продолжительностью

200 тысяч лет установлен по отрицательным изо­

топным аномалиям 8 С и 8 0, аномальному гео­
13

химическому

фону

18

некоторых

микроэлементов,

массовому вымиранию бентосных фораминифер,
смене

состава

комплексов

позвоночных,

появле­

нию тератоморф в комплексах микропланктона.

палинологическая характеристика

//

Среда и жизнь

на рубежах эпох кайнозоя в Сибири и на Дальнем
Востоке. Новосибирск: Наука. С.
Александрова А. Н., ЯсамановН. А.

106-111.

(1987) Климаты ранне­

го кайнозоя юго-запада Сибирской платформы
маты Земли в геологическом прошлом. М. С.

Ах.метьев МА.

(2004)

//

Кли­

181-190.

Климат Земного шара в палеоцене

Биотические и абиотические собьпия, сопут­

и эоцене по данным палеоботаники// Климат в эпохи

ствующие кризису, так же как и магнитуда анома­

крупных биосферных перестроек/ Гл. ред.: М. А. Се­

2.

лий, бьши различными в шельфовых зонах Мирово­
го океана, эпиконтинентальных морях, во внутрен­
них частях океанических впадин и на континентах.

3. Возникновение

экосистемного кризиса обу­

словлено быстрым разложением скоплений газо­
гидратов

в морских и океанических осадках,

вы­

звавшим увеличение СО 2 в атмосфере за счет окис­
ления

метана,

что

сопровождалось

парниковым

михатов, Н. М. Чумаков. М.: Наука. С.

Ахметьев МА.

10--43.

Фитостратиграфия

(1993)

континен­

тальных отложений палеогена и миоцена Внетро­
пической Азии. М.: Наука.

Ахметьев М А.
эоцена

142

с.

Флора и климат палеоцена и

(2007)

центральной

части

Северной

Евразии

//

Проливы Северного полушария в мелу и палеогене.
М.: Изд-во Геол. ф-та МГУ. С.

Ахметьев М А.

(1985)

Флоры Зайсанской впадины на

эффектом и потеплением. Источники метана име­

рубеже эоцена и олигоцена

ли различную природу.

геол. №

11.

С.

137-151.

//

Изв. АН СССР. Сер.

76-85.

4. Очаги потепления, судя по изменяющемуся

Ахметьев М А., Александрова Г Н., Амон Э. О., Бенья­

содержанию изотопа 8 0 в осадках с аномальным
содержанием 8 13 С, бьши дискретными. Глобальное

мовский В. Н., Бугрова Э. М, Васильева О. Н., Гле­

18

потепление бьшо связано с морским и атмосфер­
ным переносом тепла из низких в высокие широты.

зер З. И,

Железко В. И,

Запорожец Н. И,

Козло­

ва Г Э., Николаева И А., Орешкина Т. В., Панова Л. А.,
Радионова Э. П., Стрельникова Н. И, Яковлева А. И

(2001)

Биостратиграфия морского палеогена Запад­

Перенос выполняли пассатные и муссонные ветры

но-Сибирской плиты

и течения. В Центральной Евразии большую роль в

ляция. Т.

9.

№

2.

С.

//

Стратиграфия. Геол. корре­

30-57.

теплопереносе выполняла сквозная морская мери­

Ах.метьев МА., Александрова Г Н., Беньямовский В. Н.,

диональная система, связывающая Тетис с Аркти­

Витухин Д. И, Глезер З. И, Гнибиденко З. Н., Дерга­

ческим бассейном. Ее основными промежуточны­

чев В. Д., Доля Ж. А., Запорожец Н. И, Козлова Г Э.,

ми звеньями были Индо-Пакистанская окраина

Кулькова И. А.,

Тетиса, Таджикская впадина, Туранская плита, Тур­

гайский прогиб и Западно-Сибирская плита.

5.

На рубеже палеоцена и эоцена выделены

три этапа развития микропланктона. Изотопно­
геохимическими

методами

Николаева И. А.,

Овечкина М Н.,

Радионова Э. П., Стрельникова Н. И

(2004)

Новые

данные по морскому палеогену юга Западно-Сибир­

ской плиты. Статья
ция. Т.

12.

№

1.

С.

1. Стратиграфия.
67-93.

Геол. корреля­

Ахметьев М А., Александрова Г Н., Беньямовский В. Н.,

установлена корреля­

Гаврилов Ю. О., Герман А. Б., Запорожец Н. И, Код­

ция между элементами, связанными с высокой

рул Т. М, Моисеева М Г, Наугольных С. В., Орешки­

биопродуктивностью (Ва,

на Т. В., Печникова К. А., Чумаков Н. М, Щербини­

V)

и элементами, сви­

детельствующими об аноксических условиях

Со,

Zn

(Ni,

и др.), что свидетельствует в пользу взаи­

Смена в интервале эпизода РЕТМ трех ком­

плексов микропланктона в сочетании с изотопно­
геохимическими

аномалиями

позволяет

(2008)

Причинно-следственные

связи

и

факторы глобальных биосферных перестроек в фа­
нерозое //Проблемы зарождения и эволюция био­

мосвязей указанных процессов.

6.

на Е. А.

уверенно

сферы/ Под. ред Галимова Э. М. М.: Книжный дом
«Либроком»!URSS. С.

509-530.

Ахметьев М. А., Запорожец Н. И.

(1996)

Смfна дино­

цист в разрезах палеогена и миоцена Русской плат­

прослеживать пограничный интервал палеоцена и

формы, Крымско-Кавказской области и Туранской

эоцена в осадочной оболочке планеты.

плиты как отражение экосистемных перестроек

//


522

Глава

IV.

События и факторы эволюции биосферы

Ископаемые микроорганизмы как основа страти­

Крашенинников В. А., Басов И А.

(2007)

Стратиграфия

графии, корреляции и палеобиогеографии фанеро­

палеогеновых отложений Мирового океана и корре­

зоя. М.: ГЕОС. С.

ляция с разрезами на континентах. М.: Научный

55-69.

Ахметьев М А., Запорожец Н. И, Яковлева А. И, Алек­
сандрова Г Н., Беньямовский В. Н., Орешкина Т. В.,
Гнидибенко З. Н., Доля Ж. А.

(2010)

Сравнительный

анализ разрезов и биоты морского палеогена Запад­

ной Сибири и Арктики
реляция. Т.

!! Стратиграфия. Геол. кор­
6. С. 78-103.
(2001) Обоснование детальной стра­

№

18.

Беньямовский В. Н.

тиграфической схемы нижнего палеогена Крымско­
Кавказской области. Пуги детализации стратигра­

мир.

с. (Труды ГИН РАН. Вып.

316

Криштофович А. Н.

583).

Ископаемые флоры Пенжин­

(1958)

ской губы, озера Тастах и хребта Рарыткин

ботаника. Сер.

Л.: Наука. С.

8.

74-121

//

Палео­

(Тр. БИН АН

СССР. Вып.

3).
(1965)

Липман Р Х

Комплексы радиолярий в палеоге­

новых отложениях Тургайского прогиба и Северного
Приаралья// Труды ВСЕГЕИ. Нов. сер. Биострати­

характеристике

Вып. 1. С. 69-98.
Castanopsis (D. Doone)
Spach во флоре Вьетнама// Автореф. дисс .... канд.
биол. наук. Л.: БИН АН СССР. 21 с.
Макулбеков Н. М (1977) Палеогеновые флоры Запад­

палеоценовых бассейнов Северо-Восточных окраин

ного Казахстана и Нижнего Поволжья. Алма-Ата.

фических схем и палеогеографические реконструк­

ций

Отв. ред. Ю. Б. Гладенков, К. И. Кузнецова.

!

М.: ГЕОС. С.
Бугрова Э. М

210-223.
(1997) Об экосистемной

океана Тетис //Эволюция жизни на Земле: материа­
лы 1-го Международного симпозиума «Эволюция
жизни на Земле»,

24-28 1997

В. М. Подобина. Томск: Изд-во НТЛ. С.
Буданцев Л. Ю.

История

(1983)

арктической

эпохи раннего кайнофита. Л.: Наука.

Бушинский Г И

151

(1975)

! Отв.
90.

г., Томск

156

ред.

графический сборник. Т.

Лыонг Пгок

Наука.

Тоан

флоры

с.

(1990)

Кли­

мат эоцена Сибири (на примере Западной Сибири).
Новосибирск.

28

с. (Препр. /Ин-т геологии и геофи­

зики СО АН СССР. №
Гаврилов Ю. О.

(1994)

4).

с.

177

Аноксические события палеоце­

(1994)

на-среднего эоцена// Экосистемные перестройки и

/

Ред. Розанов А. Ю., Семиха­

тов М. А. М.: Недра. Вып.
Музылев Н. Г,

ВолковаВ. С, КульковаИА., ФрадкинаА. Ф.

Эоценовая флора Северного

(1972)

Казахстана. Алма-Ата: Наука.

эволюция биосферы

Геология бокситов. М.: Недра.

115.

Род

236 с.

Макулбеков Н. М
Музылев Н. Г

с.

(1966)

1.

С.

160-166.

Беньямовский В. Н.,

Щербинина Е. А.,

Ступин С И

Гаврилов Ю. О.,

гическая и геохимическая характеристики верхнепа­

леоценового сапропеля Центрального Предкавказья
Вопросы микропалеонтологии. Вып.

О возможных причинах накопле­

Палеонтоло­

(1996)

Музылев Н. Г,

Беньямовский В. Н.,

31.

С.

//

37-43.

Табачникова И П.

Сапропелевые прослои в нижнепалеогено­

ния отложений, обогащенных органическим веще­

(1989)

ством, в связи с эвстатическими колебаниями уровня

вых отложениях Юга СССР!! Изв. АН СССР. Сер.

моря// Проблемы эволюции биосферы. М.: Недра.
с.

305-311.

Гаврилов Ю. О., Кодина Л. А., Лубченко И Ю., Музы­
лев Н. Г

геол. №

1.

С.

117-119.

Музылев Н. Г, Нишанходжаев Р Н., Расулов У. Н., Сали­

(1997)

Позднепалеоценовое аноксическое

событие в эпиконтинентальных морях Пери-Тетиа
и образование сапропелитового горизонта:

седи­

(1994)

Верхнепалеоце­

новые горючие сланцы Средней Азии// Литология
и полезн. ископаемые. С.

НайдинД. П.

(2001)

131-135.

Меридиональные связи позднеме­

ментология и геохимия

ловой морской биоты Северного полушария

копаемые. №

океан. геология. №

Гаврилов Ю. О.,

// Литология и полезн. ис­
492-517.
Щербинина Е. А. (2004) Глобальное био­

баев Г Х, Ибрагимов Р Н.

5.

С.

графической

временные проблемы геологии. М.: Наука. С.

сланцев

Геология и полезные ископаемые Афганистана.

Под ред. Ш. Абдуллы, В. М. Чмырева, В. И. Дронова.
Кн.

1.

Геология. М.: Недра,

1980. 535

с.

палеогеновых

отложений

(1982)

Таджик­

ской депрессии и сопредельных территорий. Ду­

шанбе: Дониш.
Закревская Е. Ю.

151 с.
(2011)

//

характеристике

(1973)

с.

К вопросу о соста­

чих сланцев// Тр. ВСЕГЕИ. Вып.
Олейник В. В., Олейник Э. С.

в

образовании

(1979)

142.

С.

169-173.

О роли фитопланк­

нижнеэоценовых

горючих

сланцев Таджикской депрессии и Гиссарского хреб­

та

43

горючих

ве и условиях образования нижнеэоценовых горю­

тории Земли. Л.: Наука. С.

РАН.

К петро­

149-151.

леогена Северо-Восточного Перитетиса. Система­
Автореф. дис .... докт. геол.-мин. наук. М.: ГГМ

(1974)

туранских

Проблемы геологии. Минерлогия, петро­

тика, зональная стратиграфия и палеобиогеография

//

Тихо­

графия, литология. Ташкент: Изд-во Ташгосунивер­
ситета. С.

тона
Крупные фораминиферы па­

//

8-14.

Олейник В. В., Олейник Э. С

Давидзон Р М, Крейденков Г П., Салибаев Г Х
Стратиграфия

С.

Нишанходжаев Р Н., Семашева ИН.

сферное событие на границе палеоцена и эоцена// Со­

493-531.
В 2-х кн. /

7.

//

Планктон и органический мир пелагиали в ис­

52-57.

Орешкина Т. В., Александрова Г Н.

(2007)

Терминаль­

ный палеоцен Среднего Поволжья: биостратигра-


М А. Ахметьев и др. Результаты изучения экосистемных событий рубежа палеоцена и эоцена

фия и палеообстановки
реляция. Т.

15. № 2.

С.

// Стратиграфия.
93-118.

Геол. кор­

Орешкина Т В., Яковлева А. И, Александрова Г Н.

(2008)

Прямая корреляция зональных шкал бореального
палеогена по диатомеям и диноцистам (по материа­
лам скв. 19-У, пос. Усть-Манья, восточный склон
Северного Урала)// Новости палеонтологии и стра­

тиграфии. Вып.

1-11:

Приложение к журналу «Гео­

логия и геофизика». Т.

49. С. 347-350.
(1962) Върху Castanopsis furciпervis (Rossm.)
Кг. et Wild. в палеогена на Болгария. Българска ВН, Из­
вестия на Ботаническия инстигуг, кн. IX. София. 106 с.
Поплавка Е. М, Иванов В. В., Тархов Ю. А. (1978) Осо­
Паламарев Е.

бенности металлоносности горючих сланцев и не­

которые предположения об их генезисе// Геохимия.
№

9.

С.

1411-1418.

Практическая палиностратиграфия

/

Под ред. Л. А. Па­

новой, М. В. Ошурковой, Г. В. Романовской. Л.: Недра.

1990. 348 с.
Романкевич Е. А.

(1977)

Геология органического веще­

ства в океане. М.: Наука.
Соловьев В. А.

(2002)

256 с.

Условия газогидратоносности и

потенциально газогидратоносные акватории морей

России// Геология и полезные ископаемые шельфов
в России. М.: ГЕОС. С.

179-184.

Салун В. И, Травина Е. Ф., Бугрова Э. М, Толстикова Н. В.

(1961)

Палеогеновые отложения Бадхыза

//

Про­

блемы нефтегазоносности Средней Азии. Л.: ГНТИ
нефтяной и топливной лит-ры.
Ступин С И, Музылев Н. Г

226 с.
(2001) Позднепалеоцено­

вый экологический кризис в эпиконтинентальных

бассейнах Восточного Перитетиса: микробиота и

условия формирования сапропелитового прослоя
Стратиграфия. Геол. корреляция. Т.
Ясаманов Н. А.

(1978)

9.

№

5.

С.

//
87-93.

Ландшафтно-климагические усло­

вия юры, мела и палеогена юга СССР, М.: Наука. 257 с.
Akhmetiev М А. ( 1996) Ecological crises of the Paleogene
and Neogene in Extratropical Eurasia and their putative
causes // Paleontol. Joum. V. 30. № 6. Р. 738-748.
Akhmetiev МА. (2010) Paleocene and Eocene floristic and
climatic change in Russia and Northem Kazakhstaп //
Bulletin ofGeosciences. V. 85. № 1. Р. 17-34.
Alegret L., Ortiz S., Arenillas !., Molina Е. (2005) Paleoenvironmental turnover across the Paleocene/Eocene boundary at the Stratotype sectioп iп Dababiya (Egypt) based оп
bentic foraminifera //Тела Nova. V. 17. N. 6. Р. 526--536.
Aubry М-Р, Ouda К., Dupis С, Berggren W А., Couvering J. А. van et al. (2007) The Global Standard Stratotype-section and Point (GSSP) for the base of the Eocene
Series in the Dababiya section (Egypt) // Episodes.
V. 30. № 4. Р. 271-286.
Beniamovskii V N, Khokhlova l Е., Iakovleva А. l (1999)
The great benthic foraminiferal extinction and turnover
in radiolarian and dynocyst as the reflect of great changes
in the epicontinental basins of the northeastern Peri-

523

Tethys in the Paleocene-Eocene traпsition interval //
Simposium on Late Paleocene-Early Еосепе Eveпts from
North Africa to Middle East. 1999. The first intemational
conference оп the geology of Afuca. Assiut-Egypt. Р. 12-15.
Dickens G. R. (2003) Excess barite accumulation during the
Paleocene-Eocene Thermal Maximum: Massive input of
dissolved barium from seafloor gas hydrate reservoirs //
Geol. Soc. America. Special Paper 369. Р. 11-23.
Dickens G. R. (2000) Methane oxidation during the Late
Palaeocene Thermal Maximum // Bull. Soc. Geol.
Т. 171. № l. Р. 37-49.
Edwards L. Е. (1992) Paleocene апd Eocene dinocysts from
the Salt Ridge Punjab, Northem Pakistan // Chapter С
of Regional Studies of the Potwar Plateau Area, Northem Pakistan (Eds. Warwik Р and Wardlaw D) US Dep.
Interior, US Geol. Surv. Bull. Р. 1-10.
Frakes А. L., Кетр Е. М (1992) Climate modes ofthe Phaпerozoic. Cambridge: Cambridge Univ. Press. 274 р.
Frakes А. L., Кетр Е. М (1972) Influence of continental position on Early Tertiar climates // Nature. V. 240. Р. 97-100.
Greenwood D. R., Moss Р Т, Rowett А. /., Vadala А. J.,
Keefe R. L. (2003) Plant communities and climate in
southeastem Australia during the Early Paleogene //
Geol. Soc. America. Special Paper 369. Р. 365-380.
Harding !. С, Charles А. J., Marshall J. Е. А. et а!. (2011)
Sea-level and salinity fluctuations during the Paleocene-Eocene thermal maximum in Arctic Spitsbergeп//
Earth апd Plaпetary Scieпce Letters. V. 303. Р. 97-107.
Hollis Ch. J., Taylor Kyle W R., Pancost R. D., Creech J. В.,
Kennedy Е. М, Strong С. Р, Morgans Н. Е. G., Ovuch Е. М,
Neil Н., Ackerley D., Huber М (2011) Ап update оп
paleoclimate data-model comparisoпs for the Southwest Pacific // Berichte Geol. В.-А. V. 85. Р. 92.
Jacques F М В., Shi G., Li Н., Wang W (2011) Palaeobotaпical evideпce of ап Aпtarctic mопsооп duriпg the
Еосепе // Abstracts Int'l Symposium оп Geology апd
Paleontologyiп Yichuп, Chiпa. 20-25.8.2011. Р. 65.
Kaiho К. (1994) Plaпktoпic апd beпthic foramiпiferal extiпction eveпts during the last 100 my // Palaeogeogr.
Palaeoclimatol. Palaeoecol. V. 3. Р. 45-71.
Kennett J Р, Stott L. D. (1991) Abrupt deep sea warmiпg,
paleoceaпographic changes and benthic extinctions at
the end·ofthe Paleocene // Nature. V. 353. Р. 225-229.
Kennett J. Р, Stott L. D. (1990) Proteus and Proto-Oceanus:
Ancestral Paleogene Oceans as revealed from Antarctic
staЫe isotopic results; ODP Leg 113 // Proceedings of
the Drilling Program, Scientific results. V. 113. College
Station, Texas, Ocean Drilling Program. Р. 865-660.
Kvacek Z., Manchester S. R., Akhmetiev М (2005) Review
of the fossil history of Craigia (Malvaceae s. 1.) in the
Northen Hemisphere based on fruits and co-occuлing
foliage // Современные проблемы палеофлористики,
палеофитогеографии и фитостратиграфdи.
Международной
Москва,

палеоботанической

Труды

конференции.

17-18 мая 2005г. Вьm. 1. М.: ГЕОС.С.114--140.


524

Глава

IV.

События и факторы эволюции биосферы

Lakhanpal R. N. (1970) Tertiary floras of India and their
bearing of the historical geology of the region // Taxon.
№ 19. Р. 675-694.
13
Letolle R., Renard М (1990) Evolution des teneurs en Б С
des carbonates pelagiques aux limites Cretace-Tertiaire
et Paleocene-Eocene //С. r. Acad. Sci. Ser. D. V. 290.
№ 13. Р. 827-830.
Loyal R. S., Gupta V J. (1990) Biostratigraphic correlation
and paleoecology of stratigraphically significant Paleocene-Eocene sections exposed at Subathu and Dharamaneala areas of Lesser Hymalaya (Himachal Pradesh.
India) // Newsl. Stratigr. V. 21. № 3. Р. 167-165.
Mehrotra R. С., Anumeha S. (2011) Eucalyptus in time and
space // Abstracts Int'l Symposium on Geology and
Paleontology in Yichun, China. 20-25.8.2011. Р. 61.
Mirza К., Sheikh R. (2006) Biostratigraphy of the Eocene
Rohat Formation, Shekhan Nala Kohat Basim, Northem
Pakistan // Ancient life and modem approaches. Abstr.
of the Second Intem. Paleontol. Congress. РuЫ. Univ.
Sci. Technol. ofChina Press. Р. 233.
Moran К., Васkтап J., Brinkhuis Н. et al. (2006) Тhе Cenozoic palaeoenvironment of the Arctic Ocean // Nature.
V. 441. Р. 601-605.
Morton А. С, Кпох R. W (1990) Geochemistry of late
Paleocene and early Eocene tephras from the North Sea
Basin // J. Geol. Soc. London. V. 147. Р. 425-437.
Muzylov N. G. (1989) Upper Paleocene-Lower Eocene
sapropels ofthe USSR // Abst. 281h Intemal. Geol. Congr.
V. 2. Р. 2-486.
Oreshkina Т V, Aleksandrova G. N., Kozlova G. Е. (2004)
Early Eocene marine planktonic record of the East
Urals margin (Sverdlovsk region): Ьiostratigraphy and
paleoenvironments // N. JЬ. Geol. Palaont. Abh. V. 234.
№ 1-3. Р. 201-222.
Oreshkina Т V, Oberhansli Н. (2003) Diatom tumover in
the early Paleogene diatomites of the Sengiley section,
Middle Povolzhie, Russia: А response to the Initial Eocene
Тhermal Maximum // Causes and Consequences of
Globally Warm Climates in the Early Paleogene. Geological Society of America Special Paper / Eds Wing S. L.
et al. Boulder, Colorado: V. 369. Р. 169-179.
Ozerov 1. А., Zhinkina N. А., Efimov А. N. et al. (2006) Feulgen-positive staining of the cell-nuclei in fossilized leaf
and fruit tissues of the Lower Eocene Myrtaceae //
Botan. J. Linnean Soc. V. 150. Р. 315-321.
Parrish J. Т, Curtis R. L. (1982) Atmospheric circulation,
upwelling, and organic-rich rocks in the Mesozoic and
Cenozoic eres // Palaeogeogr., Palaeoclimatol., Palaeoecol. V. 40. Р. 31-66.
Radionova Е. Р., Khokhlova !. Е., Beniamovsky V N. et а!.
(2001) Paleocene/Eocene transition in the Northeastem

Peri-Tethys area: Sokolovskiy key section of the Turgay Passage (Kazakhstan) // Bull. de Soc. Geol. France.
Т. 172. № 2. Р. 245-256.
ReaD. К, ZachosJ. С., OwenR. М, GinderichP. D. (1990)
Global change at the Paleocene-Eocene boundary:
Climatic and evolutionary consequences of tectonic
events // Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol. V. 79.
Р. 117-120.
Romero Е. J. (1986) Paleogene phytogeography and climatology of South America // Ann. Missouri Bot. Gard.
V. 73. Р. 449-461.
Sarma А. (2006) Nehtiart larger foraninifera from Sheila
Tomation, South Jaintia Yills, Meghalaya, India // Ancient life and modem approaches. Abstr. of the Second
Intem. Palaeontol. Congress. РuЫ. Univ. Sci. Technol.
ofChina Press. Р. 119-120.
Saxena R. К., Sarkar S. (1983) Rewarked dinoflagellate
cysts from the Sivalik group of Chandigarch and Himachal Pradesh // Geophytology. V. 13. № 2. Р. 202-213.
Scotese Ch. R. (2002) Paleomap project.
(http://www.scotese)
Shackleton N. J. (1986) Paleocene staЫe isotope events //
Palaeogeogr., Palaeoclimatol., Palaeoecol. V. 57.
Р. 91-102.
Slotnick В. S.. Dickens G. R., Nicolo М J., Hollis Ch. J.,
Crampton J. S., Strong С. Р., Zachos J. С., Sluijs А.,
Lourens L., Lauretano V (2011) Large amplitude variations in carbon cycling and terrestrial weathering during the latest Paleocene and earliest Eocene // Berichte
Geol. В.-А. V. 85. Р. 151.
Speijer R., Schmitz В. (2000) А synthes of biotic and
stratigraphic data from the Middle East on late Paleocene global change // GFF. Geol. Soc. Sweden. V. 122.
Р. 152-153.
Spicer R. А., Herman А. В. (1998) Cretaceous climate of Asia
and Alaska: А comparison of paleobotanical evidence
with а climate computer model // Paleontol. Joum.
V. 32. № 2. Р. 105-118.
Тhomas Е., Foster L., Schmidt D., Rohl И., 'Zachos J. С. (2011)
Life in the Deep-Sea during Eocene Hyperthrmal
events // Berichte Geol. В.-А. V. 85. Р. 159.
Weiss W (1993) Age Assignments of Larger Foraminiferal
AssemЫages of Maastrichtian to Eocene Age in Northem Pakistan // Zitteliana. V. 20. Р. 223-252.
Wolfe J. А., Dilcher D. L. (2000) Late Paleocene through
middle Eocene climates in lowland North America //
GFF. V. 122. Р. 184-185.
Wolfe J. А., Gregory-Wodzicki К. М, Molnar Р. Mustoe G.
(2000) Paleobotanical evidence for the development of
high altitudes during the early Eocene in northwestem
NorthAmerica // GFF. V. 122. Р. 186-187.


НОВЫЕ ПОДХОДЫ К РАСШИФРОВКЕ РАЗВИТИЯ
ПАЛЕОЭКОСИСТЕМ ФАНЕРОЗОЯ БОРЕАЛЬНОГО ПОЯСА

Ю. Б. Гладенков, В. А. Захаров, В. Г. Ганелин, А. Ю. Гладенков,
А. В. Дронов, О. А. Корчагин, М А. Рогов
Геологический институт РАН.

gladenkov@ginras.ru

Стратиграфические исследования последних лет позволили подойти не только к детальному расчлене­

нию древних толщ отдельных палеоэкосистем, но и к расшифровке биотических и абиотических событий
прошлого. Предметом специального внимания в данном случае служили данные по морским экосистемам фа­
нерозоя бореальных областей.

Введение

В основе приводимых ниже материалов лежат
детальные стратиграфические данные, собранные

В последнее время уделяется особое внимание

в разных областях и в различном возрастном диа­

детальному изучению отдельных палеоэкосистем,

пазоне. Именно они позволяют судить об абиоти­

на основе чего только и можно делать достоверные

ческих и биотических событиях прошлого и ре­

выводы

палеобио­

конструировать палеогеографические обстановки.

сферного поля в целом. Проведенные в последние

Их расшифровка часто заставляет искать новые

годы исследования по палеоэкосистемной темати­

подходы к объяснению геологических феноменов,

ке дали возможность получить новые данные, по­

проявившихся в фанерозойских экосистемах Миро­

зволяющие

вого

об

особенностях

взглянуть

эволюции

на разные

аспекты эволю­

океана,

которые

могли

отличаться

по

типу

ции морских экосистем с современных позиций.

строения, степени открытости, влиянию на них тек­

Важным представляется то, что приводимые ниже

тонических и вулканических процессов и проч.

«свежи­

Ниже мы коснемся только некоторых особен­

ми» по этим направлениям, но и основанными на

ностей морских экосистем прошлого. Одни из них

оригинальных данных. Хотя они поднимают раз­

выявлены в системах палеозойской биоферы (в ка­

ные вопросы и освещают их с различной деталь­

честве

ностью, они указывают на многообразие проблем,

Прибалтики и Сибири, а также верхнему палеозою

встающих при изучении особенностей развития

Северо-Востока Азии), другие

экосистем прошлого. Кроме того, в них отражается

бореальных районов и мел Европы) и кайнозое

стремление уйти от прямолинейных построений

(палеоген и неоген Северной Пацифики). В част­

прошлых лет, когда часто использовались модные

ности, обращено внимание на проявления эвстати­

материалы

являются

не

только

самыми

примера

приведены

данные

-

по

ордовику

в .мезозое (юра

или устоявшиеся модели, не всегда опирающиеся

ческих колебаний и климатических флуктуаций в

на конкретные материалы.

разных бассейнах, специфику формирования осад­
ков при участии бактериальных сообществ, причи­
Тема: «Фа­

ны миграций планктонных и бентосных комплек­

нерозойские морские экосистемы бореального пояса: влияние

сов и т. п. Авторство отдельных разделов отражено

на их эволюцию космических, климатических, эвстатических,

ниже. При этом, каждый автор был вправе4сделать

Программа Президиума РАН №

25, подпрограмма 1.

геодинамических и других абиотических факторов». Руково­
дители проекта: проф. Ю. Б. Гладенков, проф. В. А. Захаров.
Отчет за

2010--2011

гг.

упор на «свои» наиболее актуальные вопросы и
выбрать наиболее удобный стиль изложения.


Глава

526
Перед

изложением

IV.

События и факторы эволюции биосферы

материала

вились практически все типы современных живот­

еще раз напомним, что в его основе лежат исследо­

тематического

ных, а к концу ордовикского периода приурочено

вания,

страти­

одно из пяти крупнейших массовых вымираний в

графического каркаса и региональных стратигра­

истории Земли. Эти важнейшие события в эволю­

фических схем. В результате проведенных работ

ции морских экосистем фанерозоя и те абиотиче­

последних лет достигнуrа существенная детализа­

ские факторы, которые сопровождали их возник­

ция расчленения древних отложений по всей стра­

новение, являются предметом усиленного изучения

тиграфической колонке фанерозоя. Исследования

на протяжении последних

по этой тематике проводились как в палеозое (по

роннее исследование бьm направлен ряд Между­

верхнему кембрию Урала и Казахстана, ордовику

народных проектов

связанные

с

совершенствованием

Сибири, карбону Северо-Востока), так и в мезозое

15 лет.

На их всесто­

IGCP.

Ордовикские отложения широко распростра­

и кайнозое (по триасу Северной Сибири и Китая,

нены на территории России. Особенно это касается

юрской и меловой системам арктических и боре­

эпиконтинентальных морей Русской и Сибирской

альных областей, меловой системе Тетиса, палео­

платформ. В последние годы там были проведены

гену и неогену Северной Пацифики). Установлен­

комплексные исследования по особенностям изме­

ные в результате отдаленной корреляции интервалы

нения биоты и осадконакопления. Основное внима­

одновременных событий позволили провести срав­

ние бьmо уделено выявлению следов эвстатических

нительный анализ динамики формирования разных

колебаний уровня моря, климатических изменений

морских экосистем

и изменений интенсивности вулканизма, которые,

водных,

от шельфовых до глубоко­

-

охарактеризованных

разнообразными

как считается, бьmи в числе ведущих абиотических

группами организмов: бентосных (двустворчатых

факторов, оказавших влияние на эволюцию биоты

моллюсков, гастропод, брахиопод, фораминифер);

(Дронов,

семипелагических моллюсков (аммонитов и белем­
нитов); планктонных (полухордовых
и одноклеточных
многих

случаях

-

По распространению региональных несогласий

конодонтов

и характеру распределения фаций в опорных раз­

радиолярий и диатомовых). Во

резах ордовика Сибирской платформы были выяв­

-

от ярусного расчленения удалось

перейти не только к зональному, но и инфразональ­
ному: биогоризонтам по аммонитам в верхней юре,
прослеженным от Поволжья до севера Восточной

Сибири, зонам и слоям с макро- и микрофауной,
выделенным в кайнозое Японско-Сахалинской и
Камчатско-Калифорнийской областей. Именно де­
тальная корреляция осадочных толщ позволила вос­

становить кратковременные собьпия в экосистемах

(с длительностью от

2009; Harper, 2011).

2,0

до

0,1

млн лет) на сущест­

венно более корректной, чем раньше, основе.
Ниже дается характеристика отдельным эко­
системам в рамках палеозойской, мезозойской и

кайнозойской биосфер.

лены крупные осадочные циклиты (осадочные се­
квенции), отвечающие относительным колебаниям
уровня моря продолжительностью

1-9 млн лет (Dro-

nov et al., 2009; Kanygin et а!., 2010).

Эти секвенции

достаточно хорошо коррелируются с осадочными
секвенциями других регионов, хотя при сопостав­

лении кривых относительных колебаний уровня
моря, построенных для ордовика

Сибирской и

Русской платформ, выявились определенные про­
тиворечия. Из проведенного анализа следует важ­
ный вывод о том, что предпринимающиеся сейчас

попытки построения глобальных кривых эвстати­

ческих колебаний уровня моря не всегда коррект­

ны. Глобальные эвстатические колебания уровня
Мирового океана безусловно существуют, особен­

1.
1. 1.

Палеозойская биосфера
Великая ордовикская

биодиверсификация и абиотические
события (А. В. Дронов)
В эволюции палеозойской биосферы ордовик­

но гляциоэвстатические, но они накладываются на

региональные эпейрогенические движения, кото­

рые могуr их усиливать или затушевывать (рис.

1).

Проведенный сравнительный анализ характера из­
менения осадконакопления в ордовике на Русской

и Сибирской платформах продемонстрировал су­
щественную их разнонаправленность. На Русской

ский период играет особую роль. Это время «Вели­

платформе песчаники («Нубийские фацию>, по вы­

кой ордовикской биодиверсификацию>, когда поя-

ражению А. Зейлахера) сменяются в разрезе холод-


Ю. Б. Гладенков и др. Расшифровка развития палеоэкосистем фанерозоя бореального пояса

Лавретмя

БаnтоскандМJI

(Roas and Ros.s, 1995)

(Nielsen 2004)

н

450

....

Вь1с..

6anтc><:taulд••

Аваnонии

Dronov and Holmer 2002

Низк

Вые.

НИ31(.

(Woodeocl< 1990)

Вые.

Низк.

Западная rсжuана
(Нerodia and Вeresl 1995)

Вые.

низ~

527

платформа Янцзы

Смбирь

(&12007)

{Kanygin et aJ. 2010)

Вые.

Ниэк.

Вые.

Н11зк.

"
~

~
о

•S

~

11.

:!!
460

"'

i

:s;

i

~

о

~
•:S:
470

~

~

(.)

"

~

480

lr'
о
•S

s

1:

~
1:

Рис.

1.

Кривые эвстатических колебаний уровня моря в ордовике, реконструированные для различных палеоконтинентов

новодными карбонатами, а далее тепловодными

этого разнообразия в течение ордовика («Событие

карбонатами

Эго является

Великой ордовикской биодиверсификацию>), а так­

отражением быстрой миграции Балтийского палео­

же его резкое сокращение на границе ордовика и

(Bergstrom et а!., 2009).

континента из приполярных широт Южного полу­

силУРа в результате одного из величайших массо­

шария в приэкваториальные

(Dronov, Rozhnov, 2007).

вых вымираний в истории Земли, изучение обста­

В это же время Сибирский палеоконтинент нахо­

новок седиментации и, соответственно, условий

дился в приэкваториальной зоне, как и Северо-Аме­

обитания соответствующей биоты находилось еще

риканская платформа

в зачаточном состоянии.

(Ettensohn, 2010).

Распространение «Нубийских фаций» на Си­

Конечно, эти явления коррелировать пока

бирской платформе (Байкитские песчаники) сопро­

можно только условно. Но нельзя забывать, что

вождается

для ордовика

в позднем ордовике (время максимального так­

Гондваны ихнофоссилий. Об этом свидетельствует

сономического разнообразия в нижнем палеозое)

уникальная находка в Байкитских песчаниках сле­

практически

дов гигантских трилобитов

бассейнах всех континентов, за одним исключе­

появлением

характерных

Rusophycus,

отмечав­

во

всех

крупнейших

осадочных

шихся ранее только на палеоматериках Гондван­

нием (Балтика), отлагались холодноводные кар­

ской группы

бонаты (рис.

(Kushlina, Dronov, 2011).

Выявление

широкого распространения холодноводных карбо­

2).

Тем самым, пик таксономиче­

ского разнообразия совпадает с пиком распро­

натов в верхнем ордовике Сибирской платформы

странения холодноводных карбонатов на плане­

является одним из наиболее значимых открытий

те. Это заставляет предполагать, что физической

последних лет. Оно позволяет совсем под иным

(абиотической) основой события Великой ордо­

углом зрения взглянуть на закономерности разви­

викской биодиверсификации, является событие

тия биоты в течение ордовикского периода. Дело

быстрой экспансии холодноводных обстановок

в том, что на тот момент, когда Дж. Сепкоски в

осадконакопления

середине 1980-х годов сформулировал свои идеи

ранее занятые тепловодными карбонатhми и эва­

о динамике таксономического разнообразия биоты

поритами. Резкое увеличение скорости видообра­

в течение фанерозоя и выявил резкое возрастание

зования, возможно, связано с резким расширением

в

эпиконтинентальные

моря,


Глава

528

IV.

События и факторы эволюции биосферы

ширением ареалов обитания холодноводной биоты,
связанным с внедрением холодных водных масс в

мелководные эпиконтинентальные бассейны. Этот
же

процесс

замещения

теплых

водных

масс

в

большинстве эпиконтинентальных бассейнов хо­
лодными вызвал постепенное изменение климата

в сторону его похолодания. Позднеордовикский
эпизод интенсивного вулканизма лишь усилил эту

тенденцию и привел к формированию обширного
ледникового щита на Южном полюсе, где распо­
лагался Гондванский материк.
Гляциоэвстатическое падение уровня мирово­

го океана во время Хирнантского оледенения при­
вело к осушению огромных площадей, занятых до

этого

мелководными эпиконтинентальными

бас­

сейнами и, как следствие этого, к одному из круп­
нейших в истории планеты массовых вымираний.

Таким образом, и событие <<Великой ордовикской
Рис.

2.

Расположение основных палеоконтинентов, субдук­
ционных зон и областей распространения холодно­

водных карбонатов в позднем ордовике

биодиверсификации», и терминальное ордовикское
массовое вымирание имеют в своей основе естест­

венные процессы изменения климата на Земле.
ареалов обитания, доступных для холодновод­

1. 2.

ной биоты.

Особенности позднепалеозойских
экосистем морских бассейнов

Еще одной гипотезой является оценка влияния

Северо-Востока Азии (В. Г. Ганелин)

вулканизма на изменение климата в силуре. Мате­
риалы последних лет свидетельствуют о том, что

На протяжении всего позднепалеозойского

Таконская и Енисейская вулканические дуги того

этапа на Северо-Востоке Азии существовал круп­

времени,

составляли единую систему,

ный морской бассейн общей площадью свыше

располагаясь на активной континентальной окраи­

2 500 ООО км2 . Совместно с Таймыром эта терри­

не двух континентов (Сибирского и Северо-Амери­

тория составляет биогеографически и седименто­

канского) (рис.

логически целостную систему бассейнов

возможно,

2).

Беспрецедентная по масштабу

-

Тай­

активность Таконской вулканической дуги в позд­

мыро-Колымскую палеогеографическую область,

нем ордовике, свидетельством которой являются

куда

относятся

также

Забайкалье

и

Северная

многочисленные прослои пепла, обнаруженные в

Монголия. В пределах Северной Евразии с сере­

соответствующих отложениях Северной Америки

дины ранней перми Таймыро-Колымская, Вос­

и Европы, давно уже рассматривается в качестве

точно-Европейская

свидетельства влияния вулканических извержений

леобиогеографические области являются состав­

на произошедшие в это время глобальные клима­

ляющими обширной системы пермских бассейнов

тические изменения. Считается, что именно воз­

(Биармийская

растание

современную Арктику.

интенсивности

вулканических изверже­

и

Западно-Европейская

надобласть ),

которые

па­

обрамляют

ний в конце ордовика могло привести к глобаль­

Основные черты палеогеографии, био- и се­

ному похолоданию, завершившемуся Хирнантским

диментогенеза позднепалеозойских бассейнов Се­

оледенением

веро-Востока Азии обусловлены деструкцией кон­

(Herrmann et а/., 201 О; Keller, Lehnert,
2010, Дронов, 2011).

тинентального шельфа, широко проявившейся еще

Из вышеприведенных предположений следует,

в середине раннего карбона и определившей об­

что резкое увеличение таксономического разнооб­

щий палеогеографический рисунок позднепалео­

разия биоты в среднем и позднем ордовике, полу­

зойской системы бассейнов.

чившее название <<Великой ордовикской биодивер­

По особенностям седиментогенеза и характе­

сификации», бьшо, возможно, вызвано резким рас-

ру биоты в пределах Северо-Востока Азии выделя-


Ю. Б. Гладенков и др. Расшифровка развития палеоэкосистем фанерозоя бореального пояса

Рис.

3.

529

Схема палеогеографического районирования позднего палеозоя Северо-Востока Азии

ются три палеогеографические области: Верхояно­

лах рассматриваемой территории стоит Восточно­

Охотская, Колымо-Омолонская, Новосибирско­

Корякская область, характеризуемая тетическим

Чукотская (рис.

сообществом фузулинид. Она изучена очень слабо

3).

При значительной общности

позднепалеозойской биоты имеются определен­

и здесь не рассматривается.

этих

Верхояно-Охотская область представляла собой

геохорий, а на отдельных стратиграфических ин­

пассивную окраину материка Ангариды, r!e нака­

тервалах выявляются и существенные различия в

пливались мощные толщи исключительно терри­

составе бентоса, особенно это касается Новоси­

генных осадков, образованных проградирующими

бирско-Чукотского региона. Особняком в преде-

конусами выноса крупных рек. Отмечаются два

ные

различия

в

характере

седиментогенеза


Глава

530

IV. События и

района наиболее мощной разгрузки

-

факторы эволюции биосферы

Яно-Инди­

гирский и Аян-Юряхский. Новосибирско-Чукот­

микро- и ультрамикроструктур позволило выявить

их микробиальную природу.
Карбонаты среднего карбона

ская область отвечает окраинным бассейнам ма­

-

первой поло­

терика Гипербореи (Арктиды). Располагающаяся

вины ранней перми пользуются незначительным

между ними Колымо-Омолонская область, наибо­

распространением,

лее удаленная от источников сноса, сочетает в себе

биостромы и

слагая

местами

биогермы среди

мелководные фации срединных поднятий и глубо­

пород (рис.

ководные образования обрамляющих их погру­

что породы имеют низкие значения 8 0 -

Особенностью позднепалеозойского седимен­
тогенеза

территории,

является

преимущественно

черносланцевый его характер.

Он определяется

4).

Б. В. Покровский установил,

от

18

12,5%0

женных зон.

4,

фиг.

маломощные

черносланцевых

до

15,9%0,

что можно связать с предполо­

жением о необычно интенсивном флюидном ре­
жиме, протекавшем в условиях гидротермальной

нием здесь углеродистых, глинистых, углеродисто­

2010). При этом карбо­
13
наты аномально обогащены легким изотопом 8 С
от -9,4 до -26,4 %0, что свидетельствует о значи­

кремнистых,

тельном

широким и

сплошным

по

разрезу распростране­

пеплово-кремнистых

отложений,

активности (Ганелuн и др.,

присутствии в их составе

биогенного

местами марганцевоносных, повсеместно сульфи­

карбоната (рис.

доносных. В интервале среднего карбона

ранней

тавлена с процессами, наблюдаемыми в современ­

широко

ных осадках Черного моря, где в анаэробных ус­

базитовый магматизм.

ловиях в микробных матах наблюдаются активные

особенности увязывались с низко­

процессы сульфатредукции и анаэробного окисле­

перми

в

Колымо-Омолонском

распространен щелочной
Отмеченные

температурными

гидротермами,

регионе

-

обусловившими

5).

Ситуация может быть сопос­

ния метана, генерируемые деятельностью архей

формирование высокоуглеродистых, существенно

и сульфатредуцирующих бактерий

кремнистых, сульфидоносных осадков, формиро­

2005; Леин,

В этой связи особый интерес представляет ас­
с

этими

отложениями

аутигенных

кар­

бонатов. Последние слагают как отдельные био­
гермы и биостромы внутри черносланцевых се­
рий, так и толщи известняков значительной, до

400

м, мощности, замещающие черносланцевые

серии по простиранию

(Reitner et al.,

2005).

Illиpoкoe распространение карбонатов сред­

вавшихся в бассейне эвксинного типа.

социация

Иванов,

и широко распространен­

ней

-

поздней перми связано с трансгрессией, на­

чавшейся в конце раннепермского времени. Кар­

бонатные корки, биогермы, биостромы, так же как
и

нормально

пластующиеся

странены повсеместно (рис.

известняки,

4,

фиг.

1-3).

распро­

Они за­

легают внутри черносланцевых серий либо заме­
щают последние латерально (рис.

6).

Представлены

ные в Колымо-Омолонском и Новосибирско-Чу­

они тонкослоистыми породами, зловонными

котском регионах. В пределах мелководных фаций

резким

срединных поднятий (Омолонский массив, Прико­

лымье) к этим карбонатам приурочено наибольшее
разнообразие раковинного бентоса, что позволяет
рассматривать эти карбонатные экосистемы в ка­
честве

центров

расселения

соответствующих

со­

обществ. Изучение изотопии этих пород, их макро-,

Рис.

4.

запахом

сероводорода,

часто

-

с

насыщены

тонкодисперсным пиритом, местами битуминозны.
Мощность слагаемых ими толщ достигает места­
ми

400 м.

Особенности микроструктуры этих пород,

сложенных мельчайшими призмочками кальцита,

породили ошибочное мнение об их обломочной

природе (рис.

4,

фиг.

5-6).

Считалось, что породы

Карбонатные породы верхнего палеозоя Северо-Восточной Азии. Фиг. 1-5: 1 - расчлененная кровля биогермов
тактайюряхской свиты, верхняя пермь, Сугойская зоне, р. Колыма; 2 - известняки омолонской свиты, верхняя
пермь, Омолонский массив, руч. Водопадный; 3 - карбонатные корки в кремнисто-глинистых породах рогачевской
свиты, верхняя пермь, Омулевское поднятие, р. Таскан (фото И. Л. Ведерникова); 4 пеплово-карбонатный
биогерм ольчинской свиты (С2), Гижигинская зона, р. Парень; 5 - известняк омолонской свиты, верхняя пермь,
зона 13 Terrakea korkodonensis, обр. 1-8/вг-66; шлиф в проходящем свите; х 50, масштабная линейка 5000 мкм; Омолонский массив, руч. Водопадный; 6 - известняк. фолькской свиты, верхняя пермь, лона
Kolymaella ogonerensis; х 50, обр. № 14б/вг-99; Омолонский массив, р. Мунугуджак; 7, 8 - карбонаты в скани­
рующем микроскопе: 7 известняк омолонской свиты, общий вид, х 750; скопление карбонатных призмочек,
слагающих породу. Обр. № 1-8/вг-66, верхняя пермь, зона 13 Terrakea korkodonensis, Омолонский массив,
руч. Водопадный; 8 - тот же образец, х 3000, хорошо выраженная морщинистость поверхности призмочек

~


Ю. Б. Гладенков и др. Расшифровка развития палеоэкосистем фанерозоя бореального пояса

531


Глава

532

IV.

События и факторы эволюции биосферы

30

состоят из дезинтегрированных призм раковинного

+

()18Q

слоя иноцерамоподобных моллюсков

<<Колымие­

-

вые известняки». Детальные исследования соответ­

25

ствующих структур с несомненностью показали ау­

тигенность этих пород. Карбонаты обнаруживают

•

20

•

15

10
-30

хорошо

5.

• •
•J
··~· $: •

+

ковидными формами. Колонии длиной до
о

(2 -

и шириной до

10

рис.

30

300 мкм

мкм плотно пригнаны друг к

рикса. Они имеют морщинистую и ноздреватую
РОВ)

поверхность, которая облекает минерализованные

в верхнепалеозойских кар­

клетки кокоидной, палочковидной или яйцеобразной

(%0

ниж­

1 -

верхний карбон-нижняя

2, 3 -

валовые пробы,

раковины брахио­

3-

под); по Б. В. Покровскому (Ганелин и др.,

2010)

формы размером до

2 мкм.

Характерна насыщен­

ность тонкодисперсным пиритом, часто фромбои­
дальным. По поверхности колоний разбросаны по­

ры (газовые вакуоли?) от долей микрона до

А

7).

другу при полном отсутствии какого-либо мат­

~з\

бонатах Колымо-Омолонского бассейна.

пермь

7-8;

сканирующем

микроскопе порода предстает как агрегат микро­

Соотношение изотопного состава углерода

няя-верхняя пермь;

фиг.

колоний, представленных призматическими и куб­

•2

(%0 SMOW)

4,

При значительном увеличении в

-10

-20

и кислорода

минерализованную мик­

робиальную структуру (рис.

1+1
Рис.

сохранившуюся

3 мкм,
А

ОМОIJОНСКАЯ ЗОНА

rнжнrинскля ЗОНА

zoo

400
масштаб:

1:10000000

.

20

.

о

.......
.·.·.·. ·.·.
..·.·.....
·.·.·
.·.
.

1·••••
... ,

{~J
~10~ 1e=Ji{]~J1зB

1

Рис.

6.

600

2,0

\

Фациальный профиль пермских отложений Омолонского массива и Гижигинской зоны.

3-

песчаники, алевролиты;

пирокластика;

8-

12 -

флиш;

4-

известняки;

омолонская серия;

9-

6-

базальты;

линзы известняков;

10 -

13 P2 gzh -

линии профиля. Р1mп
гижигинский региоярус;

1-

7-

конгломераты;

11 -

2-

микститы;

тонкообломочная кремнистая

границы региональных серий: а

внутри литологических комплексов;

номера стратиграфических зон;

P2om -

5-

черносланцевые комплексы;

с литологическими границами, б
серия;

800

"~.:·:·:·:,·

-

совпадающие

границы литологических подразделений;

- мунугуджакская серия; P1djg P2hv - хивачский региоярус

джигдалинская


Ю. Б. Гладенков и др. Расшифровка развития палеоэкосистем фанерозоя бореального пояса

к ним часто приурочены выделения сульфидов

распространения

(рис.

называемых

бореальных,

Изотопный состав карбонатов, в

холодноводных фаун не согласуются с этими пред­

отличие от раннепермских пород, характеризуется

ставлениями. Вместе с тем бьmа выявлена тесная

«нормально-морскими» для пермского периода зна­

корреляция появления соответствующих сообществ

чениями 8 13 С = 4,1±1,4 %о и широкими вариа­

с процессами рифтогенеза и заложением глубоких

циями 8 0

черносланцевых бассейнов (Ганелин,

4,

фиг.

так

533

18

=

8).

15,5-28,8 %о (рис. 5). Характер лате­

1997).

При­

толщ

уроченность наибольшего разнообразия бентоса к

позволяет полагать, что карбонаты формирова­

толщам бактериальных карбонатов, охарактеризо­

лись, по-видимому, на разных уровнях стратифи­

ванных выше, дает основания думать, что своеоб­

цированного бассейна

разие соответствующей биоть1 имеет не климатиче­

рального

распределения

-

соответствующих

в пределах как фотиче­

ской, так и афотической зон. Можно думать, что

скую, а трофическую природу.

их происхождение связано с жизнедеятельностью

В эволюции позднепалеозойской биоты Севе­

неких гипотетических прокариот, фиксирующих

ро-Востока Азии хорошо различимы три крупных

морской карбонат, строгих анаэробов, но факуль­

этапа, выраженных последовательной сменой трех

тативных фото- и хемоавтолитотрофов. Можно

бентосных формаций

предположить наличие здесь консорциума из фо­

лымской, колымо-омолонской

-

верхоянской, печоро-ко­

(Ganelin, 2010).

Верхоянский тип бентосных ассоциаций (фау­

тосинтезирующих анаэробных серных бактерий и
архей. Адаптационная стратегия последних, как

на

известно, позволяет им распространиться по всей

от середины башкирского века до середины артин­

толще океанских вод.

ского. Таксономически он наиболее беден и резко

Не меньший интерес, чем рассмотренные кар­

Verkhojania -

эндемичен,

Jakutoproductus)

приурочен,

как

распространен

правило,

к

маломощ­

бонаты черносланцевых серий, представляет собой

ным известняковым телам (биогермы, биостромы),

другой член этих серий

среднекаменноугольные

углерод которых аномально легок. До раннеартин­

и пермские микститы, принимаемые рядом авторов

ского времени ареалы его распространения крайне

за

редки и пространственно ограничены.

ледово-морские

-

образования.

Недавно

были

приведены аргументы в пользу флюидно-экспло­

Середина артинского времени знаменует собой

что

крупную биотическую перестройку, связанную с

сушественно дополняет представления о ведушей

позднеартинской трансгрессией. Монотипные био­

зивно-грязевого

происхождения

этих

пород,

роли флюидного фактора в формировании особен­

топы сообществ верхоянского типа сменяются по­

ностей позднепалеозойского био-седиментогенеза

литипными печоро-колымского. Происходит смена

(Ганелин,

доминантов сообществ. В их составе весьма ощу­

2011).

В последние годы разгрузка глу­
холодных си­

тимо присутствие уральских и особенно печорских

пов, широко выявляется в пределах современных

элементов, обусловленное расширением палеогео­

пассивных окраин. В частности, на атлантическом

графических связей.

бинных углеводородных потоков

-

побережье, залив Кадис, разгрузка углеводородных

Колымо-омолонский тип ассоциаций сменяет

флюидов, сопровождается интенсивной грязевул­

предшествующий ему печоро-колымский после

канической деятельностью, которая ассоциирует с

биотического кризиса, разделяющего раннюю и

накоплением аутигенных микробиальных карбона­

среднюю пермь. По таксономическому составу этот

тов,

а

тип наиболее разнообразен и тесно связан с бакте­

также образующих биогермы, отдельные корки,

риальными карбонатами, образующими мощные

конкреции (Блинова,

тела сероводородистых известняков. Он просуше­

покрывающих значительные площади дна,

2006).

Черносланцевая «аномальность» позднепале­

ствовал на протяжении остальной части перми и

озойского седиментогенеза Северо-Востока впол­

полностью исчез вблизи пермо-триасовой границы.

не корреспондирует со своеобразием его поздне­

Рассмотренные особенности позднепалеозой­

палеозойской бентосной биоты. Последняя, как

ского био- седиментогенеза не ограничиваются Се­

известно, резко обеднена таксономически и весь­

веро-Востоком Азии. Аналогичные биото~ы фраг­

ма эндемична. Причину этого обычно видят в ее

ментарно присутствуют в обширном Памира-Гима­

высокоширотном положении и

холодноводности.

лайском поясе, Внутренней Монголии, Российском

Однако ранее автором было показано, что ареалы

Приморье. Но наиболее яркие аналоги представ-


Глава

534

IV.

События и факторы эволюции биосферы

VAC:HiVac

Vega©Tescan

Dtgftat Мitmc:opy lmaging

200um

Device:

МV2300

Vega ©Tesc::an

Dlgltal Mic-roscopy lmaging

10um

Vega eтescan
Dlgital Mlcroscopy lmagJng


Ю. Б. Гладенков и др. Расшифровка развития палеоэкосистем фанерозоя бореального пояса

Рис.

7.

Карбонаты в сканирующем микроскопе.

1-

известняк омолонской свиты, х

3000;

535

продольный срез призмочки с

отчетливо наблюдаемыми коковидными бактериоморфными образованиями. Обр. № 1-8/вг-66, верхняя пермь, зо­
на

13 -

Teffakea korkodonensis.

Омолонский массив, руч. Водопадный;

2-

известняк омолонской свиты, х

3000;

сложно переплетающиеся бактериальные нити, покрытые утолщенным минерализованным гликокаликсом, тот же

образец;

3-

агрегаты микроколоний, представленные пучками рядоположенных нитей, образованных делящи­

мися бактериями, тот же образец;

4-

поперечный срез призмы, в котором хорошо различимы ячеистая структу­

ра минерализованного гликокаликса и бактериоморфные коковидные образования; х

3000, обр. № 1-8/вг-66;
13 - Teffakea korkodonensis, Омолонский массив, руч. Водопадный; 5 известняк рулонской свиты, общий вид, х 300, в центре небольшая (1,2 мм) призматическая корка; обр. 9-1а/вг-99,
вторая половина нижней перми, зона 7 - Anidanthus aagardi, Омолонский массив, р. Мунугуджак; 6 палочко­
видные бактериоморфные образования в известняках фолькской толщи, х 1200, тот же образец

омолонская свита, верхняя пермь, зона

лены в Южном полушарии, в позднепалеозойских

Северо-востоке Азии, так же как и характер биото­

отложениях Гондваны. В частности, почти иден­

пов

тичные с сообществами верхоянского типа ассо­

предположение

циации

характеризуют

Tepuel в

о том,

бассейна,

наводит

что определяющую роль

на
в

-

формировании осадков и населения этого бассейна

Патагонии

играли процессы, связанные с глубинной дегазаци­

среднекаменноугольные

раннепермские биотопы группы

позднепалеозойского

Здесь описаны морфологи­

ей недр. Последняя проявилась, по-видимому, как в

ческие типы практически всех доминантов верхо­

виде высачиваний холодных флюидов (сипов), при­

янской бентосной формации. Среди них указыва­

уроченных к региональной системе разломов (тре­

ются Verkhojania, Jakutoproductus, Lanipustula, Levipustula, Costatumulus. Примечателен и алеврито­
глинистый состав формаций группы Tepuel, содер­

щин), так и в эксплозивно-грязевой форме, связан­

жащей несколько горизонтов диамиктитов, прини­

в первую очередь метана и сероводорода,

маемых за ледово-морские образования. Еще более

ливших своеобразие данной экосистемы.

(Taboada, Pagani, 2010).

поразительные аналогии демонстрируют пермские

ной с коровыми градиентами. Результатом явился
интенсивный вынос восстановленных соединений,

Сформировавшиеся

здесь

опреде­

восстановленные

разрезы Новой Зеландии. Карбонатная формация

экосистемы представляют собой симбиоз его оби­

на Южном острове сложена зловон­

тателей с аноксидными хемо-метанотрофными и

ными сероводородистыми бактериальными извест­

фототрофными прокариотами. При этом наиболее

няками, совершенно тождественными бактериаль­

специализированные формы, такие как иноцерамо­

ным карбонатам Северо-Востока. Здесь они также

подобные моллюски, достигавшие гигантских раз­

Wooded Peak

принимаются за обломочные

-

продукт перера­

ботки раковин иноцерамоподобных двустворок

-

меров, являлись, по-видимому, эндосимбионтами.
Глобальное распространение подобных палеоэко­

«атомодесмовые известняки». На севере южного

систем дает основания предполагать глобальный

острова, в районе Нельсон известняки представлены

характер позднепалеозойской глубинной дегазации

глубоководной фацией и контактируют с офиоли­

и связанную с ней деструкцию земной коры. Ре­

товыми комплексами

горы Дан, о-ва Д'Урвилл

зультатом явилось формирование позднепалеозой­

В одновозрастных мелководных

ских сульфидных бассейнов и свойственной им

фациях на юге острова эти карбонаты содержат ра­

сульфидной биоты, что и определило биогеографи­

ковинный бентос, близкий колымо-омолонскому -

ческое своеобразие позднепалеозойской биосферы.

(Waterhouse, 1964).

-

тонкоструйчатые линопродуктиды, иноцерамопо­

добные моллюски и др. Близкие ассоциации бра­
хиопод, двустворок, фораминифер свойственны
и австралийским пермским отложениям, особен­

но восточно-австралийским

-

бассейнов Боуен,

Сидней, Новой Англии. В мощных терригенных
комплексах здесь

также выделяют

несколько

го­

2.
2. 1.

Мезозойская биосфера
Экотонная бореально-тетическая
экосистема позднеюрского
и раннемелового Среднерусского
моря (В. А. Захаров, М. А. Рогов)

ризонтов микститов, трактуемых как продукт ле­
дового разноса.

Изложенный краткий обзор позволяет сделать

Климатическая зональность в мезозое (перво­
начально в юрском периоде) установлеfна М. Ней­

несколько предварительных выводов. Веществен­

майром еще в конце

ный состав

100 лет этот вывод

позднепалеозойских комплексов на

XIX века.

В течение более

не только не подвергался сомне-


Глава

536

IV. События

и факторы эволюции биосферы

ниям, но и подтверждался новыми доказательства­

из установленных к настоящему времени колеба­

ми. В течение юрского и мелового периодов мор­

ний климата в мезозое и сопряженных с ними из­

ские и континентальные ландшафты высоких ши­

менений ареалов морских организмов может быть

рот населяла бореальная биота, а экваториальные

оценена в

акватории и сушу

как

-

тетическая (тропическая).

с

10-20 тыс.

последними

лет. Это хорошо согласуется

астрохронологическими

дан­

Специалисты-палеонтологи довольно легко разли­

ными по юре, так и с результатами моделирова­

чали таксоны бореальные и тетические, но точное

ния, в которых кратковременные колебания уров­

положение границы двух супербиохорем: надобла­

ня моря и вариации изотопного состава кислорода

стей Панбореальной и Тетис-Панталласа

в позднем мезозое иногда связываются с высоко­

-

долгое

время оставалось неопределенным. Сравнительно

широтными оледенениями.

недавно эта граница бьmа установлена путем ана­

Температура воды была основным фактором,

лиза географического распространения тетических

влиявшим на широтное перемещение моллюсков

и бореальных таксонов моллюсков в поздней юре и

эпиконтинентальных морей. Вот почему важно об­

начале раннего мела (Захаров, Рогов,

2003; Zakha-

ратить внимание не только на качественные, но и

Как и следовало ожидать, граница

количественные значения этого фактора. Ранее ав­

обозначилась в виде экотонной полосы шириной

торами бьmи проанализированы широтные имми­

примерно

грации моллюсков в кимеридж-валанжинское вре­

rov, Rogov, 2004).
1О

градусов. Ее положение отличалось в

восточном и западном полушариях. На территории

мя в Северном полушарии (Захаров, Рогов,

Восточной Европы экотонная полоса располага­

в средне-позднеюрском Среднерусском море. Это

2003) и

с. ш. Именно на этих ши­

позволило установить большое число кратковре­

ротах размещалось Среднерусское море, в котором

менных иммиграционных эпизодов у моллюсков.

обитала смешанная бореальная и тетическая фауна.

Вместе с имеющимися в настоящее время данными

лась в интервале

45-55°

Сушественную роль в экосистеме этого моря игра­

по изотопному составу кислорода в рострах белем­

ли моллюски: аммониты, белемниты, двустворча­

нитов и, в меньшей степени, в раковинах аммони­

тые и гастроподы. В отдельные периоды времени

тов

здесь усиливалось влияние то прохладных, то от­

boиlleaи

из

верхней

юры

Русской

платформы

(Ri-

Этот процесс

et al" 1998; Барсков, Кияшко, 2000; Price,
Rogov, 2009; Wierzbowski, Rogov, 2010, 2011) это

фиксировался в структуре ассоциаций моллюсков.

позволяет с высокой степенью достоверности ре­

При этом качественные (теплее-холоднее) пока­

конструировать колебания температуры морской

затели температуры могут быть реконструированы

воды в рассматриваемом бассейне. Ниже мы рас­

на основе палеоэкологических исследований, а ко­

смотрим такие колебания на примере кимеридж­

личественные

ского и волжского веков.

носительно теплых водных масс.

-

путем анализа стабильных изото­

Однако прежде чем перейти к результатам

пов кислорода.

Оценка продолжительности кратковремен­

анализа динамики ассоциаций моллюсков в связи

ных климатических флуктуаций. В геологическом

с флуктуациями температуры вод, следует обра­

прошлом, как и ныне, климат был наиболее ла­

тить внимание на временную основу. Поиск и ре­

бильным компонентом биосферы Земли. Клима­

конструкция

кратковременных

преобразований

тические колебания были разнопорядковые. Ши­

сообществ беспозвоночных стали возможны лишь

рокие амплитудные колебания охватывали многие

благодаря разработанной в последние годы де­

миллионы

тальной (инфразональной) шкале кимериджского

лет.

Реконструируемые

низкоампли­

тудные колебания, как и в четвертичное время,

и волжского ярусов среднерусской юры

охватывали, вероятно, сотни и десятки тысяч лет.

Rogov, 2009; Rogov, 2010).

(Price,

Значительные успехи в

Однако обособить скоротечные флуктуации кли­

детализации биостратиграфических шкал во всех

мата на фоне крупных оптимумов и пессимумов,

ярусах бореальной верхней и частично нижней и

как

пока

средней юры были достигнуты в связи с выделе­

только приблизительно. В последнее время имен­

нием инфразональных биостратиграфических под­

но кратковременные климатические колебания в

разделений (биогоризонтов) по аммонитам и даль­

мезозое привлекают все большее внимание иссле­

нейшим совершенствованием включенных в Боре­

дователей. Длительность самых кратковременных

альный стандарт параллельных шкал по разным

и

определить

их

длительность,

можно


Ю. Б. Гладенков и др. Расшифровка развития палеоэкосистем фанерозоя бореального пояса

группам окаменелостей (Захаров и др.,

1997;

Шу­

в начале фазы

Autissiodorensis их

537

сменяет комIШекс,

Кроме того, для большинства

в котором доминируют суббореальные и субсреди­

интервалов бореальной юры и нижнего мела к на­

земноморские таксоны, а выше вновь преобладают

рыгин и др.,

2011).

стоящему времени

получены

данные

по

изотоп­

бореальные

кардиоцератиды

(Nannocardioceras

При этом крайне небольшая мощность

ному составу углерода и кислорода в органогенных

volgae).

карбонатах (Riboиlleaи et а/., 1998; Zak et al., 2011).

биогоризонта

Вместе с комплексом палеонтологических и мине­

сматриваемых регионах вместе с астрохронологи­

во всех рас­

Nannocardioceras volgae

ралогических данных это позволяет судить о кли­

ческими данными по кимериджу Англии позво­

матических колебаниях различного порядка в ме­

ляют определить длительность гемеры

зозое, а также о причинах изменения соотношения

10-20 тыс.

изотопов углерода в системе атмосфера--океан в
Климатические колебания и широтные имми­

в

лет.

Детальное сравнение кривых, полученных по

разрезу Городищи (рис.

глобальном масштабе.

volgae

топная

кривая

8),

и изменения

показывает, что изо­
комплексов

аммони­

грации моллюсков в кимериджском и волжском ве­

тов идут в противофазе

ках в Бореально-Атлантической палеобиогеогра­

данным фиксируется потепление, у аммонитов

фической области. В целом для поздней юры Рус­

преобладают более холодолюбивые формы, и на­

ской IШиты (Riboиlleaи

2009)

et al., 1998; Price, Rogov,

и других суббореальных и бореальных

оборот.

-

там, где по изотопным

Такое распределение изотопных палео­

температур,

полученных

по

рострам

придонных

регионов, таких как Шотландия и север Сибири

белемнитов, по сравнению с относительным оби­

(Zak et al., 2011), по изотопному составу кислорода

лием тепловодных

четко устанавливается общий тренд к потеплению,

может говорить о том, что противоположным по

и холодноводных аммонитов,

нарушаемый небольшими колебаниями. С конца

направленности

среднеюрского времени и до начала мелового пе­

уровни наиболее сильного и наиболее слабого пе­

риода температура воды возрастала от

ремешивания

18-20 °С.

6-8

°С до

Полученная картина, впрочем, усложня­

пикам

могут

поверхностных

и

соответствовать

придонных

вод.

Это предположение хорошо согласуется с очень

на изотопные данные

частыми колебаниями изотопного состава кисло­

небольших изменений солености, а также предпо­

рода в рострах белемнитов из черносланцевой

лагаемыми вариациями в ассимиляции элементов

пачки зоны

из морской воды в процессе онтогенеза и суточ­

отлагалась при чередовании застойных и хорошо

ных вертикальных миграций белемнитов, чьи ро­

аэрируемых обстановок. В то же время соотноше­

ется возможным

влиянием

Panderi (Price, Rogov, 2009),

которая

стры являются основным «поставщиком» изотоп­

ние находок бореальных (цилиндротеутиды) и те­

ных данных.

тических (белемнопсеиды) с изотопными темпе­

Для одного из наиболее детально изученных
разрезов кимериджского

и

волжского ярусов у

ратурами неоднозначно. Для пограничного интер­
вала келловея и оксфорда появление белемнопсеид

д. Городищи (Ульяновская обл.) имеются в на­

совпадает с потеплением, тогда как массовое появ­

стоящее время как изотопные данные, так и пред­

ление белемнопсеид в конце ранневолжского вре­

ставительные количественные

мени,

показатели, харак­

судя по изотопным данным, приходится на

теризующие изменения комплексов аммонитов во

похолодание, при том что белемнопсеиды, судя по

времени (рис.

всему, обитали ближе к поверхностной части вод­

8).

Для верхнекимериджской и ниж­

неволжской частей разреза характерно частое че­

ной толщи, чем цилиндротеутиды

редование узких интервалов, в которых преобла­

Rogov, 2011).

(Wierzbowski,

дают таксоны бореального, суббореального или

Таким образом, совместный анализ данных

субтетического происхождения. Наиболее важны

по ареалам, биогеографической и экологической

резкие колебания численности субсредиземномор­

структуре ассоциаций моллюсков из разных па­

ских и бореальных аммонитов на рубеже фаз

леобиохорем совместно с результатами изотопно­

xus

и

Autissiodorensis,

которые также фиксируются

на севере Польши и на юге Англии
В самом конце фазы

Eudo-

(Rogov, 201 О).

Eudoxus здесь встречаются
многочисленные Nannocardioceras ех gr. anglicит,

го

состава

кислорода

в

их раковинах

поз~оляет

судить о кратковременных климатических флук­
туациях,

минимальная

длительность

которых

со­

поставима с глобальными климатическими коле-


538

Глава

IV.

События и факторы эволюции биосферы

Б11оrори:ю1~т

о"О

-2.0
- 1.0
!'""...., ..,.....,,........., ....,....

Комплексы

о.о

.,.,...,,..--.,

ТЕПЛО
N"635

}

}
Z.zarajskensis

ШJI

."j llo-..-&=;.;;;;.;.;a=~-!
·t

[

холодно

/

N•112
N-ЗS

~1~============~1

•

4

аммонитов

1-т-1

N-SO

}-··•а

N

• • • • N"61

ZAraiskites
pommera11ia

]щ
1} 'iii

QN-34

} wм1н•н-79

\

1

N.

raecu~or

~·--------.

:%

Sormotisphinctes
fa/lox

Sormotisphinctes zeissi

20
ТЕПЛО

0

Т, С
1 11 1

•

12
11

ХОЛОДНО

4_5_6_

Условные обозначения

1Elf1y~12•з•

Sarmatisphinctes
s11blю1'f!alis

79809EJ

1("11-120
1з-1411В1~

15817111188
N.angl1cum

DOOOtlJE N-39

MW,..,..36
WJllМfJJI N"61


Ю. Б. Гладенков и др. Расшифровка развития палеоэкосистем фанерозоя бореального пояса

539

Рис.

8. Изменение комплексов аммонитов и изотопный состав кислорода в рострах белемнитов разреза Городищи (лек­
- по
Рогов, 2005; Ргiсе, Rogov, 2009; Rogov, 201 О, с небольшими дополнениями. Условные обозначения: А - изотопный состав
кислорода в рострах белемнитов и колебания температуры морской воды (по Ргiсе, Rogov, 2009); В - количественные
изменения состава комплексов аммонитов (по числу находок таксонов, обозначенному буквой N), С - направление изменения температуры приповерхностных вод, построенное по изменению комплексов аммонитов. 1 - известковистая глина,
2 - серая глина, 3 - бежевая глина, 4 - темно-серая глина и битуминозный сланец, 5 - песок, 6 - песчаник, 7 мергель, 8 - фосфоритовые конкреции, 9 крупные аммониты, 10-18 - аммониты разной палеобиогеографияеской
приуроченности: 10-13 - бореальные (10 - Cardioceratidae, 11 - Dorsoplanitidae, 12 - Craspeditidae, 13 - Suboxydiscites
(Oppeliidae); 14-15 - суббореальные (14 - Virgatitidae, 15 - Aulacostephanidae); 16-18 - субтетические (16 - Aspidoceratidae, 17 -тетические Oppe/iidae, 18- Lithacoceratinae)

тостратотип волжского яруса, Ульяновская обл.). Расчленение разреза и характеристика аммонитовых комплексов

<11111

баниями последнего миллиона лет. В то же время

делено неравномерно

следует учитывать, что на потенциальные индика­

ские интервалы разреза значительной мощности, в

торы климата: изотопный состав раковин моллю­

которых не обнаружено космического материала,

сков, биогеографическую и экологическую струк-

·

но

в

пределах

-

выявлены стратиграфиче­

которых

имеются

туру их ассоциаций и биоценозов, состав пород и

(толщиной от нескольких мм до

минералов и др.

маломощные

5-10 см)

прослои,

оказывали влияние комбиниро­

обогащенные космическим веществом. Эти на­

ванные факторы, эффект которых пока однозначно

блюдения опровергает традиционные представле­

не может быть оценен.

ниям о «фоновом» равномерном выпадении на

-

Землю космического вещества, нарушаемом лишь

2.2.

падением крупных

события прошлого (О. А. Корчагин)

тов и комет. В этой связи предлагается различать
прослои

Исследованию следов космических событий
и их влияния на морскую палеобиоту уделялось

специальное внимание. Особенно тщательно ана­
лизировались космические и биотические собы­
тия на некоторых переломных рубежах развития

биосферы Земли. Сейчас в фанерозое отмечается до

90-100

-

Космические факторы и аномальные

геохимических аномалий разного типа и

различного происхождения.

Их выявление пред­

ставляет интерес не только для стратиграфических

космических тел

осадочных

толщ,

содержащие

метеори­

прямые

индикаторы падения на Землю крупных космиче­

ских тел: наноалмазы, Ni-шпинель, ударный кварц,
клинопироксеновые микросферы (следы «импакт­
ных событий»),
дисперсное

-

и прослои, содержащие тонко­

рассеянное

космическое

вещество,

в

которых не обнаружены индикаторы импакта (кос­
мические пьшевые события). Выпадение в боль­
шом

количестве

космического

тонкодисперсного

вещества силикатного состава, металлических час­

корреляций, но и для оценки их возможного влия­

тиц и падение метеоритов на Землю существенно

ния на развитие палеобиосообществ. На начальном

не оказывало влияния на динамику развития мор­

этапе ставилась задача вычленить все разнообразие

ской биоты.

поступавшего на Землю космического вещества,

В результате работ, в частности, впервые бы­

сохранившегося в ископаемом состоянии. Установ­

ли выявлены горизонты, обогащенные тонкодис­

лено, что палеокосмическое вещество представле­

персным космическим веществом вблизи границы

но четырьмя видами (Грачев и др.,

перми-триаса (разрез Мэйшань, Южный Китай;

•
•

2008):

кристаллами Ni-шпинели, наноалмазами (лон­

Недуброво, Россия), на рубеже нижнего и верхнего

сдалеит), ударным кварцем;

мела (Крым, Украина; Дагестан, Россия), на рубе­

Ni-Fe-

же мела и палеогена (разрез Стевенс Клинт, Дания)

Fe, магнетитовыми
2010, Корчагин и др.,

и в среднем миоцене (Камчатка, Россия). В разрезе

металлическими частицами (сплавы

Cr

и др.), металлическим

микросферами (Корчагин,

•
•

Стевенс Клинт по находкам наноалмазов установ­
лены следы падения астероида на Землю в конце

2010);
силикатными (клинопироксеновыми) микро­

мелового периода. Установлено, что в конце ме­

сферами;

лового периода на Землю в разное время упало

высокоуглеродистыми сфероидами (эндофул­

два разных астероида. Впервые обнаружены кри­

леренами?).

сталлы Ni-шпинели в кратере Чиксулуб (11ексика),
космическое

которые считаются индикаторами падения астерои­

вещество в осадочных толщах фанерозоя распре-

Поступавшее

тонкодисперсное

да. Находки никелистой шпинели в этом кратере


Глава

540
приурочены к слою №

2

IV.

События и факторы эволюции биосферы

и не связаны с известны­

Кайнозойская биосфера

3.

ми «сферуловыми горизонтами». Важно отметить,

Палеобиота и кайнозойские

3. 1.

что падение обоих астероидов произошло раньше

события в Северной Пацифике:

массового вымирания некоторых групп биоты.

палеогеографические аспекты

Следует обратить внимание на находки высо­

(Ю. Б. Гладенков)

коуглеродистых сфероидов, выявленных на рубе­
же перми-триаса в Центральной России вблизи
уровня массового вымирания биоты (рис.

9, 10).

Сфероиды такого же состава были установлены в
Северной

Америке

12000-13000 лет.

в

отложениях

с

возрастом

Этот временной интервал свя­

зывается с вымиранием крупных млекопитающих

(мамонтов и др.). Ранее, как говорилось выше,
также впервые бьmи обнаружены следы импакт­
ных событий в морских осадочных толщах верх­
ней перми

нижнего триаса разреза Мэйшань

-

(Китай). В породе обнаружены микросферы желе­
за, железа с

примесями редкоземельных элемен­

Известно, что в морских экосистемах кайно­

зоя доля бентосных форм весьма велика (до

всех организмов). Поэтому при изучении биоти­
ческих сообществ раннего палеогена Северной
Пацифики на бентос приходится обращать специ­
альное внимание (в частности, на моллюски и

фораминиферы). Именно эти группы ископаемых
часто позволяют дешифрировать многие особен­
ности геологической истории древних бассейнов,
и прежде всего шельфовых зон и окраинных мо­
рей прошлого (Гладенков,

железа-никеля,

железа-кобальта.

Было

обра­

щено внимание на то, что на рубеже перми­
триаса импактное событие случилось непосредст­
венно после эпизода вулканизма и после массово­

го вымирания биоты (планктонных комплексов).

2004).

Наиболее полные разрезы палеогена в этой

тов, железа-никеля и алюминия, имеющие явные
текстурные поверхности, а также частицы железа,

98 %

области находятся в Камчатском регионе. На Кам­
чатке имеются два основных типа разрезов палео­

гена

-

зона

в западной и восточной зонах. Восточная

характеризуется

в

целом

глубоководными

(часто флишоидными) толщами, западная

-

обыч­

но континентальными и мелководными породами,

В целом, импактные собьпия на выявленных ру­

часто с углями. (Гладенков и др.,

бежах кембрия (батырбайского-ашабабианского

2011).

веков), перми-триаса, альба--сеномана, мела­

майской свит

палеогена имеют ряд общих черт

залива северо-западной части Камчатки) позволи­

-

они характе­

ризуются микросферами железа с текстурной по­
верхностью, а также частицами магнетита и ава­

2005, Gladenkov,

Их изучение (в частности, унэльской и ом­

-

более

ло выделить семь

3000 м -

Маметчинского

сменяющихся

сками. В них определено около

слоев

80

с моллю­

видов. В ос­

новном это сублиторальные (частично батиаль­

руита.

Обобщая эти данные, можно предположить,
что геохимические

аномалии металлов на ряде

ные) формы. Большая часть родов является теп­
ловодной

(Glycymeris, Ostrea, Conus, Crepidula).

критических рубежей геологической истории Зем­

Глубина

маметчинского

ли (мел-палеоген, пермь-триас) следует свя­

времени от

0-40

до

позволил

бассейна

400-500

менялась

во

м. Анализ состава

зывать не только с восстановительными обста­

моллюсков

наметить

здесь

ассоциации

новками седиментации, их сорбцией из морской

разной трофической зональности. Нижние слои

воды керогенами, смектитами и органическим ве­

характеризуются в основном группой неподвиж­

ществом либо геохимическими барьерами внутри

ных, малоподвижных и подвижных сестонофагов.

осадка при его диагенезе, либо вторичным пере­

Вышележащие слои включают преимущественно

распределением сульфидных растворов и осаж­

формы собирающих детритофагов.

дением металлов на новообразованные сульфид­

Сравнение палеогеновых комплексов Камчат­

ные минералы, усилением активности бактериаль­

ки (Маметчинского залива и расположенной юж­

ных сред, а в значительной мере с процессами

нее Чемурнаутской бухты) с комплексами разрезов

интенсивного

других районов, в частности Северной Амери­

ческого

механического

вещества

в

виде

выпадения

косми­

металлических частиц,

ки

-

штатов Вашингтон, Орегон и Калифорния

микро- и наносфер на Землю и его быстрой кон­

(формации Кресцент, Санта Сусанна и др.), пока­

сервацией.

зывает их большое видовое сходство (до

50-57 %).


~·

q

i
выпадения

!:71
~

частиц

:t

завершение

х•

космических

~ х

(,)"'
<!.)

о..

(,) :z:

~

<!.)

t"'е:s: ~
~
~ ~ ~
:а "' (,)
IXI "
:S:

"1:1
Р>

()

s

tN

~~~~
g~ о
(,) ;s: "" о
:s: t ~ 5
tЗ (,) 1Х1

граница

::;:

:@"
g

<!.)

пер мв-триаса

(GSSP)

~

<!.)

:s:"'
<!.)
:z: ~ :;"
~ 1Х1 ~
<!.) ::1" (,)
~ :s: о
о..!-< :.:;
~

~

8

"'::::

~~ gj

~
~о

~

'О

е5

1:1"

~

(,)

(,)"'

"':i<

11....

начало

выпадения

космических
частиц

~

~
(1)
о

(.i)

~

()

актианая фаsа вулканиsма

::;:

2

()

~

~

>&

I ,

активная фаsа аулканизма

1

3

допомитизированный

известняк

1

о

уровень массового

вымирания фораминифер

тонкоппитчатый

l

~

.g

•88 lвvпканический пепел

w

g
О\

.§
(1)

~

::i::
о

а
~

g
()

Рис.

~

9. Переходный слой № 27 от перми к триасу из разреза Мэйшань (Китай) и распределение в нем магнетитовых микросфер и металлических частиц. Прочерк означает, что

Р>

пластины на наличие космической пыли не анализировали

V1

.j::.


542

Глава

IV.

События и факторы эволюции биосферы


Ю. Б. Гладенков и др. Расшифровка развития палеоэкосистем фанерозоя бореального пояса

Рис.

10.

543

Изображения некоторых магнетитовых микросфер и металлических частиц, обнаруженных в переходном слое
№

27

границы пермь-триас в разрезе Мэйшань (Китай). Структуры:

кристаллической текстурой поверхности (обр.
(скорлупа) (обр.

27-14_1 Mt),

2а

-

1 - микросфера магнетита с бугристо­
27-2_8_Fe_Mt_cosm_Tm), 2 - фрагмент микросферы магнетита

увеличенный фрагмент внутренней полости магнетитовой микросферы с

игольчато-кристаллической текстурой),

3 - микросфера магнетита с игольчато-кристаллической текстурой по­
27-2_7 Mt), 4 - микросфера магнетита с бугристо-кристаллической текстурой поверхности
(обр. 27-9_Mt), 5 - частица Ni оплавлено-полусферической формы (обр. 27_1_1 Ni), 6 - остроугольная час­
тица сплава Fe-Cr-Ni (обр. 27-3_7_Fe-Cr-Ni), 7 изогнутая пластина Fe с продольными бороздками
(обр. 27-1_6_Fe), 8 - изогнутая пластина Fe с поперечными бороздками (обр. 27-11_mag_9_Fe), 9 - изомет­
ричная частично оплавленная частица сплава Cr-Fe-Zп (обр. 27-13_5_Cr-Fe-Zп), 10 - оплавленная частица
(зерно) магнетит Cr-Fe (обр. 27-11_ mag_7_Cr-Fe), 11 - пластина сплава Cu-Zп (обр. 27-9_15_Cu-Zп), 12пластина Zп на магнетите (обр. 27-11_mag_11_Zп), 13 - оплавленная (корродированная) частица магнетита
(обр. 27-9_4_Mt)
верхности (обр.

Это свидетельствует о тесных связях шельфо­

вые

вых донных раннепалеогеновых биот этих рай­

относительно тепловодных комплексов Пацифи­

онов. С другой стороны, среди камчатских мол­

ки.

люсков

формироваться только в конце эоцена и в основ­

отмечается

много

эндемиков,

которые

отсутствовали на североамериканском шельфе.

ном

моллюски

происходили

Бореальный

олигоцене

тип

и

от

биоты

далее

в

позднемеловых

стал

практически

неогене

-

квартере

С учетом данных по моллюскам и фораминифе­

(Гладенков и др.,

рам (Н. А. Фрегатова и В. Н. Беньямовский) воз­

ние на этот процесс оказало глобальное похоло­

раст вмещающих их формаций определяется в

дание (смена «оранжерейного» типа климата на

целом как танет-ипр, с границей палеоцена и эо­

«ледниковый») и возникновение психросферы с

цена внутри унэльской свиты (Гладенков,

ее новой системой морских течений. Это похоло­

Gladenkov, 2011).

2010;

Эти выводы находят подтвер­

дание

нашло

1997, 2005).

отражение

в

появлении

чинскому разрезу П. А. Минюка, которые в це­

также повышенной продуктивности диатомовых

лом не противоречат

водорослей, что привело к образованию кремни­

Из приведенных материалов следует важный

тические

сообщества

в

глендонитов,

а

стых толщ. Перестройка бентосных сообществ в

на палеонтологической основе.

палеогеографический вывод.

и

осадках

материала

полученным

разноса

в

ждение в палеомагнитных материалах по мамет­

построениям,

ледового

Значительное влия­

Тепловодные био­

танете-ипре

Северной

Пацифики сушествовали во время самого значи­

Северной Пацифике продолжалась относительно
долго (миллионы лет) и сопровождалась, с одной
стороны, миграцией ряда теплолюбивых таксо­
нов моллюсков в южные широты, а с другой,

-

тельного глобального потепления кайнозойского

частично

времени в условиях своеобразного паратропиче­

условиям. Именно тогда возникли новые таксоны

ского климата (Гладенков и др.,

Климати­

(роды и виды) моллюсков и получили преимуще­

ческая дифференциация (и провинциальная ди­

ственное развитие типично бореальные предста­

версификация) в это время не была резко выра­
жена. Северная часть Тихого океана представляла

вители родов Neptunea, Buccinum, Peronidia,
Periploma, Nuculana и др. Конечно, на распро­

собой гигантский «залив» (рис.

странение этих сообществ на площади, помимо

1997).

11 ).

На севере он

-

адаптацией отдельных форм к новым

был ограничен сушей, то есть связь Пацифики с

климатического

Арктическим бассейном отсутствовала. Это спо­

другие факторы (изменения палеогеографических

контроля,

оказывали

влияние

и

собствовало, видимо, относительному выравни­

обстановок, морские течения, характер седимен­

ванию температурных характеристик водных масс

тации, вертикальная и трофическая зональности,

Северной Пацифики. Имеющиеся данные пока­

конкурентные отношения видов и проч.) (Гладен­

зывают,

ков,

что ареалы тепловодных родов и

видов

моллюсков и фораминифер охватывали практи­

2005, Gladenkov, 2011).
Таким образом, приведенные материалы за­

чески всю Северную Пацифику (от Японии до

ставляют

Северной Камчатки

геологических обстановок и событий

другой стороны

-

-

Корякского Нагорья и с

от Калифорнии до штатов

Вашингтон и Аляска). Палеоценовые и эоцено-

по-новому

подойти

к

интерпретации

i

палеоге­

новой экосистеме Северной Пацифики и наметить
новые пути ее дальнейшего изучения.


Глава

544

IV.

События и факторы эволюции биосферы

~
ф

a.m
a:i

с:

Тиллиты,

:s:

о

() :s:

....

;!!?. a:i

rлендониты 1

о

•••

90-95
30-35

16<Jullllll!ll!Jlllllllllllll!!~rtilfi~~--lilllR!i~lill!Jl!JJ~~"....lll!lllllf
2<,...~fll!!lll-.iil......llllllliiillltlllllllllillill.....................lllilil!..-(
PACtrJC

ОССЛN

••• >S

..а

с:а )~

•••
10

2з.0 {

•••

о .о
(J
s ~

~

:ж:

:Е

ф

~

17

1:3: ~
с:

•••

34.018 {
>S

..а

1а

56.0

•••

•••
•••

65.0

-

:Ж:

>S

>S

..о
ж:

ф

а.

ф

...

С'О

:ж:

о

ЭЕ \О

:z:
1а

о

c:i:

С'О

а.

о

а.

С'О

~

3.5


Ю. Б. Гладенков и др. Расшифровка развития палеоэкосистем фанерозоя бореального пояса

Рис.

11.

Палеогеографические обстановки в палеогене-неогене Северной Пацифики. 1а
климата, 1б

-

границы миграции тепловодных видов моллюсков, 1в

ницы миграции аркто-бореальных видов;

3-

Берингова суша;черные стрелки

тических и арктических сообществ моллюсков в плиоцене; А, К, Я
американские, К
угольники

3.2.

-

камчатские, Я

-

-

-

-

-

северо­

эпохи тектогенеза; черные тре­

-

глендониты; черные кружки

периоды

гра­

2-

пути миграции североатлан­

-

типы сообществ моллюсков: А

японские; черные прямоугольники

тиллиты; черные кружки с крестом

зона паратропического

-

зона тропического климата;

-

545

-

эпохи потеплений

Океанические сообщества

вовали

Северной Пацифики в условиях

диатомей. Эволюционный процесс, протекавший

массовых

вымираний морских

«посторанжерейного» климата

в это время, можно отнести к градуалистическому

(А. Ю. Гладенков)

типу.

В связи с рассмотрением палеоклиматических

обстановок и реакции на них биосообществ хоте­

лось бы обратить внимание также на два важных
момента: на особенности изменения продуктив­
ности одной из групп кремнистых планктонных

микроорганизмов (диатомеи) и феномен биполяр­
ности в их распространении в олиоцене и миоце­

не (Гладенков,

Однако

в

развитии

северотихоокеанской

кайнозойской диатомовой флоры можно выделить

несколько периодов относительно быстрых суще­
ственных перестроек ассоциаций (в начале ранне­
го олигоцена; вблизи границы между олигоценом
и миоценом; в начале среднего миоцена; в конце

позднего миоцена и в позднем плиоцене). В эти
интервалы

происходило

постепенное

вымирание

ряда видов, которые были характерны для соста­

2007, 201 О а).

Начало увеличения продуктивности диатомо­

вов комплексов в течение миллионов лет, и их за­

вой флоры и масштабов ее распространения в Се­

мещение

веротихоокеанском регионе (что нашло отраже­

эволюционного развития. Очевидно, что происхо­

ние в усилении темпов накопления кремнезема в

дившие на этих этапах изменения окружающей

осадках, в частности, Сахалина и Камчатки) отно­

среды, в том числе циркуляции и температур по­

сится

к

началу

раннего

олигоцена

-

времени

новыми

верхностных

видами,

вод, не

появившимися

могли

напрямую

в

ходе

влиять

на

глобального похолодания и переходу к «леднико­

ход эволюционного развития популяций диатомей.

вому» типу климатического режима (рис.

Од­

Однако перестройки, повлекшие усиление степе­

нако происходившие впоследствии существенное

ни географической изолированности водных масс,

12).

увеличение продуктивности диатомей и формиро­
вание кремнистых толщ не всегда напрямую свя­

заны с похолоданиями и понижениями температур

морских вод (например, в середине раннего оли­
гоцена, конце раннего миоцена,

начале

могли вести не только к реорганизации экологи­
ческих

-

с пиком в середине плиоцена). Такие процессы
могли явиться следствием изменения глубинной
циркуляции Мирового океана и усиления контра­

ста между свойствами донных вод разной приро­

ды в результате палеоокеанографических пере­
строек. К этим периодам приурочено формирова­
ние «молодых» североатлантических глубинных
вод, недонасыщенных питательными солями. По­

добный процесс в итоге приводил к снижению

но

и к

появлению

новых

ниш,

что

создавало предпосылки для эволюционного про­

цесса при их освоении (Гладенков,

среднего

миоцена и второй половине позднего миоцена

ниш,

2011

а).

При анализе таксономического состава мор­
ских диатомовых сообществ олигоцена разных ре­

гионов выявлена одна особенность. Она заключа­
ется в том, что целый ряд планктонных элементов,
типичных для ассоциаций начала раннего олигоцена,

имеет биполярный ареал (Гладенков,
пелагические

формы

типичны

для

Эти

2011 6).

ассоциаций

Южного океана, Североатлантического и Северо­
тихоокеанского

регионов,

но

не

характерны

для

одновозрастных комплексов низких широт. Ос­

продуктивности диатомей и темпов биогенного

новной вопрос заключается в том, почему наход­

кремненакопления в Северной Атлантике и, на­

ки видов, характерных для внетропических об­

против, к их усилению в Пацифике, где подобные

ластей как Южного, так и Северного полушарий,

глубинные воды «северной компоненты» отсутст­

не

вовали (Гладенков,

дизъюнктивный ареал должен был форм;Iроваться

2010 6).

известны

в

разрезах

низких

широт?

Ведь

В то же время на протяжении позднего кай­

из ареала сплошного. Нами рассмотрены некото­

нозоя в Северотихоокеанском регионе отсутст-

рые факторы, которые могли явиться причиной


V>

.j::.
О\

t

Зона по
диатомеям

Периоды процесса

биогенного

Развитие диатомовой флоры
Северной Пацифики ·

~

~

Изменения в
диатомовых

---..-----------------1

кремненакоплення~--......

ассоциациях

Характер биоrенноrо/ Тектонические, океанологические,
кремненакопления

климатические и др. перестройки

(БК)

основные изменения

Развитие комплексов,

®

::;::::й флоры

~~ о:::::~:::й
0

!
т

И !!pOдy!m!BIIOrnl

диаrомовоii флоры

усиление Теtm)НИЧ. 81(11{8ИОСТИ

через Беринrов щюлив

!•} в БеринrовоморсJrо-Алеvтсюii и

®

к концу позднего миоцена)

О'

субарктических !ЮМnле..,ов

поввление

х

КаМчrnжо..Сахаnннскоii

IRD,

т }nоявnение pa3J1>1Чиil в

~1;1~

·~·!·

формнровяиие "современноrо"
галОЮ1ииа и субар1Сt11Ческоrо фронта

режима осаJU<Онаmnления

;.,;r,,$;o;:,;%~_J;Ui·;"z'?~~ф;Ш.l::::Ш:Щ~Шil1Шi.$~~~~~~Щi.i.:i~~ш4;:·. :Ю начало формирования ТИllllЧHЫJ<
Переходные ассоциации (от начала

·~~~

резкое похолодание; начало
хоитинеРТа.Льноrо оледенения;

становление современноrо

<=--е
Бtрииrова

областях

ороднвв

в:rм.,..~ой

1т

(1

1

rсмение провинциализма

фnор Северной и
экваториальио!i Пацифики

n. -основное изменение
седиме~rrации в КZ

(в сторону nреобладанИJ1

bl()

i)' начало ра>нИТЮI в С-В секrоре
су('iаркrичес\\Ой Пацифики

1! начало более маштабноrо

о

вrорой миоцеl!ОВЫЙ

°'11::
~

кпиматическии оmимум

в paiioиax С-3 обрамnения

:s:

первый миоценовый

• ' общеrо характера

~~~~н°о8:оТФДоры

=
=
=
.....

:<

ннтенсифнJ<аЦИJ1 Аляскинс1<1)f() круговороrа

l\'O>ll!Jl-ВX средних Щ!1рОТ

~

•

ЮJиматический оnтимум
(по ра>llЫМ rpynnaм
фауны и флоры) н
трансrрессия в районах
С-3 обрамления

'6-

сКЛ:чаrо-блоковые

текrоннч. движения

в райоке Камчатки

nроцессаБК

11::

""=

~ начальная фаза
увеnнчення

]

~

SK

J::

s

°'§
()

t1
Т

I

'~1

Рис.

'6-

появ.пение космоnолитных

1t~ ~

элементоа окезиич. rшаиктона

'<& иачаnо раэвитИJI

~

f

i~~ ~
;>.:Cs

в охеанической части

реmона (С-З секrор)

11К11111Иое формнровяиие
развитие ~trтов планктона,

имеющих. биnотtриый ареал

кремнистых толщ в

районе С-3 обрамления
Пацифнкн
(Охоrоморскаs обласrь)

tH~JШ

~~i-~
"~& ~11)
~2!~u

12. Развитие ассоциаций диатомей и геологические события олигоцена-неогена в Северотихоокеанском регионе. Серые продольные линии маркируют периоды наиболее
значительных перестроек и реорганизации в структуре и составе диатомовых ассоциаций

.g
11::


Ю. Б. Гладенков и др. Расшифровка развития палеоэкосистем фанерозоя бореального пояса

547

«разорванности» ареалов. Сделано предположе­

южном направлении, с последующим их переме­

ние, что в условиях глобального похолодания и

щением в восточном направлении через Тетиче­

усиления широтной дифференциации первичный

скую область и далее на север в умеренную об­

ареал упомянутых планктонных видов мог быть

ласть Тихого океана.

приурочен к южной (натальной) области. Разви­
тие планктонных ассоциаций с высокой степенью
продуктивности

в начале олигоцена шло здесь в

пределах относительно холодных субантарктиче­

Заключение.
Перспективы на будущее

ских и антарктических круговоротов. В конце позд­

него эоцена

-

начале раннего олигоцена (винтер­

Из

рассмотренного

материала

следует,

что

вале ~35-33 млн лет назад) происходило отделение

многие вопросы, связанные с расшифровкой харак­

этих круговоротов от относительно теплых суб­

тера развития фанерозойских морских экосистем

тропических круговоротов в результате действия

сформировавшегося

циркумантарктического

те­

чения. Поэтому возможно, что в таких условиях
имелись

предпосылки для

возникновения

новых

видов планктона. Затем сравнительно холоднолю­
бивые диатомеи мигрировали в северном направле­

нии. При более слабых по сравнению с современ­
ными климатических барьерах,
миграциям

через

экватор,

они

препятствующих
могли

пересекать

тропические широты вместе с водами поверхност­

ных морских околобереговых противотечений и в
итоге оказались в северных частях Атлантики и

Пацифики, где закрепились в фитоценозах поверх­
ностных

океанических

вод.

Отсутствие

находок

упомянутых планктонных элементов в низких ши­

ротах, с одной стороны, может объясняться тем,
что большая часть донных осадков олигоцена в
прибрежных морских зонах размыта, а в наземных
разрезах полная последовательность толщ

олиго­

цена не представлена.

При

рассмотрении

миграционной

гипотезы

нельзя исключать и возможность формирования

первичного ареала в северной (бореальной) облас­
ти, например в Североатлантическом регионе, куда
со стороны Арктики поступали холодные поверх­
ностные воды. Возникавшие новые планктонные
виды могли мигрировать в южном направлении, в

бореального пояса, постепенно решаются. Конечно,
даже в приведенных данных чувствуются

опреде­

ленные различия в подходах к анализу ископаемых

экосистем и оценке особенностей эволюций биоти­

ческих
оценки

сообществ.

Это

соотношения

и

прежде

всего

касается

взаимообусловленности

биотического и абиотического полей биосферного
процесса. Но без обсуждения альтернативных под­
ходов к этим вопросам мы их не решим.

Анализ приведенных данных показывает, что
необходимы дальнейшие усилия в рамках страте­
гических направлений, связанных с экосистемной
тематикой. К этим направлениям прежде всего

могут быть отнесены темы «биотические сообще­
ства и среда», а также «влияние абиотических

факторов на развитие палеоэкосистем», которые
еще не получили полного освещения.

Синтез материалов предшествующих лет уже
сейчас позволяет сформулировать ряд выводов,

связанных с функционированием отдельных па­
леоэкосистем. В ряде случаев удалось ограничить
«площадь поиска» и наметить пути решения про­

блем в перспективе. В соответствии с современ­
ными

представлениями

развиваются

на

экосистемы

основе внутренних

устойчиво

биологиче­

ских связей, приобретенных в процессе продол­
жительной эволюции, исчисляемой сотнями мил­
лионов и даже миллиардами лет. Однако внешние

итоге достигая Южного океана. Однако при этом

факторы среды (космической и земной природы)

трудно объяснить пути их миграции из Северной

в определенной мере канализуют это развитие.

Атлантики в Северную Пацифику (или наоборот).

Задача специалистов по «былым биосферам»

Считается, что водообмен между этими бассейна­

выявить эти связи с помощью современных мето­

ми через Арктический океан (который в олигоцене

дов исследования биокостных остатков и вме­

был полуизолированным) в то время отсутствовал.

щающей их породы. Поиск связей и вQявление

-

В связи с этим в качестве гипотетической можно

закономерностей в развитии палеоэкосистем яв­

рассматривать возможность миграции относитель­

ляется целью настоящего и будущих поколений

но холодноводных видов из Северной Атлантики в

исследователей.


Глава

548

IV.

События и факторы эволюции биосферы

ренции. Т.

Изменения термиче­

I. Сыктывкар: ИГ Коми НЦ УрО РАН,
258-260.
Гладенков А. Ю. (201 Об) Положение диатомовой флоры

ского режима юрского морского бассейна Восточно­

в кайнозойских морских экосистемах бореальных

Европейской платформы на рубеже келловей/окс­

бассейнов //Эволюция жизни на Земле: Материалы

форд по данным анализа стабильных изотопов в рост­

IV Международного

симпозиума,

рах белемнитов //ДАН.

Томск: ТМЛ-Пресс,

2010.

Литература

2011.

Барсков И С, Кияшко С И

Блинова В. Н.

(2006)

(2000)

2000.

Т.

372.

№

4.

С.

507-509.

Состав и происхождение утлево­

С.

Гладенков Ю. Б.

(2005)

С.

10--12 ноября 2010 г.
337-339.

Стратиграфия и актуальные на­

дородных флюидов в грязевых вулканах залива Кадис.

правления палеобиогеографических исследований

Автореферат диссертации на соискание ученой сте­

Биосфера-экосистема--биота в прошлом Земли.

пени кандидата геол.-мин. наук. М" МГУ

Палеобиогеографические аспекты. М.: Наука,

Ганелин В. Г

(1997)

2006, 31

Бореальная бентосная биота в струк­

туре позднепалеозойского мирового океана
тиграфия. Геол. корреляция.
Ганелин В. Г

с.

(2011)

1997.

Т.

5. No 3.

//

Стра­

С.

29--42.

Особенности позднепалеозойского

С.

//

2005.

17--45.

Гладенков Ю. Б" Синельникова В. Н" Челебаева А. И.,
Шанцер А. Е.

(2005)

Биосфера-экосистема--биота

в прошлом Земли. Экосистемы кайнозоя Северной

//

Пацифики. Эоцен-олигоцен Западной Камчатки и со­

Концептуальные проблемы литологических иссле­

предельных районов (К 100-летию со дня рождения

био- и седиментогенеза на Северо-Востоке Азии

дований в России. Материалы 6-го Всероссийского

академика В. В. Меннера). М.: ГЕОС,

2005. 480 с.

сентября

Гладенков Ю. Б" Шанцер А. Е" Челебаева А. И и др.

Ганелин В. Г, Бяков А. С" Ведерников И Л" Покров­

тиграфия, палеогеография, геологические события).

литологического совещания. Казань,

2011

г. КГУ,

2011.

С.

26-30

(1997)

301-305.

ский Б. Г, Соловьева Н. А.

(2010)

Аутигенные кар­

бонаты позднепалеозойских бассейнов Северо-Вос­
тока Азии

//

Материалы Всероссийского литологи­

Нижний палеоген Западной Камчатки (стра­

М.: ГЕОС,

1997. 367

с.

Грачев А. Ф" Корчагин О. А" Цельмович В. А" Колл­
манн Х А.

(2008)

Космическая пыль и микрометео­

ческого совещания «Рифы и карбонатные псефито­

риты в переходном слое глин на границе мела и па­

литы». Сыктывкар,

леогена в разрезе Гаме (Восточные Альпы): морфо­

Гладенков Ю. Б.

2010.

(2004)

С.

47--49

Биосферная стратиграфия (про­

блемы стратиграфии начала

XXI века).

М.: ГЕОС,

логия и химический состав
№

7.

Дронов А.

2004. 120 с.

//

Физика Земли.

2008.

С.

42-57.
В. (2009)

Апвеллинг в среднем и позднем

Детальная стратиграфия и мор­

ордовике Сибирской платформы и связь с ним эво­

ские экосистемы позднего кайнозоя севера Тихоокеан­

люции биоты и осадконакопления.// Алексеев А. С.

ского реmона (по диатомеям). М.: ГЕОС,

(ред.) Палеострат-2009. Годичное собрание секции

Гладенков А. Ю.

(2007)

2007. 296

с.

Гладенков А. Ю. (2010а) Диатомовые водоросли в да­

палеонтологии МОИП

и Московского

тировании и корреляции осадочных толщ кайнозоя

Палеонтологического общества, Москва

северо-восточных и дальневосточных районов Рос­

варя

сии

Проблемы региональной геологии Северной

//

Евразии. Материалы совещания. М.: РГГРУ,

С.

2010.

Гладенков Ю. Б.
геологии

С.

(2010)

Зональная биостратиграфия в

фундаментальных

//

и

прикладных

задач

Стратиграфия. Геол. корреляция.

2010.

(201 la)

Зональная шкала кайнозоя Се­

верной Пацифики по диатомеям: состояние и осо­

бенности применения

ян­

ин-т

им. А. А. Борисяка

РАН,

15-16.
(2011) Загадка байкитских песчаников (сред­

ний ордовик Сибирской платформы) //Алексеев А. С.
(ред.) Палеострат-2011. Годичное собрание секции
палеонтологии МОИП и Московского отделения
Палеонтологического общества при РАН. Москва,

Т.18.№6.С.104-117.

Гладеюшв А. Ю.

26-27

г. Программа и тезисы докладов, М.: Па­

леонтологический

2009.

Дронов А. В.

31-34.

решении

2009

отделения

//

Палеонтология, стратигра­

24-26

января

2011

г. Программа и тезисы докладов.

М.: Палеонтологический институт им. А. А. Бори­
сяка РАН,

2011.

С.

32-33.

фия и палеогеография мезозоя и кайнозоя бореальных

Захаров В. А" Богомолов Ю. И, Ильина В. И, Констан­

районов: Материалы научной сессии, посвященной

тинов А. Г, Курушин Н. И" Лебедева Н. К" Меледи­

100-летию со дня рождения члена-корреспондента

на С. В" Никитенко Б. Л., Соболев Е. С" Шуры­

АН СССР В. Н. Сакса. Новосибирск: ИНГГ СО РАН,

гин Б. Н.

2011.

Т. П. Кайнозой. С.

Гладенков А. Ю.

(2011 б)

33-36.

Некоторые загадки распро­

странения морских диатомей начала раннего олиго­

(1997)

Бореальный зональный стандарт и

биостратиграфия мезозоя Сибири
физика.

1997.

Т.

38.

№

Захаров В. А" Рогов МА.

// Геология и гео­
5. С. 927-956.
(2003) Бореально-тетические

цена// Проблемы современной палинологии: Мате­

миграции моллюсков на юрско-меловом рубеже и

риалы

положение биогеографического экотона в северном

XIII

Российской палинологической конфе-


Ю. Б. Гладенков и др. Расшифровка развития палеоэкосистем фанерозоя бореального пояса

полушарии// Стратиграфия. Геол. корреляция.
Т.

№

11.

2.

С.

2003.

54-74.

Казак А. П., Копьиюва Н Н, Толмачева Е. В., Якобсон К Э.

Флюидно-эксплозивные образования в оса­

(2008)

дочных комплексах. СПб.: ВСЕГЕИ.
Калугин Х И.

(1958)

2008, 38

с.

Стратиграфия пермских отложе­

ний западной части Охотско-Колымского водораз­

дела

Материалы по геологии и полезным иско­

//

паемым Северо-Востока СССР. Вып.

13.

Магадан.

С.

1958.
Корчагин

35-48
О. А. (2010)

Присутствие металлических мик­

росфер и микрочастиц в раннем сеномане Крыма
«космическое пьшевое событие»// ДАН.
№

6.

С.

2010.

Т.

431.

1-5.

Корчагин О. А., Цельмович В. А., Поспелов И. И., Цянь­
тао Бянь.

(2010)

Космические магнетитовые мик­

росферы и металлические частицы вблизи границы
Пермь-триас в точке глобального стратотипа грани­

цы (слой
№

2.

с.

Мэйшань, Китай)// ДАН.

27,
1-7.

Леин А. Ю., Иванов М В.

(2005)

(2005)

Т.

432.

Крупнейший на Земле

метановый водоем// Природа.
Рогов М А.

2010.

2005.

№

2.

С.

19-25

Ассоциации моллюсков позднеюр­

ского моря Восточно-Европейской платформы
Гладенков Ю. Б., Кузнецова К. И. (ред.) Биосфера
экосистемы

-

//
-

биоты в прошлом Земли: палеобио­

географические аспекты. М.: Наука,

2005.

С.

178-199.

Шурыгин Б. Н, Никитенко Б. Л., Меледина С. В., Дзю­
ба О. С., Князев В. Г

(2011)

Комплексные зональ­

ные шкалы юры Сибири и их значение для цирку­
марктических корреляций

// Геология и геофизика.
52. № 8. С. 1051-1074.
Юдович Я. Э. (2009) Флюидное минералообразование альтернатива литогенезу? Обзор // Уральский гео­
логический журнал. 2009. № 4. С. 31-80
Bergstrom S. М., Chen Хи, Gиtierrez-Marco J. С., Dronov А. (2009) The new chronostratigraphic classification ofthe Ordovician System and its relations to major
series and stages and to Ы3С chemostratigraphy //
Lethaia. 2009. № 42. Р. 97-107.
DronovA. V, Hиf!W D., KanyginA. V, Gonta Т V (2011)
K-bentonites in the Upper Ordovician of the Siberian
Platform // Gutieпez-Marco J. С., Rabano I. and GarcfaBellido D. (eds.), Ordovician of the World. Cuademos
del Museo Geominero, 14. Instituto Geol6gico у Minero
de Espafia, Madrid, 2011. Р. 135-141.
Dronov А. V, Kanygin А. V, Тimokhin А. V, Tolmacheva Т Jи., Gonta Т V (2009) Coпelation of Eustatic and
Biotic Events in the Ordovician Paleobasins of the Siberian and Russian Platforms // Paleontological Journal. 2009. V. 43. No. 11. Р. 1477-1497.
Dronov А., Rozhnov S. (2007) Climatic changes in the Baltoscandian basin during the Ordovician: sedimentological
and palaeontological aspects // Acta Palaeontologica
Sinica. 2007. № 46 (Suppl.). Р. 108-113.
2011.

Т.

549

Ettensohn F R. (2010) Origin ofthe Late Ordovician (midMohawkian) temperate-water conditions on southeastem Laurentia: Glacial or tectonic? // Finney S. С. and
Вепу W. В. N., (eds.) The Ordovician Earth System.
2010. Geological Society of America Special Paper
466. Р. 163-175.
Ganelin V G. (2010) Brachiopods in the Late Paleozoic
benthic Ьiota ofNortheast Asia // 6th Intemational Brachiopod Congress // Abstracts. Melboume, 2010. Р. 43-44.
Gladenkov Уи. В. (2011) New data on the upper Paleocene-lower Eocene stratigraphy of West Kamchatka
region, the North Pacific // Climate and Biota of the
Early Paleogene. Conference Program and abstracts. 5-8
June 2011, Salzburg, Austria. Berichte der Geologischen Bundesanstalt, 85, Wien. 2011. Р. 84.
Harper D. А. Т (2011) А sixth decade of the Ordovician
period: status of the research infrastructure of а geological system // Gutieпez-Marco J. С., Rabano I. and
Gariela-Bellido D. (eds.), Ordovician ofthe World. Cuaderuos del Museo Geominero, 14. Instituto Geol6gico у
Minera de Espafia, Madrid, 2011. Р. 3-9.
Herrmann А. D., MacLeod К. G., Leslie S. А. (2010) Did а
volcanic meda-eruption cause global cooling during the
Late Ordovician? Palaios. 2010. V. 25. Р. 831-836.
Kanygin А., Dronov А., Timokhin А., Gonta Т (2010) Depositional sequences and palaeoceanographic change in
the Ordovician of the Siberian craton // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 2010. V. 296.
Р. 285-294.
Keller М, Lehnert О. (2010) Ordovician paleocarsy and
quartz sand: Evidence of volcanically triggered extreme climates? // Palaeogeography, Palaeoclimatology,
Palaeoecology. 2010. V. 296. Р. 297-309.
Kushlina V В., Dronov А. V (2011) А giant Rusophycus
from the Middle Ordovician of Siberia. // Gutieпez­
Marco J. С., Rabano I. and Garcfa-Bellido D. (eds.),
Ordovician of the World. Cuademos del Museo Geominero, 14. Instituto Geol6gico у Minero de Espafia,
Madrid, 2011. Р. 279-285.
Price G. D., Rogov М А. (2009) An isotopic appraisal of
the Late Jurassic greenhouse phase in the Russian Platform // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 2009. V. 273. Р. 41-49.
Reitner J., Peckmann J. et а!. (2005) Concretionary methaneseep carbonates and associated microЬial communities
in Black Sea sediments // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 2005. V. 227. Р. 18-30
Riboиlleau А., Baиdin F, Daux V, Hantzpergue Р, Renard М,
Zakharov V ( 1998) Evolution de la paleotemperature
des eaux de la plate-forme russe au cours du Jurassique
superieur // С. R. Acad. Sci. Paris. Ser. Sci. de la Тепе
et des Planetes. 1998. V. 326. Р. 239-246.
.i
Rogov МА. (2010) А precise ammonite Ьiostratigraphy
through the Кimmeridgian-Volgian boundary beds in the
Gorodischi section (Middle Volga area, Russia), and


550

Глава

IV.

События и факторы эволюции биосферы

the base of the Volgian Stage in its type area // Volumina Jurassica. 2010. V. VIII. Р. 103-130.
Taboada А. С., Pagani МА. (201 О) Тhе coupled occurrence of Cimmeriella-Jakutoproductus (Brachiopoda:
Productidina) in Patagonia: implications for Early Permian high to middle paleolatitudinal correlations and
paleoclimatic reconstruction // Geologica Acta. 2010.
V. 8, № 4. Р. 513-534.
Waterhouse J В. (1964) Permian Stratigraphy and Faunas
of New Zealand. Bull. // NZ. Geol. Surv. Bull. а. s. 72.
1964. 101 р.
Wierzbowski Н., Rogov М (2011) Oxygen and carbon isotope records of cephalopod shells from the MiddleUpper Jurassic boundary at Dubki (Volga Basin, Russian Platform): paleonvironmental implications // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 2011.
V. 299. Р. 250--264.

Wierzbowski Н., Rogov МА. (2010) Carbon and oxygen
isotope composition of Upper Callovian-Lower Kimmeridgian (Middle-Upper Jurassic) cephalopod shells
from the Russian Platform: а рюху for а global climate
change? // Earth Science Frontiers. 201 О. V. 17, Special
lssue. Р. 336--337.
Zak К., Kostak М, Мап О., Zakharov V А., Rogov М А.,
Pruner Р, RohovecJ, Dzyuba О. S., Mazuch М (2011)
Comparison of carbonate С and О staЫe isotope records
across the Jurassic/Cretaceous boundary in the Tethyan
and Boreal Realms // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 2011. V. 299. Р. 83-96.
Zakharov V А., Rogov МА. (2004) Тhе Boreal-Tethyan biogeographical ecotone in Europe during the Jurassic-Cretaceous transition based on molluscs // Revista Italiana
di Paleontologia е Stratigrafia, 2004. V. 11 О. No 1.
Р. 339-344.


ИССЛЕДОВАНИЕ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ НА ПРИМЕРЕ

ФОСФОРНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ У ДРОЖЖЕЙ

Т. В. Кулаковская, Н А. Андреева, Н А. Бреус, В. М Вагабов,
В. В. Дмитриев, Л. П. Рязанова, И С. Кулаев
Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина РАН.
alla@ibpт.pиshchino.ru

Образование фосфорных минеральных соединений свойственно организмам, стоящим на различных ступенях
эволюционного развития, от архей до млекопитающих. У микроорганизмов этот процесс направлен на защюу кле­

ток от избытка растворимых фосфатов и создание фосфорных резервов для переживания условий фосфорного голо­
дания при изменении окружающей среды. У млекопитающих образование минеральных фосфорных соединений
обеспечивает формпрование и функционирование скелета, является необходимым этапом каскада свертывания кро­
ви и регуляции различных биохимических процессов. Одноклеточные грибы, представители эукариотических мик­
роорганизмов, обладают различным потенциалом образования фосфорных минеральных соединений. Дрожжи

Sacchromyces cerevisie,

представители аскомицетов, и

Cryptococcus humicola,

представители базидиомицетов, сход­

ны по высокому уровню поmощения фосфата из среды. Основным минеральным фосфорным соединением в клет­
ках этих видов, далеких друг от друга филогенетически, являются неорганические полимерные соединения, поли­
фосфаты. Их накопление в клетке требует наличия источника углерода и стимулируется катионами магния и мар­

ганца. Эго накопление позволяет не только накапливать фосфат в осмотически свободной форме, но и резервиро­
вать энергию при доступности источника углерода и лимитировании роста другими факторами. Полифосфаты спо­
собны связьmать и детоксифицировать катионы марганца, большая концентрация которых подавляет рост дрожжей.
Предполагается, что системы накопления неорганических полифосфатов у дрожжей могли возникнуть в эволюции
относительно поздно, когда в биосфере появилось достаточное количество органических источников углерода.

Введение

2008),

также является фосфорсодержащем соедине­

нием. АТФ, РНК и другие фосфорные соединения
Фосфорные

соединения

являются

необходи­

мыми компонентами земной биомассы и метаболи­

были участниками первоначальных стадий развития

жизни на Земле (Опарин,

не могут полностью обойтись без этого элемента и

1957; Miller, Parris, 1964;
Lohтann, Orgel, 1968; Кулаев, 1975; Oro et al., 1990;
Kornberg, 1995; Arrheniиs et а!., 1997; Baltscheffiky,
1997; De Graaf, Schwartz, 2000; Спирин, 2001; Кула­
ев и др., 2005; Cavalier-Sтith, 2006).

гораздо лучше растут в присутствии фосфатов, не­

Биогенное образование минеральных фосфор­

зируются всеми живыми организмами. Даже откры­

тые недавно археи, способные встраивать мышьяк
вместо фосфора в нуклеиновые кислоть1 и липиды,

Нуклеино­

ных соединений, от апатита до полимерных неор­

вые кислоты, нуклеотиды, фосфолипиды, фосфори­

ганических полифосфатов, свойственно живым ор­

лированные сахара и белки

ганизмам, стоящим на разных стадиях эволюции.

жели арсенатов (Wolfe-Siтon

-

et al., 2011).

вот далеко не полный
содержащих

Эти процессы характеризуются большим разнооб­

фосфор. АТФ, соединение, представляющее собой

разием по механизмам, составу минеральных фос­

основную форму конвертируемой химической энер­

форных соединений, а также их функциональной

гии в клетке и сыгравшее ключевую роль в возник­

значимости для организма. У галофильных архей и

новении и эволюции биосферы (Галимов,

бактерий рода Brevibacteriuт резервные -tФосфор­

перечень

биологических

молекул,

2006,

ные

Исследования проведены при финансовой поддержке про­
граммы Президиума РАН №

25.

соединения

представлены

MgP0 40H-4H20
и NH4MgP0 4 ·6H2 0 соответственно (Sтirnov et al.,
2005), тогда как у многих других бактерий это вы-


Глава

552

о

События и факторы эволюции биосферы

IV.

о

11

о

11

о

11

о

11

11

о

о

11

11

о
11

о
11

·····О-Р-О-Р-О-Р-О-Р-О-Р-О-Р-О-Р-О-Р-О-Р-(
1

1

ое

1

ое
Рис.

ое
1.

сокомолекулярные неорганические

1

ое

1

ое

1

ое

1

ое

1

ое

1

ое

Структура неорганических полифосфатов

полифосфаты

1) (Кулаев и др., 2005).
У дрожжей Saccharomyces cerevisiae,

этого процесса менялось в ходе эволюции. У про­

кариот это в первую очередь способ предохране­

(рис.

относя­

ния клеток от избытка растворенного фосфата

щиеся к эукариотическим микроорганизмам, в каче­

путем перевода его в малорастворимые и осмоти­

стве минеральных фосфорных соединений извест­

чески инертные формы, а также запасания фосфата.

ны высокомолекулярные неорганические полифос­

У млекопитающих образование минеральных фос­

фаты. У млекопитающих основным биогенным

форных соединений обеспечивает ряд жизненно

минеральным соединением является фосфат каль­

важных функций, не связанных напрямую с гомео­

ция, входящий в состав костей, однако неорганиче­

стазом фосфора: построение скелета, свертывание

ские полифосфаты сохранили свое значение в каче­

крови,

стве регуляторных соединений, в том числе и в про­

Все это делает актуальным для эволюционной био­

цессе формирования и функционирования скелета.

химии изучение биоразнообразия образования ми­

регуляция

различных

процессов

в

клетке.

Предполагается, что в образовании фосфата кальция

неральных фосфорных соединений, в особенности

кости принимают участие модифицированные ми­

у эукариотических микроорганизмов.

тохондрии клеток костной ткани, накопившие неор­

ганические полифосфаты

Царство

Fungi

(грибы), куда относятся дрож­

По

жи, характеризуется значительным биоразнообра­

мнению некоторых исследователей, специальные

зием. Считается, что дрожжеподобные организмы

(Omelon et al., 2009).

мембранные структуры, так называемые ацидо­

возникли не менее

кальцисомы, ответственные за процессы биомине­

тика грибов, несмотря на значительное число рас­

рализации у простейших, впервые появились у бак­

шифрованных геномов, по-прежнему во многом

терий и сохранили свои функции на протяжении

основывается на физиологических и морфологиче­

всего эволюционного развития до млекопитающих

ских свойствах. Вопросы эволюции их изучаются в

В тромбоцитах структуры,

первую очередь посредством сравнительного ана­

(Docampo et al, 2005).

2 млрд лет тому назад.

Система­

подобные ацидокальцисомам, содержат резерв не­

лиза тех или иных генов

органических полифосфатов

(Ruiz et al., 2004).

дрожжей богат видами, относящимися к различ­

При повреждении сосуда эти полимеры высво­

ным таксонам, многообразен с точки зрения осо­

(Liti, Louis, 2005).

Мир

бождаются в кровоток и участвуют в активации

бенностей метаболизма и взаимодействия с окру­

процесса

тромба

жающей средой и представляет интерес для изуче­

Что касается митохондрий,

ния эволюции образования и роли минеральных

свертывания

(Smith, Morrissey, 2008).

и

формировании

общепринятым является происхождение их от древ­

фосфорных соединений.

них бактерий путем эндосимбиотического встраи­
вания

в

примитивные

ские клетки (Маргелис,
О

происхождении

первичные

эукариотиче­

1983; Cavalier-Smith, 2006).

ацидокальцисом

предполагать

сложнее, поскольку они лишены собственной ДНК.

1.

Сравнение способности
дрожжей, относящихся
к различным систематическим

Данные органеллы, подобно вакуолям растений и

группам, к поглощению

грибов, содержат V-АТФазу

фосфата из среды

(Docampo et al, 2005),

мембранный фермент, аналоги которого найдены в

цитоплазматической мембране некоторых архей, что

Многие аспекты метаболизма неорганических

делает возможным их происхождение от клеток ар­

полифосфатов (полиР), широко распространенных

хей, подобно вакуолям и лизосомам.

в живых системах минеральных фосфорных со­

Современные данные о процессах образования
фосфорных минеральных соединений у различных
организмов

свидетельствуют

о

том,

что

значение

единений, хорошо изучены у пекарских дрожжей

Saccharomyces cerevisiae, относящихся к аскоми­
2005). Для представителей

цетам (Кулаев и др.,


553

Т. В. Кулаковская и др. Исследование минералообразования в живых системах

Таблица

другого крупного таксона, базидиомицетов, значи­
тельно

отличающихся

от

аскомицетов

по

своему

Поглощение фосфата различными микроорганизмами

на минимальных средах за

метаболизму и положению в окружающей среде,
данные в этом отношении фрагментарны и каса­

ются лишь отдельных видов (Кулаев и др.,

Очевидно, что для образования минеральных
Состав среды

мов необходимо поглощение фосфата из среды.

У-1173

Поглощение

были использованы модельные условия лимити­
5мМКН 2 Р04,

Клетки микроорганизмов, выращенные в средах,

5мMMgS04

среды,

где рост

отсутствовал

из-за не­

достатка либо источника азота, либо источника
углерода. При этом поглощаемый неорганический

фосфат

(Pi)

незначительно затрачивается на нуж­

ды биосинтеза и его количество в клетках удобно
анализировать

с

помощью

известных

методов

среды,

%

5мМКН 2 Р04,

30

мМ глюкоза

5мМКН 2 РО 4 ,

5мMMgS0 4 ,

30

о

о

о

4

3

44 ± 6.9

4

50

84 ±4.6

95

86

13 ± 1.0

мМ глюкоза

5мМКН 2 РО 4 ,

5мМ

MgS0 4, 5 г /л

смеси аминокис-

лот

экстракции и анализа.

Оказалось, что

Pi из

от исходного количества

рования роста различными компонентами среды.

мальные

инкубации

SacchaBrevibacteriu Acetobacter
romyces
xylinum
т casei
cerevisiae
(Ryazanova
(Рязанова
вкм
etaL, 2009)
и др., 2007)

Для изучения способности к такому поглощению

благоприятных для роста, переносили на мини­

5ч

Микроорганизм

2005).

фосфорных соединений в клетках микроорганиз­

1

S. cerevisiae

поглощают

Pi

из

Casamino асids, Difco, США

среды столь же эффективно, как и исследованные

1).

фосфорных минеральных соединений у большого

Однако условия для этого поглощения существен­

набора микроорганизмов, так как она унифициро­

но различались. Дрожжи

вана и не предполагает размножения клеток.

нами ранее в этом отношении бактерии (табл.

S. cerevisiae не обнаружи­
Pi в условиях

Мы оценили способность нескольких видов

вали высокого уровня поглощения

избытка аминокислот и отсутствия источника уг­

дрожжей

лерода, т. е. в тех условиях, когда поглощение

Pi

ской Коллекцией Микроорганизмов), относящих­

изученными в данной работе бактериями бьmо

ся к различным крупным систематическим груп­

наиболее

Acetobacter xylinum, ни
представители рода Brevibacteria не поглощали Pi в

пам, к поглощению

отсутствие ионов магния. Известно, что при высо­

щения (табл.

кой концентрации

было

высоким.

Ни

Pi

транспортируется в клетки

(культуры

влияние ионов

2).

предоставлены

Pi

Всероссий­

в присутствии глюкозы и

магния на величину этого

погло­

В данной небольшой выборке не

обнаружено

какой-либо

закономерности.

Так, среди представителей рода

Cryptococcus, от­
Sporidiales есть виды, со­
поглощающие Pi (Cr. terreus) и погло­

Mg -Pi

бактерий преимущественно посредством системы
2+
симпорта (Van Veen etal., 1993). У дрож-

носящегося к порядку

жей магний-зависимая транспортная система фос­

всем не

фата неизвестна. Более того, данные о транспорте

Pi

щающие его почти полностью при концентрации

более

(Persson et al., 2003). Клетки S. cerevisiae поглоща­
ли Pi из среды и в отсутствии ионов магния, для

5 мМ (Cr. humicola). Ps. fusiformata, представи­
тель порядка Ustilaginales, также относящегося к
базидиомицетам, поглощал Pi всего лишь вдвое
хуже, чем Cr. humicola. Среди аскомицетов также

этого поглощения было достаточно присутствия

наблюдалась значительная разница по способно­

одной глюкозы, однако добавление

сти поглощать

получены

преимущественно

для

гораздо

низких концентраций, чем в данном эксперименте

5

мМ сульфата

магния увеличивало это поглощение вдвое.

Pi.

Столь же вариабелен уровень

стимуляции поглощения фосфата ионами магния.

Итак, в одной и той же модельной системе

Все исследованные виды демонстрировали сти­

обнаружены значительные отличия между бакте­

мулирующее влияние ионов магния на поглоще-

риями и дрожжами в отношении оптимальных ус­

ние

Pi,

_.
хотя степень этого влияния не была одина-

Данная модель проста и мо­

ковой. В целом, для создания полноценной картины

жет быть применена для исследования образования

распространенности способности к поглощению

ловий поглощения

Pi.


554

Глава

IV.

События и факторы эволюции биосферы

Таблица

2

Состав минеральных

2.

фосфорных соединений

Поглощение фосфата из среды клетками дршюкей
различных видов. Среда содержала

30

мМ глюкозы,

у

5 мм Pi, (+Mg2+)- в среду добавляли 5 мМ MgS04

и

S. cerevisia

Cr. humicola

при подавлении роста
Поглоще-

Вид дрожжей

Систематическая
группа

Среда

ниеРi,

инку-

ммоль/г

ВКМУ-2253

Cryptococcus
terricola
вкм У-1598

Cryptococcus.
curvatus
ВКМУ-2236

+Mg2+ 0.57 ± 0.01
м

Cryptococcus.
humicola
ВКМУ-9-6

Pseudozyma.
[/usi/ormata
ВКМУ-2821

Cryptococcus.
humicola
ВКМУ-9-6

Order: Sporidiales
Family:
Sporidiobolaceae

+Mg2+

2.02 ± 0.2

g 2+

0.89 ± 0.1

+Mg2+

2.0±0.05

-

Philum: Ascomycota
Order:
Saccharomycetales
Family:
Saccharomycetaceae

-

Philum: Ascomycota
Order:
Saccharomycetales
Family:
Saccharomycetaceae

-

ВКМУ-1450

Kuraishia
capsulata
ВКМУ-2514

g2+

1.1±0.1
Phylum: Basidimycota Order: Sporidiales
Family:
+Mg2+ 2.02 ±0.2
Sporidiobolaceae
- м g2+ 0.68 ± 0.03
Phylum:
Basidiomycota
Order: Ustilaginales
+Mg2+ 0.82 ± 0.02
Family:
U stilaginaceae
Phylum: Basidimycota - м g2+ 1.1±0.1

Phylum: Ascomycota
Saccharomyces. Order:
cerevisiae
Saccharomycetales
ВКМУ-1173
Family:
Saccharomycetaceae

Hansenula.
lfablanii

5 ч)

Phylum: Basidimycota - мg2+
о ±0.03
Order: Sporidiales
Family:
+Mg2+ 0.09 ± 0.02
Sporidiobolaceae
о± 0.01
Phylum: Basidimycota - м g2+
Order: Sporidiales
Family:
+Mg2+ 0.15±0.017
Sporidiobolaceae
Phylum: Basidimycota - м g2+ 0.08 ± 0.02
Order: Sporidiales
Family:
Sporidiobolaceae

Для выяснения состава минеральных фосфор­

бацни сухой биом
(за

Cryptococcus
terreus

в отсутствие источника азота

м

м g2+

0.09 ± 0.01

+Mg2+ 0.49 ± 0.02
м

g 2+ 0.45 ±0.02

+Mg2+ 1.04 ± 0.004

ных соединений у двух видов дрожжей, поглощаю­

щих наибольшее количество фосфата при лимити­
ровании

по

источнику

азота,

провели

экстракцию

фосфорных соединений из биомассы и определение

в полученных фракциях

Pi

и полиР согласно разра­

ботанному ранее методу (Вагабов и др.,

2000).

Из

биомассы экстрагировали следующие фракции по­
лиР: кислоторастворимую полиРl, солераствори­

мую полиР2, щелочерастворимые полиР3 и полиР4.
Из кислоторастворимой фракции полиРl органиче­
ские фосфорсодержащие соединения удаляли с по­
мощью активированного угля.

ОставillУ19ся био­

массу экстрагировали дистиллированной водой, рН

7,0,

в течение

20 ч

0

при О С, отделяли осадок цен­

трифугированием, а надосадочная жидкость пред­
ставляла собой фракцию полиР5а. Осадок обраба­

тывали

1н

НС104 при

90

°С в течение

20 мин,

оп­

ределяли Р;, высвобождающийся при гидролизе, и
по его количеству судили о содержании полиР во

фракции полиР5б. Фракция полиР5 на рис.

2 -

сумма nолиР5 а и б.
При культивировании на полноценной среде,
содержавшей 1 мМ Р; содержание полиР у S. cerevisiae составляло 20 мкмоль Р/г сух. биомассы, а
у Cr. humicola 13 мкмоль Р/г сух. биомассы.

В среде, содержащей глюкозу и фосфат, содержа­
ние полиР у

у

S. cerevisiae увеличилось в 32 раза, а
Cr. humicola - в 34 раза по сравнению с фос­

фат-лимитированным культивированием. При пе­
реносе клеток дрожжей в среду, содержащую глю­

козу, фосфат и магний, содержание полиР у S. cerevisiae увеличилось в 73 раза, а у Cr. humicola в 91 раз.
В табл. 3 представлены суммарные данные о
составе фосфорных минеральных соединений у
двух видов дрожжей. Видно, что в отличие от ис­

существенного количества Р; у дрожжей различ­

следованных нами ранее бактерий основным та­

ных систематических групп и анализа взаимосвя­

ким соединением являются полифосфаты. Дроб­

зи этой способности и эволюционного происхож­

ный метод экстракции полиР позволяет получить

дения этих групп представляет интерес проведе­

фракции, характеризующиеся различиями в длине

ние подобных экспериментов на более представи­

цепи и особенностях метаболизма (Кулаев и др.,

тельной выборке.

2005).

У

S. cerevisiae

при накоплении фосфата


555

Т. В. Кулаковская и др. Исследование минералообразования в живых системах

1,6

:Е

1,2

u

~"

:s:
~
/"":;:;;

о

о

:s:

\О

~

·~

:s:

)=

~о

0,8

~
u

Q)

13

о:! '""'
~
---Р.~

,.Q

Q)

t::[

/"":

о

о

0,4

u ~

о
N
~

~

:s:

:s:
~
о

§
t:::

t:::

~-

'Г)

~

"'""'
:s:

~

~

§

~

~

t:::

t:::

""':s:"
о

:s:
о

t:::

~

N

:s:

~

~
н

:s:
о

t:::

~

2.

Содержание Р; и полиР в клетках дрожжей

"'""'

~

""'"

~

~

§

~

§

§

t:::

t:::

t:::

t:::

:s:

:s:

о

t:::

:s:

S. cerevisiae

и Сг.

humicola. Серые столбцы 1 мМ Р;, белые - после

5мМ КН2РО4,

30

мМ глюкозы и 5мМ

в присутствии глюкозы свыше

30 мМ
MgS0 4

50 %

глюкозы, черные

-

после инкубации течение

Электрофорез полиР в полиак­

риламидном геле показал, что средняя длина цепи

отдельных фракций у

S. cerevisiae

5ч

не изменилась в

присутствии ионов магния. Следовательно, про­

изошло увеличение содержания более длинноце­

5

Содержание Р; и полиР в

ч

в среде, содержавшей

Таблица

% от фосфата,

3

поглощенного

клетками S. cerevisia и Cr. humicola за 5 ч инкубации
в среде с

полиРЗ и полиР5, тогда как содержание полиРl

2).

инкубации в течение

всех полиР

представлены фракцией полиР 1. При добавлении
Mg2+ увеличилось содержание фракций полиР2,
снизилось (рис.

н

клетки после культивиро­

вания до стационарной стадии роста на полноценной среде с
в среде, содержавшей 5мМ КН2РО4,

о

Cr. humicola

S. cerevisiae
Рис.

:s:

~

:s:

~

~

'Г)

~

Вид дрожжей
Состав среды

30

мМ глюкозы и

5

мМ Р;

Cr. humicola
-Mg2+
+Mg2+

S. cerevisiae
+Mg2+

-мg2+

Pi

10

6.5

6

3

IполиР

71

73

40

60

почечных полиР.

ПолиР у

Cr. humicola

ранее не были изучены.

Распределение их по фракциям иное, чем у

visiae

(рис.

2).

У

Cr. humicola

S.

ceгe­

основную часть по­

лифосфатов составляет кислоторастворимая фрак­

до

75

остатков. Фракции полиРЗ, полиР4 и полиР5

также содержат полимеры с большей длиной цепи,
чем у

S. cerevisiae.

Короткоцепочечные полиР у

этих дрожжей представлены фракцией полиР2, но

ция полиР 1. Эта фракция преобладает также и в

ее содержание не превышает

присутствии ионов магния, в отличие от

S. cere-

cerevisiae

от общего коли­

почечных

visiae.

Она составляет

63

и

66 %

чества полиР при инкубировании в среде с глюко­
зой и глюкозой и солями магния соответственно.

Определение длины цепи с помощью электрофоре­

за показало, что полиР у

Cr. humicola более длин­
ноцепочечные, чем у S. cerevisiae. Даже кислотора­
2
створимые PolyPl в отсугствие Mg + имеют сред­
нюю длину цепи ~45 фосфатных остатков, тогда
как полифосфаты этой же фракции у

имеют длину цепи
сутствии

мg

2+

15

S. cerevisiae

фосфатных остатков. В при~ ф

длина цепи этои

ракции возрастает

5 %.

Отмеченное у

S.

увеличение содержания более длинноце­

PolyP

в присутствии ионов магния на­

блюдается также у

Cr. humicola

(табл.

4).

В целом, отсутствие роста, вызванное голо­
данием

по

азоту,

привело

к

усилению

процесса

биоминерализации клеток дрожжей обоих видов,
в особенности при наличии в среде ионов магния.
Вероятно, это связано с тем, что при доступности
фосфата, энергия, получаемая клетками за счет

уrилизации глюкозы, может быть в большtй сте­
пени израсходована на накопление этих макроэр­

гических соединений.


556

IV. События и факторы эволюции биосферы

Глава

Таблица4

Содержание полиР с различной средней длиной цепи
в % от суммарного содержания у Saccharomyces
cerevisiae и Cryptococcus humico/a при их накоплении
в условиях голодания по азоту

Сред-

Saccharomyces
cerevisiae

няя
длина

Cryptococcus humicola
а)

Доля от суммарного содержания полиР,

цепи

-n

-Mg2+

15
45
75
200

58
38

+Mg2+

-

8

+Mg2+

71
21

Рис.

3.

Клетки

S. cerevisiae

(а) и

(б) после

Cr. humicola

5ч

инкубации в среде, содержавшей 5мМ КН2РО4,

5

5
63

-

4

м g 2+

6)

%

5мМ

MgSQ4, 30

мМ глюкозы

-

-

32

-

66
29

выявлены клетки с неодинаковой степенью мине­

рализации, от почти нормальных по морфологии,
до разрушающихся под воздействием избытка на­

Флуоресцентный краситель ДАПИ (4',6-диа­

капливающегося

Р;.

Вероятно,

такая

стратегия

мидино-2-фенилиндол) применяется для окраши­

увеличивает возможность приспособления к из­

вания ДНК и полиР в клетках

бытку Р; в среде для тех микроорганизмов, у ко­

(Serafim et al" 2002).

Комплексы ДАПИ-ДНК флуоресцируют в голу­

бой области спектра, ДАПИ-полиР
оранжевой. В контрольных клетках

и

Cr. humicola,

- в желто­
S. cerevisiae

выращенных до стационарной ста­

дии роста на среде с небольшим содержанием
полиР и не накопивших полиР, наблюдается толь­
ко голубое свечение, характерное для комплексов

ДАПИ-ДНК.

Характер

флуоресценции

клеток,

накопивших полиР в присутствии только глюко­

зы, изменился. В клетках

S. cerevisiae

выявилось

торых отсутствуют системы

строго контроля по­

ступления этого компонента в клетку.

Морфология включений, содержащих полиР,
и их расположение в клетках позволяют предпо­

лагать, что они могут быть фрагментами мито­
хондриальной сети. Известно, что в костной ткани

митохондрии способны подвергаться биоминера­
лизации, накапливая много полиР и ионов кальция

(Omelon and Grynpass, 2008).

яркое свечение ядер, а в некоторых из них появи­

лись включения, флуоресцирующие ярко-желтым.
У

Cr humicola

подобных включений в данных ус­

ловиях не наблюдали, однако флуоресценция кле­
ток сместилась в зеленую область спектра. При

3.

Минеральные фосфорные
соединения у

S. cerevisiae

при адаптации к повышенному

накоплении полиР в присутствии ионов магния у

содержанию в среде солей

обоих видов дрожжей выявляются клетки, запол­

марганца

ненные

небольшими

включениями,

рующими ярко-желтым (на рис.

3 -

флуоресци­
светлые).

Взаимосвязь между

образованием

фосфор­

Количество этих клеток в популяции составляло в

ных минеральных соединений, в первую очередь

среднем

со­

полиР, и присутствием в среде катионов тяжелых

Остальные клетки светились слабо, на уров­

дящихся на разных ступенях эволюции. Изучение

не, характерном для контрольных клеток, не на­

этого явления особенно актуально в связи с про­

копивших полиР. Так, флуоресцентная микроско­

мышленным загрязнением окружающей среды и

пия позволила обнаружить, что биоминерализа­

вопросом о продолжении эволюции живых орга­

ция происходит не у всех клеток популяции и не в

низмов в соответствии с антропогенным измене­

одинаковой степени. Это напоминает биоминера­

нием окружающей среды.

20

и

7%

у

S. cerevisiae

и

Cr. humicola

металлов обнаружена у микроорганизмов, нахо­

ответственно.

лизацию у галофильных архей, хотя у них накап­

2+

Ионы Мn

являются токсичными при относи-

ливается не полиР, а малорастворимый фосфат

тельно высокой концентрации и вызывают наруше­

магния

ние роста дрожжей: уже при концентрации

(Smirnov et al., 2005).

У галофильных ар­

хей с помощью электронной микроскопии были

рост подавляется наполовину, а при

5

100 мкМ
- пол-

мМ


Т. В. Кулаковская и др. Исследование минералообразования в живых системах

557
Таблица

5

Содержание (мкмоль Р/г сухой биомассы) в клетках Saccharomyces cerevisiae при адаптации к 4 мМ Мп 2 •

Pi

полиРl

полиР2

полиРЗ

Контроль, среда без добавления Mn +(24 ч)

120

300

220

130

70

40

760

4 мМ Mn 2+(24 ч)

110

730

126

370

70

196

1492

4 мМ Mn2+(120 ч)

156

700

76

70

31

34

911

Условия и время культивирования

2

ностью

(Jensen et а!., 2003).

В качестве модели для

наших исследований были выбраны дрожжи

S. ce-

выращенные при недостатке фосфора в

revisiae,

полиР4

полиР5

I:полиР

Соотношение различных фракций полиР в
присутствии

2+

Mn

существенно отличалось от та-

кового для контрольных клеток. Доля фракции

среде. Клетки с минимальным содержанием полиР

кислоторастворимых полиРl возрастала. В кон­

(суммарное содержание составило ~57 мкмоль Р/ г

троле эта доля составляла

первые сутки

сухой биомассы) пересевали на среду с

адаптации к марганцу

на пятые су­

зы,

тки

2 % глюко­
2 % пептона, 1 % дрожжевого экстракта и 14 мМ

-

40 %, на
- 50 %, а

77 %.

фосфата. Это позволило наблюдать влияние ток­

Адаптация к Mn2+ сопровождалась не только

сичной концентрации ионов марганца, подавляю­

изменением соотношения между фракциями, но и

щей рост, на образование полиР. При добавлении к

их длины цепи. Мы оценили длину цепи фракций

этой среде

4

мМ МnS0 4 , рост блокировался полно­

стью в течение

с помощью электрофореза в полиакриламидном

суток. Однако затем начиналось

геле и сравнения с коммерческими препаратами

деление клеток и после лаг-фазы, продолжавшейся

полиР с известной средней длиной цепи, кроме

4

~90 часов, фаза активного роста продолжалась

полиР5, которая трудно выделяется из клеток в

~24 часа, так же как и при в контрольных условиях.

нативном

Выход биомассы в контрольных условиях составил

данным имеет длину цепи свыше

3,2 г/л сухой биомассы, а в присутствии
2,3 г/л сухой биомассы. Используя такой длитель­

остатков. В табл.

чечных полимеров при адаптации значительно воз­

ный период культивирования, мы впервые обнару­

растает, длина цепи увеличивается даже у полиР 1,

жили явление адаптации клеток

наиболее

Mn2+ -

S. cerevisiae

к ток­

Рассмотрим, как повлияла адаптация к ионам
2+

на накопление минеральных фосфорных со-

единений у

S. cerevisiae.

6

но

Несмотря на большую

согласно

литературным

200

фосфатных

показано, что доля длинноцепо­

короткоцепочечной

трольных условиях (табл.

сичной концентрации ионов марганца.

Mn

состоянии,

фракции

в

кон­

6).

Таким образом, при адаптации к токсиче­
ской концентрации ионов марганца происходит

увеличение образования полиР в клетках

S. cere-

Возрастает также длина цепи этих поли­

разницу в динамике роста, особых изменений в

visiae.

содержании

меров. При окрашивании клеток, культивируемых

Pi

не обнаружено. Накопление основ­

ного минерального фосфорного соединения этих

-

дрожжеи,

поли

р,

в

мn 2+

присутствии

увеличи-

лось, причем уже за первые сутки культивирова­

ния, когда рост был полностью подавлен (табл.

когда

клетки адаптировались к

~

Mn ,

5).

к стацио-

нарной стадии роста в них содержалось в

1,2 раза

больше полиР, чем у контрольных клеток. То есть
2
блокирование роста ионами Mn + вызывало уве­

личение биоминерализации клеток

S. cerevisia,

сходное со случаем блокирования роста отсутст­

в присутствии Mn2 +, с помощью ДАПИ выявля­
ется картина, отчасти похожая на биоминерализацию в присутствии

мg :
2+

часть клеток популя-

ции имеет большое количество мелких ярко-жел­
тых включений (рис.

4).

Однако в данном случае

наблюдается значительное количество поврежден­
ных клеток.

Адаптированные

клетки

содержат

больше

полиР, чем контрольные, и степень полимерности

полиР значительно возрастает. Накопление полиР

системы

в период отсутствия роста из-за токсического воз­

синтеза полиР не ингибируются Mn +, а энергия,

действия ионов марганца, может служить шунтом

вием

источника

азота.

По-видимому,
2

образующаяся при потреблении глюкозы

и не

расходуемая на ростовые процессы, запасается в

виде макроэргической связи полиР.

для сбрасывания не используемой на ~роцессы

анаболизма энергии гликолиза. Кроме того, сами

полиР, способные образовывать комплексы с ио-


Глава

558

IV.

События и факторы эволюции биосферы

Таблица

6

Изменение длины цепи фракций полиР в клетках

Saccharomyces cerevisiae при адаптации
к 4 мМ Мп 2 + (представлены данные для клеток на стационарной стадии роста)

Фракции полиР

Средняя длина цепи полиР

контроль, среда без

Mn2+

%

от суммарного содержания полиР

контроль, среда без

+4мММn 2 +

+4

Mn2+

мММnн

полиРl

15

65

40

77

полиР2

45

65

29

8

полиРЗ

65

75

17

8

полиР4

75

200

9

4

Литература
Вагабов В. М, Трилисенко Л. В., Кулаев И. С.

(2000)

За­

висимость длины цепи неорганических полифосфа­

тов от содержания ортофосфата в среде у дрожжей

65. С. 414-420.
(2006) Феномен жизни.

//

Биохимия. Т.
Галимов Э. М

Между равнове­

сием и нелинейностью. Происхождение и принци­

пы эволюции. М:
Галимов Э. М
Рис.

4.

Клетки

S. cerevisiae,

окрашенные ДАПИ,

24 ч

куль­

2

тивирования в присутствии 4 мМ Мп •. Светлые
включения

-

структуры, содержащие nолиР. Пол­

ностью светятся клетки, минерализованные в наи­

большей степени

URSS.

(2008)

Концепция устойчивого упорядо­

чения т АТФ-зависимый механизм происхождения
жизни

//

Проблемы зарождения и эволюции био­

сферы. Под ред. Э. М. Галимова. М:

(1975)

Кулаев И. С.

URSS.

нами марганца, могут служить средством деток­
поступающих в клетки.

В первые сутки количество марганца в биомассе
составляет

сокомолекулярные
биохимия,

мкмоль/г сухой биомассы, что

Маргелис Л.
М:Мир.

му в мкмоль р

Таким образом, биоминерализация у

visiae

S. cere-

в условиях подавленного роста и избытка ка­

тионов магния или марганца характеризуется уве­

личением содержания полиР,

в

первую

очередь

длинноцепочечных полимеров, а также появлением

у части клеток болыпого количества полиР-содер­
жащих включений, заполняющих цитоплазму. Этот
способ запасания фосфата и детоксикации катионов
металлов, вероятно, возник в эволюции тогда, когда

в биосфере появилось достаточное количество ис­
точников углерода,

поскольку он является энерге­

тически затратным. Дальнейшие исследования био­
минерализации

у

эукариотических

микроорганиз­

мов представляют интерес с точки зрения понима­
ния

эволюционного

перехода

между

различными

способами запасания и использования минераль­

ных фосфорных соединений в живых системах.

клеточная

(1983)

Опарин А. И.

(1490).

неорганические
биология,

(2005)

Вы­

полифосфаты:
биотехнология.

М: Научный мир.

близко к количеству полиР в клетках, выраженно­

1390

23-33.

фосфатов. М: Изд. МГУ
Кулаев И. С., Вагабов В. М, Кулаковская Т В.

сикации этих катионов,

С.

Биохимия неорганических поли­

Роль симбиоза в эволюции клетки.

(1957)

Возникновение жизни на Земле.

М: Изд-во АН СССР.
Рязанова Л. П., Смирнов А. В., Кулаковская Т В., Кула­

ев И. С.

(2007)

Снижение концентрации фосфата в

среде клетками Brevibacteriиm
гия. т.

76.

Спирин А. С.

752-758.
(2001) Биосинтез

casei 11 Микробиоло­

с.

белка, мир РНК и про­

71. С. 146-153.
G., Sales В., Mojzsis S., Lee Т (1997) Entropy
and charge in molecular evolution: the case of phosphate // J. Theor. Biol. V. 187. Р. 503-522.25.
Baltscheffiky Н. (1997) Major "Anastrophes" in the origin
and early evolution of biological energy conversion. //
J. Theor. Biol. V. 187 Р. 495-501.
Beck А., Orgel L. Е. (1965) The formation of condensed
phosphate in aqueous solution // Proc. Natl. Acad. Sci.
USA. V. 54 Р. 664-669.
Cavalier-Smith Т (2006) Cell evolution and Earth history:
stasis and revolution // Philos Trans R Soc Lond В Biol
Sci. V. 361. Р. 969-1006
исхождение жизни// Вестник РАН. Т.

Arrheniиs


Т В. Кулаковская и др. Исследование минералообразования в живых системах

De Graaf R. М, Schwartz А. W (2000) Reduction and activation of phosphate on the primitive earth // Orig.
Life Evol. Biosph. V. 30. Р. 405-410.
Docampo R., de Souza W, Miranda К., Rohloff Р, Moreno S. N. (2005) Acidocalcisomes - conserved from
bacteria to man // Nat. Rev. Microbiol. V. 3. Р. 251-61.
Jensen L. Т, Ajua-Alemanji М, Culotta V С. (2003) The
Saccharomyces cerevisiae high affinity phosphate
transporter encoded Ьу РНО84 also functions in manganese homeostasis. J. Biol. Chem. V. 27. Р. 42036-42040.
Kornberg А. (1995) Inorganic polyphosphate: toward making а forgotten polymer unforgettaЫe // J. Bacteriol.
V. 177. Р. 491-496.
Liti G., Louis Е. J (2005) Yeast evolution and comparative
genomics // Ann. Rev. MicroЬiol. V. 59. Р. 135-53.
Lohmann R., Orgel L. Е. PreЬiotic synthesis: phosphorylation in aqueous solution // Science. 1968. V. 161. Р. 64--66.
Miller S. L., Parris М (1964) Synthesis of pyrophosphate
under primitive earth conditions // Nature. V. 204
Р. 1248-1249.
Omelon S. J, Grynpas М D. (2008) Relationships between
polyphosphate chemistry, Ьiochemistry and apatite Ьio­
mineralization // Chem. Rev. V. 208. Р. 4694-4715.
Omelon S., Georgiou J, Неппетап Z. J, Wise L. М, Sukhu В"
Hant Т, Wynnyckyj S., Holmyard D., Bielecki R., Grynpas М D. (2009) Control of Vertebrate Skeletal Mineralization Ьу Polyphosphates !! PLoS ONE V. 4. Р. е5634.
Oro J, Miller S. L., Lazcano А. (1990) The origin and early
evolution of life on Earth // Ann. Rev. Earth Planet.
Sci. V. 18. Р. 317-356.
Osterberg R., Orgel L. Е. (1972) Polyphosphate and trimetaphosphate formation under potentially perЬiotic conditions // J. Mol. Evolution. V. 1. Р. 241-252.

559

Persson В. L., Lagerstedt J О., Pratt J R., Pattison-Granberg J, Lundh К., Shokrollahzadeh S., Lundh F (2003)
Regulation of phosphate acquisition in Saccharomyces
cerevisiae 11 Curr Genet V 43. Р. 225-244.
Ruiz F А., Lea С. R., Oldfield Е., Docampo R. (2004) Human platelet dense granules contain polyphosphate and
are similar to acidocalcisomes ofbacteria and unicellular
eukaryotes // J. Biol. Chem. V. 279. Р. 44250-44257.
Ryazanova L. Р, Suzina N. Е., Kulakovskaya Т V, Kulaev !. S. (2009) Phosphate accumulation of Acetobacter
xylinum// Arch. MicroЬiol. V. 191. Р. 467-471.
Serafim L. S., Lemos О. С., Levantesi С., Tandoi V., Santos Н., Reis МА. (2002) Methods for detection and
visualization of intracellular polymers stored Ьу polyphosphate-accumulating microorganisms // J. MicroЬiol. Methods. V. 51. Р. 1-18.
Smirnov А., Suzina N., Chudinova N, Kulakovskaya Т,
Kulaev !. (2005) Formation of insoluЫe phosphate during growth of the archae Halorubrum distributum and
Halobacterium salinarium and the bacterium Brevibacterium antiquum 11 FEMS MicroЬiol. Ecol. V. 52.
Р. 129-137.
Smith S. А., Morrissey J Н. (2008) Polyphosphate as а general procoagulant agent // J. Thromb. Haemost. V. 6.
Р. 1750-1756.
Veen Н. W van, АЬее Т, Kortstee G. J J, Konings W N,
Zehnder А. J В. (1993) Characterization of two phosphate transport systems in Acinetobacter johnsonii
strain 210А // J. Bacteriol. V. 175. Р. 200-06
Woife-Simon F, Switzer J, Blum Т R" Kulp G. W, Gordon S. Е., Hoeft J, Pett-Ridge J F, Stolz S. М, Webb Р. К.,
Weber Р. С. W, Davies А. D., Anbar, Oremland R. S. (2011)
А bacterium that can grow Ьу using arsenic instead of
phosphorus // Science. V. 332. Р. 1163-3-1166.


0

ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ СУЩЕСТВОВАНИЯ ОБЛИГАТНЫХ РОДОВ

СОВРЕМЕННОЙ МОРСКОЙ ФАУНЫ В РАЗНЫХ ШИРОТНЫХ
ФАУНИСТИЧЕСКИХ ПОЯСАХ (по МАТЕРИАЛАМ ИССЛЕДОВАНИЯ БРАХИОПОД)

И О ВОЗМОЖНОСТЯХ ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИХ ПАЛЕОРЕКОНСТРУКЦИЙ

О. Н. Зезина
Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН

kap@ocean.ru

На основании данных по видовому составу фауны брахиопод, населяющих современные моря и океаны,

а также наиболее полных сведений о палеонтологических находках родов ныне живущих брахиопод выявлена пре­
дельная продолжительность существования облигатных родов, то есть родов-эндемиков, в тепловодно-умеренных и

холодноводно-умеренных фаунистических поясах. Наибольшее количество субтропических облигатных родов об­
наружено в Южном полушарии, а нахождение в их составе рода

Bouchardia, известного

начиная с позднего мела (из

маастрихтских отложений), сближает Южный субтропический фаунистический пояс с Экваториально-Тропическим
и предполагает, что воды субтропиков могли служить убежищем ДJIЯ представителей древних тепловодных фаун в
периоды крупных геологических и гидрологических перестроек на рубеже Мезозоя и Кайнозоя. Более поздние по
возрасту облигатные роды Низкобореального и Натального фаунистических поясов появились преимущественно на
границе палеогена и неогена, отражая время становления современного контрастного климата на нашей планете
вследствие формирования Антаркгического Циркумполярного Течения. Последняя крупная постледниковая клима­

тическая перестройка отразилась на появлении видов и родов современной фауны в голоцене.

Брахиоподы, обитающие в современных морях

дов, семейств и родов в ней рассмотрены видовые

и океанах, обладают (по сравнению с другими мор­

и подвидовые таксоны. Это позволяет увидеть в

скими беспозвоночными животными) относительно

деталях,

подробной палеонтологической летописью. Для

приуроченность фаун, в частности, к современ­

предлагаемого здесь исследования использованы:

ным широтным (климатическим) поясам.

1) международное шеститомное издание в серии
«Treatise on Invertebrate Paleontology» (Treatise ... ,
1997-2007), вкточающее сведения обо всех таксо­

нистических поясов по широтному принципу (вы­
деленных по распространению таксонов видового

нах брахиопод (вплоть до родового ранга), обнару­

ранга) и выявление наиболее продолжительного

женных в древних и современных морях; а также

существования облигатных (эндемичных для дан­

2) составленная мною

сводка

понять

и

оценить

биогеографическую

В основу анализа положено построение фау­

обо всех

ного пояса) таксонов, что позволяет судить о вре­

современных брахиоподах, обитающих ныне в мо­

мени происхождения фауны этих поясов и об их

рях и океанах, основанная на обработке обширных

фаунистическом взаимодействии.

(Zezina, 2010)

зоологических коллекций нашей страны, США, Да­

Названия фаунистических поясов заимство­

нии и Франции с учетом всех опубликованных ра­

ваны у Экмана

нее данных различных авторов по этой теме.

последовательностью современной фауны океана.

Основное достоинство процитированной свод­

ки

(Zezina, 2010)

состоит в том, что кроме отря-

(1953)

и сопоставлены с широтной

В качестве наиболее холодноводных фаунистиче­
ских поясов по современным брахиоподам опре­
деляются Бореально-Арктический пояс в ~еверном

Работа выполнена по программе №

25

Президиума Россий­

ской академии наук «Происхождение биосферы и эволюция

гео-биологических систем» при частичной финансовой под­
держке РФФИ (проект №

09--05--00868)

полушарии и Антарктический в Южном. Самые

тепловодные виды образуют Экваториально-Тро­
пический пояс. Между ними выделяются умеренно-


562

Глава

IV.

События и факторы эволюции биосферы

Рис. 1. Распространение наиболее холодноводных брахиоподовых фаун в Северном и Южном полушариях

Рис. 2. Распространение наиболее тепловодных брахиоподовых фаун

холодноводные пояса (Низкобореальный в Север­

риваются как пояса фаунистические, слагаемые из

ном полушарии и Натальный в Южном), а также

географических элементов фауны. Распределение

умеренно тепловодные (Субтропические Северный

ныне живущих видов по широтным фаунистиче­

и Южный) (рис.

ским поясам подробно показано в ранее опублико­

1, 2, 3).

Широтные пояса мы рассматриваем не в гра­

дусах географической широты, а в пределах гра­
ниц видовых ареалов. Типы ареалов, складываю­

щиеся в широтной последовательности рассмат-

ванных работах автора

(Zezina, 1997;

Зезина,

2005;

Zezina, 2008).
Пояса фаунистической зональности простран­
ственно налагаются на соседние с севера и юга.


О. Н Зезина. О продолжительности существования облигатных родов современной морской фауны

Рис.

3.

Взаиморасположение умеренно-тепловодных

(1)

и умеренно-холодноводных

(2)

фаун с районами смешения

563

самых

(3)

тепловодных и самых холодноводных фаун

На севере географическое смешение фаун проис­

ский элементы

ходит в наибольшей степени, поэтому у берегов

фаунистический пояс в Южном полушарии. В Се­

Японии и Западной Европы встречаются виды и

верном

Субтропического, и Низкобореального, и Боре­

служит низкобореальный фаунистический пояс,

фауны,

полушарии

образующие потальный

аналогом

потального

пояса

ально-Арктического поясов. А на юге фаунисти­

однако вследствие сдвига глобальных круговоро­

ческие пояса более раздвинуты, и у субарктиче­

тов поверхностных вод к северу от экватора (ввиду

ских островов, у Южной Африки, Австралии и

неравномерности распределения суши и моря ме­

Новой Зеландии фауны более самостоятельны и

жду двумя полушариями) низкобореальные эле­

однородны,

некоторое

менты фауны смешиваются с северными субтро­

смешение видов, принадлежащих к соседним фау­

пическими, и при относительно малом количестве

нистическим поясам. Зоны смешения фаун или

таксонов современных брахиопод (по сравнению с

так называемые

другими систематическими группами бентоса) се­

хотя

и

обнаруживается

«переходные зоны» между эква­

ториально-тропическими фаунами и наиболее хо­

верный

лодноводными фаунами обоих полушарий пред­

трудно отделим от низкобореального (рис.

ставляют особый интерес, так как содержат наи­

субтропический

фаунистический

По терминологии С. Экмана

пояс

4).

(Ekman, 1953), это

большее количество облигатных родов, то есть

фаунистические пояса умеренно теплых и уме­

родов-эндемиков в каждом из фаунистических

ренно холодных вод Мирового океана в обоих по­

поясов и слагающих их географических элемен­

лушариях. По аналогии с биогеографией фито- и

тов морской фауны.

зоопланктона (Беклемишев,

1969)

эти фауны со­

Здесь предметом специального внимания ста­

ответствуют «нейтральным областям» на перифе­

ли Японский, Калифорнийский, Западноатланти­

рии глобальных гидрологических круговоротов.

ческий, Восточноатлантический (включая Лузитано­

Поэтому в бентосе они могут играть буферную

мавритано-средиземноморский), Южнобразильско­

роль, занимая

уругвайский,

Южноавстра­

нию к высокоширотным и низкоширотным фау­

лийский географические элементы фауны, обра­

нам. Зоны смешения этих фаун дополняются не­

зующие северный и южный субтропические фау­

которым количеством эндемичных видЪв и родов.

нистические пояса, а также Южноамериканский,

При этом фауны умеренных вод наиболее богаты

Новозеландский, Кергеленский, Новоамстердам-

эндемиками (табл.

Южноафриканский,

окраинное положение по

1).

отноше­


Глава

564

Рис.

4.

IV.

События и факторы эволюции биосферы

Схема расположения основных глобальных океанских круговоротов в пределах поверхностных и промежуточ\сlых
вод. В Тихом океане
В. Г. Нейману

(1970)

-

по В. А. Буркову

и А. Д. Щербинину

(1968), в Атлантическом - по Р. П. Булатову (1971), в Индийском - по
(1971). СП - субполярные круговороты, СТ - субтропические круговороты
Таблица

1

Эндемизм родов современных брахиопод в поясах

Доля эндемиков
от числа родов

в данном поясе,
Бореально-Арктический

%

Умеренно теплых вод Южного по-

лушария (Южный субтропический)
Умеренно холодных вод Южного
полушария (Натальный)
Антарктический

Преобладание по количеству облигатных ро­
дов

31

субтропический)
Экваториально-Тропический

(Aulites, Cancellothyris, Murravia, Agulhasia, Calloria, Anakinetica, Magadina), так и в Се­
верном (Hispanirhynchia, Lacazella, Coptothyris,
Dallinella, Niponithyris).

15

Умеренных вод Северного полушария (Низкобореальный и Северный

щих палеонтологическую летопись как в Южном

полушарии

широтной фаунистической зональности

Фаунистический пояс

количество субтропических эндемиков из имею­

28
30
31
12

в Южном

субтропическом поясе,

а также

позднемеловые (маастрихтские) находки южно­
субтропического рода

Buchardia

создают пред­

ставление о наибольшей древности именно юж­
ного субтропического фаунистического пояса в
составе

всех

«переходных»

районов

Мирового

океана. В этом отношении Южный субтропиче­
ский фаунистический пояс по брахиоподам со­
поставим с наиболее древним по происхождению

Здесь нами предпринята попытка выявить пре­
дельную продолжительность существования родов­

Экваториально-Тропическим фаунистическим поя­
сом, в котором, кроме облигатных родов эоцено­

эндемиков в «переходных» (умеренно тепловодных

вого происхождения,

и умеренно холодноводных) фаунистических поя­

thyris, Argyrotheca, известных
ний, а также Chlidonophora
Discinisca из раннеюрских.

сах, чтобы определить их роль в истории формиро­
вания современной фауны в зависимости от изме­

встречаем

Lingula, Mega-

из меловых отложе­

из позднеюрских и

нения климатических условий на нашей планете.

В Северном субтропическом и Низкобореаль­

Появление большинства родов современной

ном фаунистических поясах эндемики переходных

фауны, эндемичных для переходных районов, за­

районов ведут свою историю с эоцена

фиксировано в кайнозойских отложениях. На гра­

цена

нице палеогена и неогена появляется наибольшее

(27 %),

а в большинстве своем

четвертичное

постледниковое

(18 %), мио­
(55 %) имеют

происхождение.


О. Н. Зезина. О продолжительности существования облигатных родов современной морской фауны

В Натальном фаунистическом поясе картина уп­
рощенная: с эоцена известно
ков, остальные

15 %

величина может быть завышена из-за относитель­
но недавнего описания новых родов из морей во­

круг Новой Зеландии и у южных островов Тихого
и Индийского океанов.
При ориентировочном подсчете средней про­
должительности существования родов по методу

Я. А. Бирштейна

(1949, 1985)

Литература

родов-эндеми­

голоценовые. Последняя

85 % -

в составе семейств,

Беклемишев К. В.
Бирштейн Я А.

океана

(1971)

в

коширотных. Эти различия позволяют связывать

заселение холодных вод с формированием кайно­
зойской термогалинной циркуляции, определяю­
щей высокую контрастность современного кли­

мата на нашей планете.

248

с.

Некоторые проблемы происхо­

22.

1.

С.

118-140.

пространственно-временных

Океанографические

исследования.

С.

7-93.
(1968) Циркуляция

вод. В кн. Тихий океан.

Гидрология. Москва: Наука. С.

Зезина О. Н.

№

27.

Циркушщия вод Атлантического

различных

Бурков В. А.

тельность существования фауны, чем для высо­

(1949)

современной биологии. Том

Булатов Р П.

ной для семейств, представленных в более высо­

сов эта величина определяет большую продолжи­

с.

ждения и эволюции пресноводной фауны. Успехи

Вып.

что для низкоширотных поя­

291

Генезис пресноводной, пещерной

и глубоководной фаун. Москва: Наука.

тропических поясах, в сравнении с этой величи­

1983, 2006),

(1985)

Бирштейн Я А.

масштабах.

коширотных фаунистических поясах, получилось

Экология и биогеография пе­

(1969)

лагиали. Москва: Наука.

представленных только в тропическом и двух суб­

(Зезuна,

565

(2005)

206-281.

Об аномалии в широтной зональ­

ности донной фауны Западной Антарктики. Арктика
и Антарктика. Вып.

Зезина О. Н.

(2006)

4.

С.

74-79.

О возрасте таксонов современной

морской фауны в экстремальных условиях и в усло­
виях изоляции. Журнал «Океанология». Том

46. № 3.
On the age of recent marine
fauna in extreme and isolated biotopes. Р. 396-400.
С.

Англ перевод:

426-43 1.

Зезина О. Н.

(1983)

О событиях геологической истории,

Результаты сравнительной оценки древности

наиболее сушественных для формирования совре­

родов-эндемиков в «переходных» районах показы­

менной морской фауны (на примере брахиопод).

вают, что субтропический пояс Южного полушария
сравним с тропическим и может рассматриваться в

качестве убежища для тепловодной фауны в перио­
ды существенных перестроек климата. Натальный

пояс мог служить попеременно и убежищем и ис­
точником расселения для холодноводной фауны
Южного полушария. В Северном полушарии анало­

гичную роль мог исполнять Низкобореальный пояс.
Это

предполагает

значительную

ценность

фауны «переходных» районов в историческом пла­
не для сохранения жизни в морях и океанах при

крупных

гидрологических

перестройках,

таких,

например, как окончательное становление Антарк­
тического

циркумполярного

течения

на

границе

палеогена и неогена. Для самых высокоширотных
районов

важнейшая

перестройка

случилась

по

окончании последнего оледенения. И это может
объяснять преобладание голоценовых родов и ви­

Журнал «Океанология». Том
Нейман В. Г

(1970)

океана. Докл. АН СССР. Т.
Щербинин А. Д.

23.

Выпуск

1. С. 106-111.

Новые карты течений Индийского

( 1971)

195.

№

4.

С.

948-951.

О взаимосвязи циркуляции и

структуры вод Индийского океана. Докл. АН СССР.
Т. 199. № 6. С. 1413-1416.
Ekman S. (1953) Zoogeography of the Sea. London: Sedgwick and Jackson. Р. 1-417.

Treatise on Invertebrate Paleontology, Part Н Brachiopoda,
Revised, Ed Ьу А. Willliams et al. (Geol. Soc. Ат. Univ.
Kansas Colorado, Boulder, 1997-2007). V. 1. Р. 1-547
(1997). V. 2, 3. Р. 1-919 (2000). V. 4. Р. 920--1688 (2002).
V. 5. Р. 1689-2320. V. 6. Р. 2321-3226 (2007).
Zezina О. N. (1997) Biogeography of the bathyal zone.
Advances in Marine Biology. V. 32. Р. 389-426.
Zezina О. N. (2008) Biogeography of recent brachiopods.
Paleontological Joumal. Pleiades PuЫishing Ltd. V. 42.
Р. 830--858.
Zezina О. N. (2010) Check-List of Holocene Brachiopods

дов (Zezina, 201 О) в современной высокоширотной

Annotated with Geographical Ranges of Species. Paleontological Joumal. Pleiades PuЫishing. V. 44. № 9.

морской фауне.

Р.

1176-1199.


МЕТАЛЛОНОСНОСТЬ БИОГЕННЫХ ФОСФАТНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
МАЙКОПСКОГО МОРЯ И ЗОН АПВЕЛЛИНГА В СОВРЕМЕННОМ ОКЕАНЕ

Г Н. Батурин
Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН.

gbatиr@ocean.ru

Элементный состав и металлоносность биопродукrитов, в первую очередь углеродистых и фосфатных
отложений, является актуальной проблемой геохимии, которой посвящено множество публикаций, но вопрос
о сопоставлении ряда древних месторождений и их современных аналогов детально не рассматривался.

Настоящая работа имеет целью выполнить такое сопоставление на примере биогенных редкометалльных
отложений восточной окраины олигоцен-миоценового Паратетиса (Майкопское море) и современных углеро­
дистых осадков зоны прибрежного океанского апвеллинга (шельф Намибии). Главным компонентом тех и дру­
гих отложений является костный детрит, исследованию которого уделено основное внимание.

Введение

Элементный состав материала определяли ме­
тодом ИСП-МС в ВИМС Аналитическом сертифи­

Образцы майкопских рудных отложений и

кационном испытательном центре Всероссийского

содержащихся в них костей получены от сотруд­

института минерального

ников Всероссийского института минерального

С. В. Кордюкова и в Институте проблем техноло­

сырья (ВИМС) А. С. Столярова, А. В. Коченова и

гии микроэлектроники и особочистых материалов

М. М. Мстиславского. Океанские осадки и образ­

под руководством В. К. Карандашева. Содержание

и Р 2 0 5 определено А. Б. Исаевой и Е. О. Золо­

цы костей собраны автором в зоне современно­

Si02

го океанского апвеллинга на шельфе Намибии в

тых

3 рейсе

методом, Сорг и СО 2 -

научно-исследовательского судна ИОРАН

«Академик Курчатов»

(1968),

в

АН УССР «Михаил Ломоносов»

26 рейсе судна
(1972) и в специ­

сырья под руководством

(ИОРАН)

оригинальным

микрохимическим

Н. П. Толмачевой (ИОРАН)

классическим химическим методом в модифика­

ции С. В. Люцарева.

альном рейсе НИС «Бенгела» Кейптаунского уни­
верситета

(1993).

Майкопский материал представляет собой сла­

бо сцементированные глинистым материалом слои

1.

Рудные отложения
Майкопского бассейна

рудного костного детрита, в том числе целых кос­

тей рыб и морских млекопитающих, в сочетании с

Значительная часть северного Паратетиса

тонкодисперсным пиритом и включениями пирито­

представляла собой в олигоцене и раннем миоце­

вых и реже фосфоритовых конкреций и фосфати­

не обширный бассейн (рис.

зированных копролитов. Образцы с шельфа Нами­

Палео-Балтикой и названный Майкопским морем

бии представлены современными углеродистыми

по аналогии с нефтеносной Майкопской свитой

(содержание Сорг до

Предкавказья.

1О %

и более) рыхлыми диато­

1),

соединявшийся с

мовыми илами с обильными включениями костей и

В отложениях этого бассейна широко распро­

чешуи рыб, костей и копролитов морских млекопи­

странены кости рыб и морских млекопитающих с

тающих, а также рыхлых и в той или иной степени

повышенным содержанием урана и редкоземель-

уплотненных современных фосфоритовых стяжений

ных элементов (РЗЭ). В ряде районов (прикаспий­

размером от

ская западная часть Казахстана и Калмыкия) этот

1-3 до 30-60 мм в поперечнике.

~


Глава

568

События и факторы эволюции биосферы

IV.

56'

72'

04°

1--1~/­

о~
{:-":._j~

(::-j.I"

fz33j6
ЁJ§i§?
~8

12·

во·

Рис.

Палеогеографическая схема Майкопского моря на территории бывшего СССР в раннем олигоцене (Цеховский и др.,

1.

1998). 1 -

береговая линия майкопского моря;

пески;

алевриты;

4-

5-

глины; б

-

2-

доломиты;

эпизодически затопляемая низменность;

7-

известняки;

8-

3-8 -

типы осадков: З

-

зона эрозии подстилающих пород

материал образует рудные залежи в форме серии

ний проводилось начиная с середины прошлого

линз

века преимущественно

и

пластов

мощностью

до

десятков

см,

рас­

коллективом

сотрудников

слаивающихся от прибрежной к глубоководной зо­

ВИМСа, что описано в ряде обстоятельных пуб­

не наподобие <<Конского хвоста» (рис.

ликаций (Коченов, Зиновьев,

тельствует о

2),

что свиде­

неоднократных перемывах и

переот­

ложении костного материала. Наиболее крупная за­
лежь

-

месторождение Меловое в южной части

Мангышлака, давшее для развития атомной про­

мышленности

2005), -

44 ООО т

урана

(Машковцев

и др"

к настоящему времени выработана, но на

других, меньших по размеру залежах, близких по
своему составу к Меловому, ресурсы урана не ис­

черпаны, и работы по их исследованию и освоению
продолжаются вплоть до настоящего времени.

1960; Полушкина, 1960;
Шаркав, 1963; Мстиславский, Столяров, 1968; Ко­
ченов и др" 1970, 1973; Столяров, Шаркав, 1976;
Столяров и др" 1991; Машковцев и др., 1995; Сто­
ляров, Ивлева, 1995; Столяров, Коченов, 1995;
Коченов, Столяров, 1996; Шаркав, 2000; Столя­
ров, Ивлева, 2004; Шаркав, 2005, 2008; Машков­
цев и др" 2005; Батурин, 2008, 2009; Шаркав, Пе­
ченкин, 2009; Шаркав и др"2010; Батурин, 2011;
Батурин, Дубинчук, 2011).
Основная часть исследованной породы сложе­

Систематическое исследование рудного реги­

на относительно крупными обломками костей и

она, его стратиграфии, литологии, минералогии

песчаным материалом, а остальная часть представ­

и

лена алевритовой и пелитовой фракциями. В по-

геохимии

рудных

и

сопутствующих

отложе-


Г Н Батурин. Метаmюносность биогенных фосфатных отложений Майкопского моря и зон апвеллинга

Рис.

2.

Продольный разрез рудной залежи месторождения Меловое (Шарков,

2-

остатками рыб и тонкодисперсным притом;

татками рыб;

4-

рудные пласты и их номера;

темно-серые глины, обогащенные

2008). 1 -

светлые глины с ходами илоедов;

5-

569

3-

серые глины с редкими ос­

сульфидный прослой

ристых костях присутствует небольшое количест­

натрия, калия, магния и органического углерода,

во пелитового, преимушественно глинистого, ма­

что сопровождается неравномерным уменьшени­

териала.

ем содержания кальция и фосфора. Тонкие фрак­

В рудном материале доминирует биогенный

-

ции обеднены также марганцем и СО 2 . Содержание

фосфат кальция в форме гидроксилапатита и фтор­

общего железа (условно приводимого в виде

карбонатапатита.

но представленного сульфидом) и общей серы ме­

Сушественными

компонентами

являются сульфиды железа: пирит, моносульфиды

няется

железа и промежуточные формы (мельниковит, пи­

4,4-22,0 % и 2,3-11,6 % (табл. 1).

рит-мельниковит и др.). Нерудный материал пред­

неравномерно,

в

пределах

Fe20 3,

соответственно

Отношение Са0/Р 2 0 5 меняется в пределах

ставлен главным образом глинистыми минералами,

1,18-1,65

в меньшей степени кварцем, биогенными карбона­

пелитовых снижается до

в песчано-алевритовых фракциях, но в

0,47-0,50,

что, вероятно,

тами, реже биогенным опалом (видимо, остатками

обусловлено сорбцией фосфата глинистым мате­

диатомовых водорослей).

риалом и заменой кальция железом и другими ка­

Особый интерес вызывают формы нахождения

тионами

в

структуре

апатитовидного

минерала

(Блисковский,

чивые предположения, включая сорбцию урана ор­

1983).
Отношение Fe/S

ганическим веществом, формирование меланоиди­

чаных фракциях, до

новых комплексов, вхождение урана в кристалли­

пелитовой, что связано с преобладанием пирита в

ческую решетку биогенного апатита, формирование

песчаных фракциях и моносульфида (мельнико­

собственных минералов урана (Полушкина,

вита) в пелитовой.

урана, по поводу которых вьщвигались противоре­

1960).

Согласно новым результатам (Батурин, Дубинчук,

2011),

полученным современными методами анали­

возрастает от

1,3

0,91-0,93 в пес­
2,2-2,6 в

в алевритовой и

Распределение большинства микроэлементов
во фракциях неравномерно (табл.

2).

основными

Наиболее широки диапазоны концентраций,

формами урана (концентрирующегося главным об­

т. е. соотношения минимальной и максимальной

разом в костном детрите) являются: оксид урана

величины, для олова

тической электронной микроскопии,

Се )z (РО4)2 Н 2 0, отенит (называемый иногда ура­

(60 раз), урана, молибдена,
цинка, кобальта (30-35 раз), меди, итгрия, гафния
(20-25 раз), серебра, ртути, теллура (около 10 раз).

новой слюдкой)

Наиболее стабильно распределение мышьяка, ба­

(уранинит)

УРО 4

(2

U0 2, коффинит US0 4, нингиоит (U,
Ca(U02)(P04)2 (10 HzO)
3).

Са,

и черчит

рия, бериллия, кадмия, галлия, свинца, скандия,

Н2О) (рис.

Результаты анализов основного и микроэле­
ментного

состава руды и ее гранулометрических

фракций представлены в табл.

понентов:

1-3.

содержание литогенных ком­

кремнезема, глинозема, титана,

Крупные фракции обогащены относительно
мелких бериллием, скандием, селеном, стронцием,

По мере уменьшения размеров частиц в их со­
ставе увеличивается

селена, тантала, ванадия и циркония.

а также

иттрием, а мелкие

-

~

значительно большим коли-

чеством элементов: серебром, барием, кобальтом,
цезием, медью, галлием, ртутью, гафнием, литием,


Глава

570

Рис.

3.

IV.

События и факторы эволюции биосферы

Минералы урана в руде месторождения Меловое (Батурин, Дубинчук,

2011).

Обломок кости, на котором образова­

лась пленка уранинита (квадрат); полость у верхнего края обломка (круг) заполнена многофазным материалом,
включая коффинит (коф), уранинит (ур) и графит (гр); а и б

-

соответствующие микродифракционные картины.

Просвечивающий электронный микроскоп

Таблица

1

Основной химический состав гранулометрических фракций рудного штуфа месторождения «Меловое»(%)

Элемент

Штуф

Si02

9,40

Фракции, мм

3-2
-

2-1

1-0,5

5,49

8,37

0,25-0,1
7,54

0,1-0,05
11,95

0,05-0,01
18,98

<0,01

<0,001

34,14

23,26

А1 2 0 3

2,9

1,9

2,3

2,5

2,6

2,3

5,4

12,3

9,8

Ti02

0,013

0,08

0,11

0,11

0,11

0,15

0,25

0,49

0,35

Na20

1,1

0,70

0,38

0,86

1,30

0,89

1,0

3,1

6,0

К2О

0,77

0,45

0,44

0,55

0,61

0,90

1, 1

3,3

2,4

Са О

34,3

30,6

33,2

30,7

30,0

37,4

16,0

5,7

9,0

MgO

0,63

0,36

0,53

0,46

0,48

1,30

0,79

2,1

2,0

Fe 20 3

10,7

15,2

14,4

11,0

8,0

4,4

22,0

12,7

9,9

MnO

0,16

0,21

0,33

0,17

0,13

0,012

0,16

0,097

0,084

P20s

20,2

19,1

21,5

20,8

25,3

22,7

13,2

11,5

19,3

11,6

Sобщ

10,9

8,3

4,0

2,6

СО2

7,94

12,26

5,85

4,94

5,96

6,88

7,32

1,02

1,57

С орг

2,78

1,05

1,50

1,85

2,48

2,87

3,20

2,10

2,22

Ca0/P20s
Fe/S

1,70

1,18

1,65

1,21

0,50

0,47

2,2

2,6

ниобием,

-

никелем,

1,60

1,54

1,47

0,91

0,92

0,93

рубидием,

рением,

оловом,

2,3

-

-

1,3
мают фракции

-

-

0,1-0,05

и

0,05-0,01

мм. В первой

танталом, ванадием и вольфрамом, которые тяго-

из них установлены минимальные

теют

состав-

бария, висмута, кадмия, меди, ртути, молибдена,

ляющей породы. Особое место в этом ряду зани-

никеля, свинца, рения, сурьмы, олова, тантала,

преимущественно

к

терригенной

содержания


571

Г Н Батурин. Металлоносность биогенных фосфатных отложений Майкопского моря и зон апвеллинга

Таблица

2

Микроэлементный состав гранулометрических фракций руды и пирита, г/т

Элемент

Штуф

Ag
As
Ба

Размер фракций, мм

3-2

2-1

1-0,5

0,25--0,1

0,75

0,73

0,25

0,73

0,59

72

220

100

112

60

87

150

215

183

212

290

180

155

200

Ве

4,2

4,5

2,4

4,7

4,8

2,9

1,8

Bi

0,74

0,53

0,42

0,56

0,69

0,21

1,3

Cd

5,7

6,1

7,1

7,6

5,7

19,1

5,3

Со

160

129

103

132

120

8

Cr
Cs

40

35

42

44

45

204

1,8

1,5

1,2

1,8

1, 1

2,3

1,8

Си

297

278

130

259

280

25

600

Ga

5,3

7,6

8,0

9,7

4,9

7,2

6,7

17,4

Hg

<0,1

0,30

0,50

0,51

Нf

2,6

1,0

1,0

1,3

-

0,1--0.05 0,05--0,01
0,86

0,19

<0,08

0,56

Пирит

<0,01

<0,001

1,6

2,3

0,14

98

61

100

300

210

32

2,1

1,7

<0,07

0,92

0,66

0,075

6,7

7,0

1,6

210

234

253

19

64

153

150

14

8,6

7,4

0,8

530

640

22

15,0

1,7

1,9

-

0,45

2,0

2,9

<0,2

2,6

2,4

0,27

Li

14,5

7,4

11,1

8,7

11

12

19

50

44

3,4

Мо

214

361

109

150

130

7

290

143

81

140

№

1,8

1,4

1,5

1,8

1,7

1,9

3,7

7,4

5,0

1,0

Ni

469

272

222

261

280

83

400

563

623

130

РЬ

64

46

33

55

53

21

84

72

65

13

Rb
Re
Sb
Sc
Se
Sn
Sr

1,5

1,2

1, 1

1,4

2,0

1,0

10

2389

6486

1116

3559

3700

1866

1900

Та

0,33

0,21

0,19

0,26

0,39

0,14

0,39

0,67

0,49

<0,1

Те

1, 1

1,9

1, 1

1,4

1,2

<0,4

2,8

1,6

1,3

<0,6

Th

11,3

8,4

5,0

11,4

7,6

26,2

21,0

6,6

4,7

1,7

24

15

16

20

15

34

28

101

89

12

1,5

0,51

0,32

0,47

0,59

0,26

0,68

1,0

1,4

0,06

30,2

33,0

11,8

28,2

24,0

7,8

43,0

29,7

21,5

21,0

29,2

20,6

14,4

21,3

20,0

15,6

15,0

12,8

11, 1

1,9

30,1

29,2

19,5

29,1

<10

12,6

<25

13,6

8,3

<2

28

62

0,44

1293

1624

44

Т1

13,0

12,5

5,7

10,5

11,0

29,5

14,0

10,6

7.6

4,9

u

1484

1053

411

1066

3400

95

2000

273

229

22

у

670

798

706

927

830

318

630

48

40

23

v

76

64

74

74

70

87

130

229

209

<0,2

w

1, 1

0,58

0,80

1,2

0,82

1,4

0,92

1,4

1,5

0,22

Zn
Zr

786

707

571

827

700

65

950

977

1383

33

96,6

54,6

48,8

68,6

38,0

29,7

110

85,0

76,3

14

теллура, урана, иттрия, вольфрама, циркония и

став трех последних гранулометрических фракций,

цинка, что сочетается с минимальным содержани­

максимально обогащенных именно моносульфи­

ем

трех

макроэлементов

-

серы. Судя по соотношению

марганца,

Fe/S

и

дом, а также серебром, мышьяком, барием, вис­

эти

мутом, кобальтом, медью, ртутью, молибденом,

железа

(см. табл.

1),

элементы входят частично в состав пирита и час­

никелем, свинцом, рением, сурьмой, оловом, ва-

тично в состав моносульфида, которые могут иг­

надием, вольфрамом и цинком.

l

рать сушественную роль в накоплении ряда мик­

В то же время встречающиеся в рудных пла­

роэлементов. Об этом свидетельствует также со-

стах конкреции полнокристаллического пирита


Глава

572

IV. События и факторы эволюции биосферы
Таблица З

Редкоземельные элементы в гранулометрических фракциях руды и в пирите

Элемент

Руда

La

Гранулометрические фракции, мм

3-2

2-1

1-0,5

598

509

490

Се

949

788

Pr

140

Nd
Sm

Пирит

<0,01

<О,001

212

0,05-0,01
340

41,9

29,6

13

516

610

78,3

56,5

26

53,9

82

9,1

6,6

3,2

580

205

360

36

28,6

13

120

43,6

80

7,2

6,2

3,4
0,81

0,25--0,1

0,1-0,05

602

550

789

979

920

95,4

89,7

114

120

611

400

376

513

130

80,2

74

87,6

Eu

30

19,9

18,7

24,4

33

9,6

20

1,7

1,5

Gd

189

112

97,4

140

160

50,7

100

8,3

7,1

3,7

ть

25

16,5

14,5

20

26

7,5

16

1,2

1,0

0,49

Dy

154

96,6

85,7

126

140

43,2

100

7,1

6,1

2,7

Но

39,9

20,8

18,6

24,5

32

9,0

20

1,5

1,3

0,55

Er

88

59,0

51,7

69

90

25,6

49

4,3

3,8

1,3

Тт

11,7

7,7

7,0

9,4

10

3,5

7

0,58

0,54

0,19

УЬ

82,6

50,9

42,3

62,4

70

22,7

46

4,1

3,5

1,0

Lu

11

7,5

6,0

9,4

10

3,4

6,8

0,62

0,55

0,13

ITR

3059

2264,5

2160,6

2780,7

2761

1205,7

1836,8

201,9

152,9

69,5

Се*

0,72

0,77

0,81

0,81

0,78

1,06

0,81

0,87

0,88

0,89

Eu*

0,82

0,90

0,95

0,90

0,93

0,83

0,90

0,85

0,97

0,99

* Значения цериевой и европиевой аномалий.
обеднены большинством микроэлементов и со­

Обращает на себя внимание то, что суммарное со­

держат (г/т):

держание РЗЭ в ру.цном ппуфе несколько выше, чем

Sr - 44, Zn - 38, У - 23, U - 22,
Си 22, Со - 19, РЬ - 13, Rb - 12, Т1 - 4,9,
Li-3,4, Se-<2, Th-1,7, Cd-1,6, Sn-0,44,
Ag - 0,14, V и Hg - <0,2, Bi - 0,075, Re 0,06. Повышенные концентрации установлены
только для никеля (130 г/т) и молибдена (140 г/т).

во фракциях. Видимо, это свидетельствует о том,
что в ходе выполнения водно-механического анали­

за часть РЗЭ, слабо связанная с субстратом, десор­

бировалась, перешла в раствор и бьmа утрачена.
Расчет величин цериевой и европиевой ано­

В исследованных ранее трех образцах фосфори­

малий по принятой методике нормализации со­

товых конкреций из тех же отложений (Батурин,

держания Се и

2011)

содержание урана, иттрия, ванадия и цинка

Eu

по сланцам и соотношению с

соседними элементами

(Gromet et а!., 1984; Дуби­

выше, чем в пирите, но ниже, чем в рассматривае­

нин,

мых фракциях. Содержание ряда других микро­

ниже единицы, т. е. близки к средней величине для

элементов в фосфоритовых конкрециях сопоста­

глинистых осадочных пород и для верхнего слоя

вимо с таковым в пирите или несколько выше.

вод океана. Исключением является лишь один об­

При сопоставлении содержаний рудогенных

2006)

показывает, что обе они незначительно

разец (фракция

0,1-0,05

мм) со слабой положи­

и некоторых сопутствующих микроэлементов вы­

тельной цериевой аномалией, которая иногда про­

являются следующие соотношения. Сурьма кор­

является в прибрежных водах под влиянием кон­

релирует с ураном, рений

тинентального стока.

-

со свинцом, медь

-

с кобальтом, серебром и в меньшей степени с ни­
келем, висмут

-

с мышьяком.

В распределении редкоземельных элемен­

тов (РЗЭ) (табл.

Ранее сообщалось, со ссылкой на работы

50-летней давности, что в рассматриваемых кост­
ных брекчиях установлена положительная европие­

наблюдаются те же особенно­

вая аномалия, свидетельствующая якобы о вулка­

сти, которые свойственны другим микроэлементам.

ногенном источнике рудного вещества (Шаркав,

В частности, минимальное содержание свойствен­

2008).

но пелитовому материалу, обедненному фосфором.

что прежние определения, полученные в прошлом

3)

Но приведенные результаты показывают,


Г Н Батурин. Металлоносность биогенных фосфатных отложений Майкопского моря и зон аnвеллинга

веке вышедшими из употребления слабо чувстви­

573

Диатомовые илы шельфа

2.

тельными методами, не согласуются с реальной

Намибии

картиной спектра РЗЭ, который свидетельствует
об отсутствии какого-либо влияния вулканизма на
рудный процесс.
Важный

аспект

геохимии

рассматриваемых

руд состоит в оценке их перспектив как источника

благородных металлов. В свое время первооткры­
ватель

(1960)

Первые сообщения о существовании на шель­

фе Намибии углеродистых сероводородных осад­

месторождения

Меловое

Р. В. Нифонтов

сообщил, что золото в руде присутствует и

ков появились в середине прошлого века

hagen, 1934, 1953; Butlin, 1949;
ders, 1957).

( Copen-

Broпgersma-Saп­

Как выяснилось в дальнейшем, диатомовые

илы, накапливающиеся со скоростью до

1 мм/год

связано преимущественно с пиритовой фракцией,

в результате бурного развития фитопланктона в

однако в течение многих лет это исследование не

биопродуктивной зоне Бенгельского апвеллинга,

было продолжено. Недавно с помощью нейтронно­

распространены на внутреннем и частично внеш­

активационного метода бьши выполнены выбороч­

нем шельфе Намибии на глубинах преимущест­

ные анализы нескольких образцов (Батурин, Коле­

венно

сов и др.,

их состава являются биогенный опал (до

2008;

Батурин, Колесов,

ные результаты, приведенные в

2009). Получен­
табл. 4, подтверди­

ли первое сообщение Р. В. Нифонтова о приуро­

ченности золота к пиритовой фракции
присутствует около

0,5

-

в ней

г/т Аи, но в руде в целом

-

50-150 м.

Основными макрокомпонентами

органическое вещество (до

10-26 %

60 %)

и

Сорг), а также

значительное количество фосфатного детрита

-

свежие и слабоминерализованные кости и чешуя

рыб, кости и фосфатизированные копролиты мор­

на порядок меньше. Мало золота также в костном

ских млекопитающих. Описанию распространения,

фосфате (зуб акулы)

минералогии и элементного состава этих отложе­

всего

-

0,03

г/т. В отличие от

золота платина находится преимущественно в ко­

(3,2 г/т), в меньшей степени в вало­
руды (0,6 г/т) и в пирите (0,3 г/т). Эле­

ний и содержащихся в них костей посвящен ряд

стном фосфате

публикаций (Сенин,

вой пробе

янов,

менты платиновой группы, содержание которых на

порядка ниже, распределяются иначе. В руде

1-3

наблюдаются лишь следы осмия при минимуме

иридия

(0,23

мг/т). В остальных образцах содержа­

ние этих металлов находится в пределах

(Os)

и

3,68-8,31

мг/т. Содержание рутения воз­

2,48-5,27 (lr)

растает в ряду: пирит

товая фракция руды,
лось также (Шаркав,

- руда - алеври­
от 20,6 до 90,6 мг/т. Сообща­
Печенкин, 2009), что 'содержа­
-

фосфат

ние палладия в сульфидном концентрате руды со­
ставляет

26 мг/т.

1968; Батурин, 1969; Емель­
1973; Батурин, Блисковский, 1974; Батурин,
1974, 1978; Батурин, Орешкин, 1984; Bremner, 1978;
Broпgersma-Sanders et al., 1980; Calvert, Price, 1983;
Батурин и др., 1986; Батурин, Юшина, 2002; Ба­
турин, 2004). В составе этих осадков были впер­
вые обнаружены современные фосфоритовые стя­

жения разнообразных форм размером от

5-7 см в

1-3

мм до

поперечнике, включая мягкие пластичные,

более или менее уплотненные и твердые литифи­
цированные разности (Батурин,

1969, 1978, 2004).

На внешнем шельфе Намибии, южнее зоны

Но в целом вопрос о содержании,

распространения диатомовых илов, находится по­

распределении и формах нахождения благородных

ле переотложенных фосфатных песков плиоцен­

металлов в рудах этого типа выяснен недостаточно.

плейстоценового возраста, в которых также при­

Таблица4
Содержание благородных металлов в руде

Bremпer,

1978, 2004;

1978).

Как показало электронно-микроскопическое

и ее компонентах, мг/т

Фракция

сутствует костный детрит (Батурин,

исследование минерального состава выбранных
из осадков и частично минерализованных костей

Зуб акулы

Пирит

30,9

483

несколькими генерациями, включая слабо изменен­

166

3200

302

ный первичный гидроксилапатит,

<0,6

8,31

3,68

4,1

фосфат, глобулярный фосфат разных модифика­

Ir

0,23

5,27

2,48

3,32

Ru

77

90,6

34,5

20,6

Элемент

Руда

Au

70

Pt

600

Os

0,25-0,1
5,55

мм

(Батурин, Дубинчук,

2003),

фосфат представлен
колломорфный

ций и в той или иной мере кристаллизованный
фторкарбонатапатит.

Гидроксилапатит присутст-


Глава

574

вует

в

виде

волокнистых

События и факторы эволюции биосферы

IV.

агрегатов,

но

местами

переотложен в виде колломорфной массы, места­
ми трансформирующейся в глобулы и коротко­

столбчатые кристаллы фторкарбонатапатита.
В фосфате минерализованных костей часто
присутствует пирит в форме кубоктаэдрических

таллия, урана, ванадия и цинка они близки к май­
копским глинам.

Что касается собственно металлоносных кос­
тей, то сопоставление майкопского и современно­
го материала выявляет сходные черты их состава.

Майкопские кости относительно обогащены

и кристаллизован­

барием, бериллием, висмутом, кобальтом, медью,

в диаметре. Минералы урана

никелем, свинцом, цинком, ураном, сурьмой, строн­

представлены уранинитом (агрегаты глобул раз­

цием, скандием, иттрием и РЗЭ. Но кости с шельфа

мером

1-2 мкм и пленки на поверхности фосфата) и
коффинитом (овальные частицы размером до 0,5 мкм

Намибии богаче по сравнению с майкопскими кад­

среди колломорфного и зернистого фосфата).

дием, при более или менее близких содержаниях

кристаллов размером до
ных глобул до

1 мкм

3 мкм

мием, хромом, цезием, ниобием, рубидием и вана­

Общий и микроэлементный состав современ­

серебра, мышьяка, цезия, галлия, гафния, лития,

ных диатомовых илов и сопутствующего костного

молибдена, рения, олова, тантала, тория, таллия,

материала приведен в табл.

вольфрама и циркония.

5,

составленной час­

тично по опубликованным ранее (в цитированных

Для графического сопоставления микроэле­

выше работах) и дополнительным новым резуль­

ментного состава костного материала элементЬ1

татам анализа серии микроэлементов.

расположены в порядке увеличения их распростра­
ненности в глинистых осадочных породах по дан­

ным А. П. Виноградова (1962) (рис.

З.

Сопоставление состава

4).

График демонстрирует в целом однотипный

майкопских и современных

характер распределения большей части микроэле­

шельфовых отложений

ментов в исследованных майкопских и современ­

и костного фосфата

ных костях. По сравнению со средним составом

глинистых осадочных пород, в обеих группах кос­
Полученные результаты

позволяют

оценить,

тей наблюдаются положительные пики содержаний

насколько значимы черты сходства и различия в со­

висмута,

ставе рассматриваемых отложений, включая рудные

свинца, цинка, стронция и всех элементов 3-й груп­

серебра, кадмия, молибдена, мышьяка,

компоненты (в данном случае костный материал) и

пы периодической системы Менделеева. С другой
стороны, наблюдаются отрицательные пики содер­

вмещающие породы и осадки.

Рассмотрение среднего основного состава май­

жаний таллия, бериллия, тантала, гафния, вольфра­

копских глин рудной зоны и современных диатомо­

ма, тория, цезия, кобальта, ниобия, галлия, лития,

вых илов шельфа Намибии (см. табл.

хрома, рубидия и бария.

5) показьmает,

что первые относительно богаче алюминием, тита­

По всей видимости, такой параллелизм в рас­

ном, магнием, калием, железом и марганцем, в то

пределении большей части микроэлементов в ис­

время как вторые обогащены кремнеземом (за счет

копаемых костях со дна Майкопского моря и в со­

опала диатомей), кальцием и фосфором (за счет

временных костях с шельфа Намибии свидетель­

присутствия биогенного карбонатного и фосфатно­

ствует о единстве или по крайней мере сходстве

го детрита), а также органическим углеродом.

процессов их минерализации в ходе седиментоге­

Для микроэлементного состава сравниваемых

неза, диагенеза и, возможно, эпигенеза.

пород характерно заметное относительное обога­
щение майкопских глин бериллием, висмутом, ко­

бальтом, свинцом, сурьмой, цезием, галлием, гаф­
нием, литием, ниобием, рубидием, торием, танта-

4.

О генезисе редкометальных
костных отложений

лом, цирконием, а также элементами 3-й группы
таблицы Менделеева -

скандием, иттрием и РЗЭ.

Проблема генезиса рудных костных отложе-

Диатомовые илы относительно обогащены

ний Майкопского бассейна включает в себя, наря­

лишь кадмием, но по содержанию серебра, мышь-

ду с геологическими и геохимическими, также и

яка, бария, хрома, меди, молибдена, никеля, олова,

океанологические аспекты, а именно

-

причины


Г Н. Батурин. Металлоносность биогенных фосфатных отложений Майкопского моря и зон апвеллинга

575

Таблица
Химический состав осадков и костного фосфата из майкопских и современных шельфовых отложений
Основной химический состав(%)
Осадки
Компонент

Мkглина

Si02
АIЛз

Ti02
Са О

MgO
Na20
К2О
Fе2Оз
Мл О

P20s
Copr

Костный фосфат

Диатом. илы, шельф Намибии

Шельф Намибии

Майкоп

От-до

Среди

От-до

Среди.

От-до

Среди.

23,3
15,3
0,64
1,53
2,5
1,5
3,9
6,6
0,6
0,29
2,78

29,7-59,3
l,9-5,0
0,09-0.27
2,9-17,0
1,0-2,4
1,9-2,6
0,48-1,8
0,06-3,2
0,006-0,015
0,29-l,33
6,6-12,6

44,3
3,0
0,14
7,6
1,6
2,l
0,9
1,7
0,011
0,71
7,9

0,1-4,5
0,03-1,0
0,005-0,04
44,7-49,2
0,20--0,39
0,52-1,l
0,02-0,26
0,5-5,3
0,09-0,25
18,6-36,8
0,92-3,86

1,4
0,36
0,011
44,8
0,24
0,9
O,l
2,8
0,13
30,9
1,80

0,1-6,8
0,19-3,5
0,014-0,11
41,4-54,4
0,64-0,94
1,3-2,0
0,10--0,48
0,8-6,5
0,001-0,070
26,16-33,0
0,93-5,54

2,5
1,0
0,05
48,6
0,80
l,7
0,23
2,45
0,008
30,0
3,1

0,40
43,1
336
2,6
0,5
1,4
26
99
12,3
80
19
4,7
65
122
9,3
107
31
150

0,32-0,91
15-28
160--395
0,47-1,1
0,06--0,13
26-51
2,1-7,5
43-130
1,1-3,3
23-68
3,0-9,2
0,28-1,10
9-34
45-97
2,2-8,8
34-140
4,2-7,7
17-50
0,03-0,26
0,26-1,0
<2-8,0

0,62
20
260
0,75
0,11
36
4,3
98
2,1
42
5,3
0,60
15
70
4,5
77
5,5
29
0,15
0,52
5,2
(3, 1)
1,2
300
0,28

0,18
50
180
6,6
0,18
2,4
40
11
0,22
63
2,8
0,53
2,7
220
0,44
124
14
3
0,56
18
11,4
5
1,2
0,4%
0,09
0,5
2,2
2,4
1430
17
0,48
360
320
35

о, 10--0,60

0,25
66
52
0,9
0,06
11
3
54
0.41
15
1,3
0,55
3,0
140
1,1
52
3,4
9
0,57
6,6
3,2
(2)
0,8
1880
0,09

Микроэлементы, г/т

Ag
As
Ба
Ве

Bi
Cd
Со

Cr
Cs
Cu

Ga
Нf

Li
Мо

NЬ

Ni
РЬ

Rb
Re
Sb
Sc
Se
Sn
Sr
Та

Те
ть

Tl

u

v

w
у

Zn
Zr

-

11,4
18,2
-

3, 1
104
1,0

-

13,4
1,5
34
185
3
25
150
160

0,9-1,6
120-460
0,12--0,51
<0,3
1,7-6,0
0,4-4,8
16-45
80--193
0,8-1,7
5,3-15
41-190
19-53

41
88
12
50,4
8,5
1,7
9,3
1,2
7,1
1,6
4,0
0,60
4,2
0,62
231
0,86
0,83

4,5-16,0
8-27
1,2-4,1
4,5-15,0
0,85-2,7
0,17-0,51
0,90-2,8
0,12-0,43
0,75-2,5
0,19-0,47
0,51-1,4
0,077-0,17
0,59-1,40
0,073-0,20
22,81-74,68
0,72--0,84
0,67-0,92

-

-

3,0
2,2
30
148
1,15
10,5
78
32

0,03--0,37
22-88
56-250
2,5-9,5
<О,06-0,48

0,5-4,3
2,4-71,5
4,7-17
0,05-0,70
14,3-115
2,0--5,1
0,06-1,0
1,4-6,9
26-508
0,2--0,9
19-245
2,1-25,8
0,4-46
<О,04-1,2

4,6-35,9
0,9-22,2
4,0-14,6
0,2-1,6
1174-1,9%
0,03-0,16
<О,4-0,9

0,05-6,0
0,4-6,5
400--2315
1,0-35
0,36-0,67
4,8-720
23-600
1,4-94

25-150
24-130
0,36-1,6
<0,03-0,10
3,2-18,7
2,3-7,7
22-87
0.17-0.83
5,2-24,3
0,64-1,9
<0,10-1,1
1,9-4,3
81-213
0,4-2,О

13-93
1,4-4,5
4,2-16
0,14-1,2
3,8-15,3
0,7-4,9
<2-5,3
<O,l-1,4
1300-2300
0,03-0,13
<0,2
0,16-8,0
1,3-7,1
260--1250
41-100
<O,l-0,82
2-74
34-97
3-76

-

3,8
3,4
485
57
0,37
38
58
35

Редкоземельные элементы

La
Се

Pr

Nd
Sm
Еи

Gd
ть

Dy
Но

Er
Tm
УЬ

Lu
ITR
Се*

Eu*
* Значения

цериевой и европиевой аномалий.

8,6
15,5
2,2
8,4
17
0,30
1,75
0,25
1,7
0,32
0,86
0,125
0,935
0,14
42,67
0,78
0,80

14,9-660
10,6-820
1,1-105
4,2-441
0,61-78,8
0,10--19,7
1,1-118
0,09-16,0
1,0-99,4
0,32-27,3
86,0-66,3
0,11-9,0
0,72-60,2
0,11-8,l
35,82-2529
0,47-0,87
0,50--0,90

306
410
53,5
221
44
10,3
60
8,4
54,6
13,5
32,7
4,58
30,22
4,2
1330
0,64
0,78

1,9-46
33,2-140
0,4-12
1,6-51
0,32-9,3
0,043-2,1
0,30--11,4
0,059-1,6
0,32-9,9
0,059-1,7
0,24-5,7
0,023-0,80
0,21-5,8
0,038-0,86
8,72-291,52
0,73-0,95
0,61-92

24
34,5
4,7
21,5
3,7
0,8
4,4
0,64
4,16
0,86
2,36
0,33
<t 2,29
0,40
118,40
0,87
0,82

5


Глава

576

IV.

События и факторы эволюции биосферы

r/т

10 ООО

1>

'
1

'
~

1

i

i'

Рис.

4.

Схема распределения средних содержаний микроэлементов в костном материале из руды месторождения Меловое
(треугольники) и в современных костях с шельфа Намибии (кружки). Жирная линия
тов в глинистых осадочных породах (Виноградов,

-

среднее содержание элемен­

1962; Turekian, Wedepohl, 1961)

колоссальной популяции рыб в эоцен-миоценовом

тающих. По данным рыбаков и ихтиологов, про­

море, причины их локализации в нескольких кон­

дукция промысловых рыб достигает в таких зо­

кретных участках бассейна и причины образова­

нах 100 т/км 2 /год и более.

ния скоплений костных остатков морской фауны,
включая рыб и морских млекопитающих.

Следствием высокой биопродуктивности явля­
ется накопление на дне отложений, обогащенных

В связи с тем, что базисом рудного процесса

как органическим веществом, так и костными ос­

явились скопления костей, коснемся океанологи­

татками организмов, которые сохраняются на дне,

ческой части проблемы.

где донная фауна отсутствует в результате споради­

Биопродуктивность водоемов

зиждется на

ческого или перманентного заражения придонного

продуктивности фитопланктона, которая, в свою

слоя воды сероводородом, диффундирующим из

очередь, лимитируется наличием биогенных эле­

осадков, в которых развиваются сульфат-редуци­

ментов, в первую очередь растворенного в воде

рующие бактерии

фосфора (Виноградов,
мальная

1967).

биопродуктивность

свойственна

зонам

Высокая и макси­
океана

прибрежного

в

(Butlin, 1949).

Дополнительным обстоятельством, способст­

целом

вующим накоплению на дне костного детрита, яв­

апвеллинга,

ляются периодические массовые заморы морской

где обогащенные биогенными элементами воды

фауны, повторяющиеся с той или иной интенсив­

поднимаются к поверхности с глубин порядка

ностью через

3-5 лет

по двум причинам: либо в

м, что обеспечивает рост первичной

связи с эпизодическим развитием ядовитоm планк­

продукции фитопланктона до величин порядка

тона (в частности, некоторых видов динофлагел­

2

5-10 г Сорг /м /сутки, т. е. на один-два порядка
(Ryther, 1970). В ре­

лят), либо в связи с подъемом границы зоны серо­

выше, чем в открытом океане

водородного заражения к поверхности океана, что

100-250

зультате в этих районах наблюдается максималь­

иногда

распространению

сероводо­

ная концентрация планктоноядных рыб, а вслед

рода даже в прибрежной полосе суши

(Copenha-

за ними

gen, 1953; Brongersma-Sanders, 1957).

-

хищных рыб и морских млекопи-

приводило

к


Г Н Батурин. Металлоносность биогенных фосфатных отложений Майкопского моря и зон апвеллинга

Биопродуктивная шельфовая зона прибреж­

процессов

(Экзогенные ... ,1965;

Лисицьщ

577
1975;

ного апвеллинга у побережья юго-западной Аф­

Кисляков, Щеточкин,

рики (Намибия и ЮАР) простирается примерно

место в майкопских месторождениях. Согласно не­

на

давним наблюдениям (Расулова и др.,

1800 км

от устья реки Кунене до южной око­

2000),

что, вероятно, имело

2006),

зале­

нечности Африки при ширине шельфа от не­

жи костного фосфата, расположенные в депресси­

скольких км до

ях и находящиеся в восстановительной среде, со­

150-200 км

и при общей площади

порядка 3000 км ·
2

храняются и, возможно, продолжают обогащаться

Можно предположить, что при одноактном

массовом заморе ихтиофауны на площади 1ООО км
погибает около 100 ООО т рыбы и на дно поступа­
ет порядка 1О ООО т костей, в которых накаплива­
ется 100 т урана. При тысячекратном повторении
2

таких

эпизодов

100 ООО

количество

урана

возрастет

до

т, что примерно соответствует оценке руд­

металлами за счет циркуляции анаэробных под­
земных вод, в то время как другие залежи, подня­
тые неотектоническими подвижками выше уровня

грунтовых вод, подвержены окислению и разубо­
живаются

в

результате

окисления,

растворения

и

миграции металлов за пределы зоны первоначаль­
ного накопления.

ного потенциала майкопских костеносных отло­

С другой стороны, результаты электронно­

жений. Судя по результатам глубоководного буре­

микроскопического исследования образцов май­

ния в этой зоне, апвеллинговый режим существо­

копских руд также свидетельствуют о некоторых

вал здесь миллионы лет, в течение которых мас­

вторичных минеральных преобразованиях рудного

совые заморы происходили при условиях, анало­

материала, связанных, по-видимому, с эпигенети­

ческими процессами (Расулова и др.,

гичных современным.

Длительность эпохи накопления костных отло­

кав и др.,

2010).

2006;

Шар­

Это позволяет предположить, что

жений в майкопском море также составляла, по­

на раннем этапе формирования руд содержание в

видимому, несколько млн лет, в течение которых та­

них ряда металлов было несколько ниже макси­

кие эпизоды повторялись тысячи раз. В то же время

мального (как в большинстве образцов костей с

вполне

массовых

современных шельфов), но в дальнейшем повы­

происхо­

силось под воздействием эпигенетических про­

вероятно,

заморов
дило

что

накопление

на дне

при

и

при

отсутствии

костного

материала

естественном

отмирании ихтио­

цессов

циркуляции в осадочной толще рудо­

-

фауны, которая концентрировалась в ограниченных

носных растворов, обогащенных металлами, из­

по площади зонах прибрежного апвеллинга.

влекаемыми из дренируемых пород.

Результаты морских геохимических исследо­

О реальности такого сценария свидетельствует,

в

в частности, феномен Челекена (у юго-восточного

морских бассейнах питается стоком с окружаю­

побережья Каспия), где металлоносные гидротер­

щей суши, наиболее интенсивным при высоком

мы достигают дневной поверхности и высачива­

отношении площади водосбора к площади бас­

ются в течение по крайней мере нескольких по­

ваний

свидетельствуют,

что

рудный

процесс

сейна, что в полной мере относится к изолирован­

следних

ному от Мирового океана майкопскому морю, в

Никитина,

десятилетий

(Лебедев,

1975;

Лебедев,

1983).

ме­

Более того, при выполнении буровых работ в

таллов могла быть выше, чем в современном океа­

пределах рудного поля месторождения Меловое

не. Уран, молибден и некоторые сопутствующие

из скважин фонтанировала горячая вода, о соста­

металлы накапливаются в мелководных прибреж­

ве которой, к сожалению, ничего не сообщалось

ных осадках, обогащенных органическим вещест­

(Шаркав, Печенкин,

водах

которого

концентрация

растворенных

2009).

вом, и еще более интенсивно в биогенном фосфат­

В целом приведенные данные позволяет сде­

ном материале, до величин порядка 10-3-10-2 % U,

лать вывод, что описанный выше процесс накоп­

что наблюдается, как было показано выше, в со­

ления ураноносных костей на современном шель­

временных осадках океана и некоторых морей

фе Намибии является уменьшенной копией более

(Батурин,

масштабного, но близкого по сути рудного про-

1975, 1978, 2004).

Условия для более интенсивного накопления
металлов в костях возникают на постседимента­

ционной

стадии

в

результате

эпигенетических

цесса в майкопском бассейне.

!i

В качестве альтернативы этой концепции при­
водилась гипотеза о вулканогенном происхожде-


Глава

578

IV.

События и факторы эволюции биосферы

нии металлоносных костных отложений, включая

6.

Майкопский костный фосфат подвергался

все звенья рудного процесса и сопряженных явле­

в определенной степени дополнительному обога­

ний: поставку вулканами фосфора как источника

щению некоторыми микроэлементами

биопродуктвности, поставку урана, РЗЭ и цвет­

щественно редкоземельными) в результате эпиге­

ных металлов для формирования руд, поставку

нетических процессов.

железа и серы для формирования пирита, постав­
ку сероводорода как первопричины массовых за­

моров фауны (Шарков,
ченкин,

1963-2008;

Шарков, Пе­

2010).

ключить,

что

сопоставление

такое

давно

позволяет

известное

и

за­

распро­

страненное в осадочных комплексах явление, как

металлоносные «рыбные кладбища» (Блох, Коче­

Для обоснования этой гипотезы требуются со­
ответствующие весомые доводы из области вулка­
нологии,

Выполненное

(преиму­

геохимии

и

океанологии,

которые

пока

отсутствуют.

нов,

1964),

крупнейшими из которых являются

ураново-редкометальные

месторождения

Ман­

гышлака и Калмыкии, обусловлено специфиче­
скими условиями осадочного процесса в биоло­
гически продуктивных окраинных частях древних

и современных бассейнов.

Заключение
Приведенные

данные

свидетельствуют,

что

рудоносные майкопские костные отложения мио­

Литература

ценового моря и современные костные брекчии на

Батурин Г Н

дне океана близки по ряду основных показателей,

креции

включая следующие.

Западной Африки

1.

Фациальные условия рудного процесса обу­

словлены процессами биогенного осадконакопле­
ния в мелководной среде в пределах зоны макси­

мальной биологической продуктивности. Накоп­

(1969)

в

Аутигенные фосфоритовые кон­

современных

//

осадках

шельфа

Докл. АН СССР. Т.

1359-1362.
Батурин Г Н (2008)
Докл. РАН. Т.

421.
(1974)

Батурин Г Н

№

2.

С.

2.

О геологических последствиях

современные отложения обогащены, с одной сто­
роны, органическим веществом и биогенным фос­

фором, а с другой стороны

-

одинаковым или

близким комплексом микроэлементов.

3.

ной фазе и находится преимущественно в форме
уранинита и коффинита.
В рудном материале в обоих случаях кон­

центрируются те же микроэлементы, которые при­
сутствуют

в

относительно

рассеянном

виде

во

вмещающих осадках.

5.

Основной

и

особенно

морской геологии. Т.

Батурин Г Н

(1975)

2.

С.

Уран

(2001)

// Геология

Междун. школы

224-227.
в

современном

осадкообразвании. М.: Атомиздат.
Батурин Г Н

Океано­

фации в зо­

нах прибрежного океанского апвеллинга

XVIII

//

морском

152 с.

Уран и торий в фосфатизирован­

ных костных остатках со дна океана //Литология и
полез. ископаемые. №

Накапливающийся как в ископаемых, так и

в современных костях уран приурочен к фосфат­

4.

1974. Т. 14. № 3. С. 101-105.
Батурин Г Н (2009) Современные рудные
морей и океанов. Матер.

Вмещающие костный фосфат майкопские и

//

234-239.

логия.

бассейна.

6.

Металлоносность майкопских ко­

тате как естественного отмирания фауны, так и в
существования майкопского

№

стных брекчий и костного детрита со дна океана

массовых заморов ихтиофауны в океане

ной части времени

Юго­

С.

ление костного материала происходило в резуль­

результате массовых заморов в течение значитель­

189.

микроэлементный

состав костного фосфата в майкопской руде бли­

2. С. 115-125.
(1978) Фосфориты на дне океанов.
М.: Наука. 230 с.
Батурин Г Н (2004) Фосфатонакопление в океане.
М.: Наука. 464 с.
Батурин Г Н (2011) О геохимии рудных костных от­
ложений Майкопского моря // Докл. РАН. Т. 237.
№ 3. С. 384-388
Батурин Г Н, Блисковский В. 3. (1974) Редкие элемен­
Батурин Г Н

ты в костном фосфате со дна океана// Литология и
полез. ископаемые. №

1.

С.

Батурин Г Н, Дубинчук В. Т

101-103.
(2011) Генезис

минералов

зок к таковому в костях рыб и морских млекопи­

урана и редких земель в костном детрите редкоме­

тающих, накапливающихся на современном шель­

тальных месторождений

фе Намибии.

С.

506-509.

//

Докл. РАН. Т.

438.

№

4.


Г Н. Батурин. Металлоносность биогенных фосфатных отложений Майкопского моря и зон апвеллинга

Батурин Г Н., Дубинчук В. Т

О составе фосфа­

(2003)

МашковцевГ А., КоченовА. В., Халдей Е. А.

579

(1995)

ротермально-осадочном

тология и полез. ископаемые. №

ных урановых месторождений в фанерозойских де­

Батурин Г Н., Колесов ГМ
лы в

С.

3.

313-323.

Благородные метал­

(2009)

и фосфатных отложениях океана

Fe-Mn

//

Гео­

XVIII Междун. шко­
лы мор. геологии. М.: ИОРАН. Т. 2. С. 232-235.
Батурин Г Н., Орешкин В. Н. (1984) Поведение кадмия
в костном детрите со дна океана// Геохимия. № 8.
с. 1231-1237.
Батурин Г Н., Тамбиев С Б., Ляпунов СМ (1986) Ред­
логия морей и океанов. Матер.

коземельные элементы в биогенных фосфатах со
дна океана// Геохимии. №
Батурин Г Н., Юшина И Г
ных

осадков

и

11. С. 1636-1643.
(2002) О геохимии биоген­

фосфатных

микроконкреций

шельфе Намибии// Геохимия. №
Блох А. М, Коченов А. В.

(1964)

С.

11.

на

1218-1228.

Элементы-примеси в ко­

рудообразование в осадочных породах. М.: Наука.
с.

37-51.

Машковцев Г А., Мигута А. К., Щеточкин В. Н.
евой база урана
С.

Блисковский В.

Вещественный состав и обога­

3. (1983)

тимость фосфоритовых руд. М.: Недра.
Виноградов А. П.

(1962)

200 с.

ских элеменmв в главных типах изверженных горных

пород земной коры// Геохимия. №
Виноградов А. П.
М.: Наука.
Дубинин А. В.

( 1967)

216 с.
(2006)

95.

с.

555-571.

(1973)

эле­

360 с.

!! Литология и полез. ископаемые.
160-166.
Нифонтов Р В. ( 1960) К вопросу о хемогенной золо­
го Мангышлака

№

6.

с.

тоносности

Распределение и состав илов на

//

Тр. ИОАН СССР.

(2000)

дообразование. М.: Геоинформмарк.

Гидрогенное ру­

612

с.

и ее зна­

Закономерности размещения полезных иско­
М.:

//
58-62.

Изд-во АН СССР.

4. Россыпи.

Минералогия месторождения

(1960)

Меловое на Мангышлаке

//

Осадочные месторож­

дения урана СССР. М.: БИМС. С.
Расулова С Д,

Т.

Тарханова ГА.,

29-53.

Каминов Б. Ю.

(2008)

Особенности формирования Балковского экзогенно­
цена// Поиски и разведка. №

(1968)

(1973)

Форма нахождения урана в фосфатных остатках ис­
копаемых рыб// Советская геология. №
Коченов А. В., Зиновьев В. В.

(1960)

3.

С.

69-77.

Распределение ред­

коземельных элементов в фосфатных остатках рыб из
майкопских отложений! Геохимия. №

8.

С.

714-725.
(1970)

Коченов А. В., Мстиславский М М, Столяров А. С

Ископаемые металлоносные залежи костного дет­

Состояние и задачи советской литоло­

165-171.
(1996)

Коченов А. В., Столяров А. С

11.

С.

18-23.

Особенности осадкообразования на

шельфе юго-западной Африки// Литология и полез.
ископаемые. №

4.

С.

108-111.
(2004)

Верхнеолигоценовые

отложения Предкавказья, Волго-Дона и Мангышла­
ка (Центральная часть Восточного Паратетиса). Со­

Коченов А. В., Дубинчук В. Т, Гермогенова Е. В.

гии. М.: Наука. С.

с.

!!

Столяров А. С., Ивлева Е. И

Кисляков Я М, Щеточкин В. Н.

!!

некоторых осадочных пород

чение для образования россыпных месторожде­

Сенин Ю. М

211-238.

рита рыб

О литологи­

(1968)

эпигенетического месторождения в отложениях мио­

Геохимия редкоземельных

шельфе юго-западной Африки
т.

С.

Основы геохимии океана.

ментов в океане. М.: Наука.
Емельянов Е. М

7.

10.

ческих особенностях майкопских отложений Южно­

Полушкина А. П.

Среднее содержание химиче­

Разведка и охрана недр. №

Мстиславский ММ, Столяров А. С

паемых

с.

//

59-71.

ний

108

(2005)

Роль ВИМСа в создании и развитии минерально-сырь­

ждений редких элементов. Вып.

М.: Недра.

стратиформ­

прессионных структурах// Редкометально-урановое

стном фосфате ископаемых рыб. Геология месторо­

24.

образовании

О гид­

тизированных костей в современных осадках// Ли­

общение
с.

3 //Литология
504-522.

и полез. ископаемые. №

Столяров А. С, Ивлева Е. И
тальные

(1995)

месторождения,

5.

Ураново-редкоме­

связанные

с

пластовыми

концентрациями костного детрита рыб

//

Редкоме­

тально-урановое рудообразвание в осадочных по­
родах. М.: Наука. С.

200-222.

Столяров А. С., Ивлева Е. И, Ре.харская В. М

(1991)

Ме­

таллоносность ископаемых залежей костного дет­

!! Литология и
61-71.
(1995) Металлоносность

рита рыб в майкопских отложениях

Проблема генезиса

марганцевых и ураново-редкометальных руд в май­

копской формации

// Литология и полез. ископае­
мые. №. 2. С. 182-195.
Лебедев Л. М (1975) Современные рудообразующие
системы. М.: Недра. 262 с.
Лебедев Л. М, Никитина И Б. (1983) Челекенская ру­
дообразующая система. М.: Наука. 240 с.
Лисицын А. К. (1975) Гидрогеохимия рудообразования

полез. ископаемые. №

1.

С.

Столяров А. С, Коченов А. В.

майкопских отложений Мангышлака// Литология и
полез. ископаемые. №

2.

С.

Столяров А. С., Шарков А. А.

161-172.
(1976) О некоторых

осо­

бенностях седиментации в морском олигоценовом
бассейне Южного Мангышлака// Бюлл. МОИП. Отд.

геол. №

6.

Холодов В. Н.

С.

20-32.
(1995) Модель

/;
элизионной рудообразую­

(на примене экзогенных эпигенетических урановых

щей системы и некоторые проблемы гиротермально­

руд). М.: Недра.

осадочного рудогенеза

248

с.

!!

Редкометальное гидротер-


Глава

580

IV.

События и факторы эволюции биосферы

мально-осадочное рудообразования в осадочных по­
родах. М.: Наука. С.

Цеховский Ю. Г, Столяров А. С., Соколова Е. А.
Литолого-фациальная

и

(1998)

палеогеографическая

об­

становки позднего олигоцена и раннего миоцена на

территории бывшего СССР

11

Геологические и био­

тические события позднего эоцена-раннего олиго­

цена. Ч.

2.

Шарков А. А.

М.: ГЕОС. С.

(1963)

124-138.

Литология рыбной подсвиты верх­

него олигоцена Южного Мангышлака// Литология
и полез. ископаемые. №

Шарков А. А.

(2005)

2.

С.

262-272.

О генезисе органогенно-фосфатных

месторождений урана и редких земель Мангышлака

11 Отечественная геология. № 6. С. 29-41.
Шарков А. А. (2000) Особенности строения

и условия

образования органогенно-фосфатных месторожде­
ний урана и редких земель Южного Мангышлака//
Литология и полез. ископаемые. №
Шарков А. А.

(2008)

3.

С.

290-307.

Ураново-редкометальные месторо­

ждения Мангышлака

М.: «Связь-Принт».

и

220

Калмыкии,

их

генезис.

с.

Шарков А. А., Иванов В. В., Школьник Э. Л, Кононов В. В.,
Колесова П Г

(2010)

Минералогпя

органогенно­

фосфатных руд ураново-редкометальных месторо­
ждений Мангышлака и Калмыкии. М.: САМ Поли­

графист.

142

с.

Шарков А. А., Печенкин И Г

(2009)

Ураново-редкоме­

тальное месторождение Меловое органогенно-фос­
фатного типа на Мангышлаке. М.:
графист».

116 с.

Экзогенные эrшгенетические месторождения урана (ус­

ловия образования)

10--32.

САМ «Поли­

(1965) Под ред. А. И. Перель­
324 с.
BremnerJ. М (1978) Sediтents on the continental тargin
off South-West Africa between Sylvia Hill and the
Kunene River. Ph. D. Тhesis. Univ. Саре Town. 300 р.
Brongersma-Sanders М (1957) Mass тortality n the sea //
Geol. Soc. Атеr. Мет. V. 67. Pt. 1. Р. 941-1010.
Brongersma-Sanders М, Stephan К. М, Kwee Т G., De Bruin G. (1980) Distribution of тinor eleтents in cores
froт the Southwest Africa with notes on plankton and
fish тortality // Mar. Geol. V. 37. № 1. Р. 91-132.
Calvert S. Е., Price N В. (1983) Geocheтistry of Naтibi­
an shelf sediтents // Coastal upwelling - its sediтent
record / Eds. Е. Suess, У. Тhiede. N. У.: Plenuт Press.
Pt. А. Р. 337-375.
Copenhagen W J. (1934) Occurrence of sulfides in certain
areas of the sea bottoт on the South Africa coast // Invest. Rep. Fish. Mar. Biol. Surv. S. Afr. № 11(3). 18 р.
Copenhagen W J (1957) Тhе periodic тortality offish in the
Walvis region: А phenoтenon within the Benguela Current // lnvest. Rep. Dep. Comm. and Fish. № 14. Р. 1-15.
Gromet L. Р., Dyтek R. F., Haskin L. А., Korotev R. 1 (1984)
Geochiт. et cosтochiт. acta. 1984. V. 48. № 12.
Р. 2469-2482.
RytherJ. Н. (1970) Photosynthesis and fish production in
the Sea// Science. V. 166. № 3901. Р. 72-76.
Turekian К., Wedepohl К. Н. (1961) Distribution of eleтents in sоте тajor units of the earth crust // Bull.
Geol. Soc. Ат. V. 72. № 2. Р. 175-190.
мана.


ИЗМЕНЕНИЯ КАРБОНАТНОГО РАВНОВЕСИЯ ВОД МИРОВОГО ОКЕАНА В ПРОШЛОМ

II. ll. lvfаккавеев
Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН

makkaveev5 5@mail. rи

Существует прямая связь между содержанием двуокиси углерода (СО 2 ) в атмосфере и климатом Земли.
Углерод атмосферы и углерод Мирового океана связан в единую систему. Во всей истории Земли содержание
углерода в системе «океан

-

атмосфера» подвержено изменениям в виде долговременных трендов, цикличе­

ских изменений и случайных вариаций. Был смоделирован один из возможных сценариев эволюции содержа­

ния углерода и кислотно-восстановительных свойств вод океана. Получена долгопериодная составляющая из­
менчивости карбонатного равновесия вод Мирового океана, связанная с изменением скорости дегазации СО 2

из мантии. На этот тренд накладываются изменения меньшего масштаба времени. Вторые по временному мас­
штабу

-

это квазипериодические изменения с периодом

150-200

млн лет. Изменения карбонатного равновесия

в плейстоцене характеризовались достаточно выраженной цикличностью с периодом около

90-120

тыс. лет,

связанной с прецессией оси врашения Земли и её орбиты и циклами солнечной активности. Современные изме­
нения содержания СО 2 и температуры могут быть результатом как техногенного воздействия, так и естествен­
ной ритмики природных процессов.

мата и биосферы Земли, так и для прогностических

Введение

оценок этих изменений в будушем. Особенно акту­
Карбонатная система вод (растворенные соли

ально это в связи с ведушейся в настоящее время

угольной кислоты и СО 2 во взаимодействии с СО 2

дискуссией о роли парниковых газов в глобальном

атмосферы и твердыми карбонатами) быстро и

I<Лимате Земли и о направленности возможных из­

чутко реагирует на все изменения окружающей

менений климата в ближайшем будушем.

среды. Изменения температуры, давления, биохи­
мической активности вод немедленно будут отра­
жаться как на общем содержании растворенного

1.

Двуокись углерода и климат

неорганического углерода, так и на соотношении

между его формами. Естественно, что на всей ис­

Практически большинством ученых призна­

тории Земли карбонатное равновесие вод Миро­

ется наличие прямой связи между содержанием

вого

двуокиси углерода (СО 2 ) в системе «Океан-атмо­

океана

претерпевало

значительные

измене­

ния. Эти изменения карбонатного равновесия вод

сфера» и климатом Земли. В середине ХХ в. ака­

Мирового океана захватывали не только толщу

демиком К. К. Марковым

(1960)

было показано,

вод Мирового океана, но и другие геосферы, на­

что изменения содержания СО2 и средней темпе­

ходящиеся в контакте с жидкой водой.

ратуры поверхности Земли тесно связаны и вза­

Во всей истории Земли состояние карбонат­
ного равновесия было подвержено изменениям в

имно инициализируют друг друга.

При

повышении

температуры

происходит

из­

рост СО 2 атмосфере. Во-первых, прогрев верхнего

менений и случайных вариаций. Изменения эти

слоя океана приводит к уменьшению растворимо­

виде

долговременных

охватывают

трендов,

временной

циклических

диапазон

от

секунд до

сти газов и усиливается поток СО2 из океана в ат­

времени, сравнимого с возрастом Земли. Знание

мосферу. Во-вторых, при повышении температуры

особенностей естественной изменчивости карбо­

в высоких широтах начинается активноl разру­

натного равновесия различных масштабов необ­

шение берегов, сложенных мерзлотными породами

ходимо как для понимания истории развития кли-

и деградация мерзлоты (термоабразия). В резуль-


582

Глава

IV.

События и факторы эволюции биосферы

захоро­

с прогнозом возможных климатических изменений

ненного во время холодных эпох, поступает в воды

Земли. Сделать прогнозы изменения климатиче­

тате

значительное

количество

углерода,

океана и в атмосферу (Карнаухов,

1960).

Марков,

ских условий Земли можно, изучая закономерно­

ПовьШiение влажности воздуха и темпера­

сти естественной изменчивости карбонатного рав­

1994;

туры атмосферы может вызывать увеличение пло­

новесия различных масштабов времени.

щади болот, что приводит усилению потока СО 2 и
метана (СН 4 ) в атмосферу (Карнаухов,
личение

содержания

(Карнаухов,

СО 2

и

СН 4

в

Уве­

атмосфере

Используя различные палеонтологические

данные и математический аппарат теории карбо­
натного равновесия, можно

попытаться

исследо­

способствует

вать основные изменения содержания растворен­

дальнейшему росту температуры за счет усиления

ного углерода и окислительно-восстановительных

парникового эффекта.

условий вод Мирового океана. Задача в том, что

2001;

Семилетов,

2001).

2005)

Механизм положительных обратных связей
работает и при обратном процессе

нии климата (Марков,

1960).

бы подобрать такой сценарий изменений карбо­

похолода­

натного равновесия в водах Мирового океана, ко­

Понижение средней

торый, во-первых, не противоречит термодинами­

-

вызывает

ческой теории карбонатного равновесия и, во-вто­

увеличение растворимости СО 2 и, следовательно,

рых, согласовывается с известными изменениями

температуры

поверхностного

слоя

вод

Мировой океан поглощает большее количество

в системе «океан-атмосфера» в геологическом

СО 2 , что вызывает уменьшение содержания СО 2 в

прошлом.

атмосфере. Понижение температуры приводит и к

Безусловно, точность проведения таких ре­

уменьшению влажности нижних слоев атмосферы,

конструкций невысока, и относиться к получен­

что приводит к увеличению эффективного излуче­

ным результатам надо с осторожностью, рассмат­

ния Земли и, как следствие, дальнейшему похоло­

ривая их как возможный вариант развития окис­

данию. Увеличение площади ледников и выпадение

лительно-восстановительных условий в системе

снега способствует дальнейшему выхолаживанию

«океан-атмосфера» и ее роли в эволюции Земли.

за счет усиления отражающей способности земной
поверхности.

Методы построения

2.

Таким образом, оба этих процесса (повыше­
ние и понижение глобальной температуры) носят

палеомодели карбонатного

саморазвивающийся характер («эффект домино»).

равновесия

В широко обсуждаемой проблеме «С0 2 и кли­
В результате анализа предшествующих работ

мат», на мой взгляд, есть два часто обсуждаемых
вопроса, на которые до сих пор нет обоснованных

(Маккавеев, Сорохтин,

ответов. Во-первых, что первично

Walker, 1983

-

увеличение

2005; Berner, 1999, 2004;

и др.) бьш предложен метод, сочетаю­

содержания СО 2 в системе «океан-атмосфера»

щий в себе как балансовые подходы, так и термо­

или изменение глобальной температуры? Но этот

динамические расчеты. В основу расчетов были

вопрос, скорее всего, относится к категории вопро­

положены следующие положения.

сов «что первично

-

яйцо или курица». Второй,

более важный вопрос: какой механизм (процесс)

1. На

границе раздела океана и атмосферы

существует равновесие по газовому составу воды

«переключает» периоды с понижением температу­

и воздуха, т. е. наблюдается равенство парциаль­

ры и содержания СО 2 на периоды с увеличением

ного давления газа в двух средах рСО 2 (вода) =

этих величин? К сожалению, проблематично ожи­

= рСО2(атм.).

дать скорого ответа и на этот вопрос.

Наиболее актуальный в настоящее время во­
прос: что же произойдет с климатом в обозримом

2.

Время восстановления карбонатного рав­

новесия при изменении условий в окружающей

кунд до первых минут

уровне знаний вполне возможно делать прогноз

1997; Zeebe et. al., 1999).

изменений в системе «океан-атмосфера». Мож­

- от десятков се­
(Wolf-Gladrow, Riebessel,

среде, по различным оценкам,

и более отдаленном будущем? На современном

Если рассматривать доста­

точно длительные интервалы времени, растворен­

но сказать, что прогноз изменения карбонатного

ная

равновесия в водах Мирового океана тесно связан

карбонаты находятся в состоянии динамического

COz,

ионы угольной кислоты и растворенные


583

П. Н Маккавеев. Изменения карбонатного равновесия вод Мирового океана в прошлом

равновесия и могут быть описаны соответствую­

где: С0 с -

щей системой термодинамических уравнений.

ский углерод в океане, Са 1

В

3.

среднем для

длительного

промежутка

суммарный растворенный неорганиче­
-

запас углерода в ат­

мосфере в форме СО 2 , В 0 с -

суммарная биомасса

времени вода не может быть агрессивной по от­

океана, ее величину для последних

ношению к карбонатам. Если степень насыщения

истории Земли можно считать практически посто­

вод

янной (Развитие жизни ... ,

карбонатами

мала,

повышенная

агрессив­

ность вод по отношению к карбонатам должна
привести к увеличению скорости их растворения

утилизации

углерода

500 млн

ЛВ 1 -

2004);

наземными

лет

скорость

экосистемами,

С другой стороны насыщенность вод карбонатами

400 млн лет.
Подробное описание модели приведено в (Makkaveev, 2007; Маккавеев, Сорохтин, 2005) и в от­

не может быть слишком большой, в этом случае

четах Программ Президиума РАН «Проблемы за­

и,

следовательно,

к

восстановлению равновесия.

массовое выпадение карбонатов достаточно бы­
стро привело бы к состоянию, близкому к равно­
весному.

Есть

свидетельства,

что

осажденные

карбонаты кальция (так же как и сульфаты каль­
ция) присутствуют в древних осадочных породах

любого возраста, по крайней мере для последних

3,5

млрд лет

4.

(Walker, 1983).

Со времени появления жизни в океане на­

чал свою работу «биологический насос». В фоти­
ческом слое происходит обеднение вод карбонат­
ным углеродом, расходуемым на создание нового

органического вещества. Отмершие организмы и
продукты
лежащие

их
ниже

жизнедеятельности
слои,

окисляясь

в

опускаются

в

толще

и

воды

частично переходя в осадки. В первом приближе­
нии можно считать, что величина потока углеро­

да, рост его содержания с глубиной и количество
захораниваемого в осадках будет зависеть от ин­
тенсивности продукционных процессов и общей
Углерод

связан

в

атмосферы

единую

систему.

и

рождения и эволюции биосферы»
«Происхождение

Мирового

Учитывая

океана

основное

биосферы

биологических систем»

и

(2006-2008)

эволюция

(2009-2010).

и

гео­

Расчеты бы­

ли проведены для всей истории существования
Мирового океана

(3,8

млрд лет) до настоящего

времени, шаг по времени был выбран продолжи­
тельностью

10 млн

100 млн

лет для архея и протерозоя,

лет для фанерозоя и

500 лет

для четвер­

тичного периода. Схема расчета и граничные ус­
ловия для различных временных периодов изме­

нялись исходя из имеющихся данных. Так, для
архея

и

протерозоя

основным

источником

для

граничных условий была модель эволюции Земли

( Сорохтин,

Ушаков,

1998, 2002), из которой были

взяты данные о температуре, атмосферном давле­
нии и скорости дегазации мантии. Для фанерозоя
основными данными для расчетов были оценки
осаждения углерода из работ (Будыко, Ранов,
Закруткин,

биомассы водных организмов.

5.

которая значима только последние

1993),

1979;

скорость дегазации мантии из

модели О. Г. Сорохтина и содержание кальция в во­

де по работе

(Berner, 2004).

Расчеты для четвертич­

предположение, что система «океан-атмосфера»

ного периода опирались в основном на данные по

находится в динамическом равновесии по СО 2 и

температуре и содержанию СО 2 в атмосфере, полу­

содержание этого газа на поверхности океана оп­

ченные при расшифровке антарктических кернов

ределяется по закону Генри, а общий запас угле­

льда

рода в

конструкциями температуры Земли (Мохов и др.,

океане зависит от содержания

его на по­

верхности и массы водной биоты (или ее продук­

(Petit et а!., 1999).

Данные были дополнены ре­

2003; Ясманов, 2002; Fischer et а!., 1999).

тивности), можно найти функциональную зави­
симость между общим запасом углерода в океане
и атмосфере.

6.
ан

-

3.

Изменение запаса углерода в системе «оке­

атмосфера» (Мс) будет, главным образом за­

висеть от соотношения скоростей дегазации ман­

тии

(Fc)

и скорости накопления углерода

(Dc)

в

океанических осадках, в первом приближении это
может быть выражено как:

ЛМс =

Fc - Dc =

ЛС0 с

Карбонатное равновесие
в водах архейского океана

Результаты первых оценок, выполненные для

архейского океана (Маккавеев, Сорохтин,

естественно,

очень

неопределенные.

2005),

€лишком

мало данных можно бьmо использовать для зада­

+ ЛСа 1 + ЛВ 0 с + ЛВz,

ния граничных условий при расчетах.


584

Глава

IV. События и

факторы эволюции биосферы

Считается, что в раннем архее могли образо­

возможные условия архейского океана, получил

ваться только мелководные морские бассейны со

минимально возможную величину рН вод

средними глубинами меньше

которые рас­

Его оценки показывают, что при меньшей вели­

экваториальном

чине рН бьmо бы невозможным образование оса­

200 м,

полагались преимущественно

в

2004).

дочных пород из карбонатов и сульфатов кальция.

лет назад, океан

Однако, расчеты, лежащие в основе его оценок,

и тропическом поясах (Развитие жизни ... ,
В позднем архее, около
распространился

на

3 млрд

5,7-5,8 ед.

умеренные

и

приполярные

выполнены со слишком большими упрощениями.

широты. Относительно глубоководные океаниче­

В

ские впадины могли появиться в конце архея.

угольной кислоты и произведение растворимости

Основываясь на составе ювенильного раство­

ра (Богданов и др.,

1978;

Зеленов,

1972)

полагают,

что соленость первичного океана была близка к

частности,

для СаС0 3 и

величины

констант

диссоциации

полагались постоянными, не

CaS0 4

зависящими от температуры и давления.

В период до

3,7 млрд

лет назад проходило

современной. Несколько иным было соотношение

значительное увеличение величины С 101 в океане,

главных солеобразующих ионов. Больше содер­

которая в это время достигала своего абсолютного

жалось хлора и натрия, так называемых «морских

максимума

ионов», и меньше «речных ионов»

-

калия, маг­

ния, кальция, карбонатов. Для расчета состояния

(80-120

мг-ат/л) и затем резко падала

(120-180

мг-ат/л). Это проходило на фоне постоян­

ного снижения величины рН. Можно объяснить

карбонатного равновесия, важен вопрос о содер­

это тем, что при общем похолодании во время

жании в воде ионов кальция и магния. От их со­

раннеархейского оледенения значительно увели­

держания во многом зависит скорость осаждения

чилась растворимость СО 2 в водах Океана. Вто­

карбонатов на дне океана. Отношение

рой максимум содержания С 101 приходится на се­

Ca/Mg

в

глинах осадочного чехла Русской равнины повы­

редину архея, около

шалось от докембрия до триаса практически на по­

вень Мирового океана перекрьm гребни средин­

рядок (Марков,

но-океанических хребтов

1960).

Небольшую интенсивность

3,4 млрд

лет назад, когда уро­

( Сорохтин,

Сорохтин,

осаждения карбонатов кальция в древнем океане

1997).

можно объяснить как недостатком Са в водах, так и

ны рН вод

На это время приходятся и низкие величи­

очень высоким содержанием в водах свободной СО 2

ное СО 2 , стали поступать непосредственно в воду.

и, соответственно, высокой растворимостью СаСО 3 .

Это привело к снижению темпов роста уровня СО 2

Видимо, отличным от современного было и

в атмосфере, за счет перехода ее в ионы [НСО 3 -] и

(5-6

ед.). Продукты дегазации и, глав­

соотношение форм растворенного неорганическо­

[СО 3

го углерода. В современном океане около

ния углерода из вод Океана. Последующее сниже­

содержится в виде иона [НСО 3 -] и от

95 % его
0,5 до 1,5 %

ние содержания

приходится на растворенную СО 2 , остальное при­

совпадает со среднеархейским высокогорным оле­

ходится на ион [СО/-]. В прошлом, от момента

денением

образования гидросферы до

ное увеличение содержания

преобладающая

часть

2,6 млрд

растворенного

могла содержаться в форме СО 2 -

от

Ctot,

лет назад

от

углерода

20

до

80 %

остальная часть приходилась на бикарбо­
2

нат ион. Доля иона [СО 3 -] и недиссоциированной
Величина рН воды первичной гидросферы

6,5-7 ,5

Ctot·

2,9 млрд

и повышение величины рН

лет назад. Последнее значитель­

пришлось на период

Ctot (50-100

2,6 млрд лет

мг-ат/л)

назад, в тоже

время значительно падает величина рН, практиче­
ски до своего минимума за всю историю Земли

-

4,97-5,66 (среднее 5,3) ед. рН.
Практически все архейское время океан на­

кислоты мала.

была около

l. В результате усилилась и скорость выведе­

2

ед. и снижалась до середины

архейского времени почти до

5

ед (рис.

1).

Более

капливал растворенный углерод. Общий его запас
возрастал до тех пор, пока на самой границе архея

и протерозоя

(2,6 млрд

лет назад) не произошла

низкие величины рН были невозможны, посколь­

мощная разгрузка Океана от углерода, сопровож­

ку исключали возможность образования твердых

давшаяся и резким падением содержания СО 2 в

карбонатов. Значительное содержание растворен­

атмосфере. За относительно (в геологическом мас­

ной СО 2 уравновешивалось более высоким, чем в

штабе) краткий период падает общий запас рас­

настоящее время, содержанием ионов [НСО 3 -] и

творенного неорганического углерода в Океане

[СО 3 2-]. Дж. Балкер (Walker, 1983), рассматривая

(с 300 и более 10 г до 10-45·10
18

18

г) и величина


585

П. Н. Маккавеев. Изменения карбонатного равновесия вод Мирового океана в прошлом

200
160

~ 120

"'::;.!..

u1! 80
40
о

4

2

2

7,5
7
6,5
:r:

6

а.

5,5
5
4,5
4

2

600

400

ь
ф

:i:

m

"' 200

о

u"'

о

4

2,5

3

3,5

2

возраст, млрд. лет

Рис.

1.

Динамика карбонатного равновесия в водах океана для эпохи Архея.
ского углерода (мг-ат/л) в поверхностных водах;

держание неорганического углерода в океане 10

18

2-

1-

содержание растворенного неорганиче­

диапазон возможных изменений величины рН;

г С (тонкие линии -

3 - общее со­
пределы возможных величин, толстая линия -

среднее значение). Штриховкой показаны эпохи образования железо-рудных формаций,
среднеархейская,

111- гуронская

Ctot (с 160-180 мг-ат/литр

до

2-10

личина рН увеличивается до

раннеархейская,

1-

11 -

ледниковые эры

мг-ат/литр). Ве­

6-7 ед.

Климатиче­

Мирового океана, да и в последние геологические
этапы этот процесс доминировал над захоронени­

ской реакцией на это событие (или причиной таких

ем его на суше. Максимальная скорость накопле­

изменений) могло стать развитие Гуронского лед­

ния углерода в осадках, около 170· 10 г С/год,

никового

была получена

покрова на

сформировавшемся тогда

12

2, 7 млрд

лет назад (по оценкам

Исходя из предположения, что вся масса де­

О. Г. Сорохтина, более 450· 10 г С/год 2,5 млрд
лет назад). В период 2,9-2,5 млрд лет скорость

газированного из мантии углерода может аккуму­

перехода углерода в осадки сохранялась высокой,

лироваться в 3-х основных резервуарах: атмосфере,

около 100· 10 г С/год и более. Именно после это­

гидросфере и осадочных породах,

бьmа рас­

го периода, согласно реконструкции С. О. Сорох­

считана скорость осаждения углерода на дне. За

тина, уровень содержания СО 2 и атмосферное

исключением последних

лет переход уг­

давление Земли пришли к величинам, близким к

лерода, содержавшегося в атмосфере в виде СО 2 , в

современным. Заметное повышение скорости на-

осадочные породы бьm возможен только через воды

копления углерода в осадках отмечено и в период

континенте

-

12

Моногея.

400 млн

-

12

~


Глава

586

IV.

События и факторы эволюции биосферы

млрд лет назад, что совпадает со временем

Резкое снижение парциального давления СО 2

перекрытия водой срединно-океанических хреб­

на рубеже архея и протерозоя совпало (или приве­

тов. Для эпохи от

лет назад до настояще­

ло) к столь же резкому похолоданию климата. Так,

го времени модель дала величину потока углерода

судя по расчетам, средние температуры земной

3,5-3,3

100 млн

в осадок около 8-9· 10 г С/год. Согласно работе
(Романкевич, Ветров, 1997) в настоящее время за­
12

хоронение углерода в донных осадках составляет

поверхности примерно за

+50 - +60 °С (2,6 млрд
2,5 млрд лет назад). В

100 млн

лет снизились с

лет назад) до

+6 °С

(около

результате сообщество ар­

37-360· 10 12 г С/год, а если принимать во внимание
12
только осадки ложа океана, - 9-22· 10 г С/год.
По оценкам В. Е. Закруткина (1993) и А. Б. Ро­
нова (Будыко, Ронов, 1979), начиная с плейсто­

хейских термофильных прокариот должно было

цена

революционная

скорость

осаждения

углерода

составляет

10-30· 10 12 г С/год.

уступить место более холоднолюбивым бактери­
альным формам раннего протерозоя. С этими со­
бытиями в биоте океанов была связана еще одна

риоты

и,

(Розанов,

4.

перестройка:

в

начале

раннего

протерозоя, по-видимому, появились первые эука­
в

частности,

2003;

одноклеточные

Федонкин,

водоросли

2003; Fedonkin, 2003).

Карбонатное равновесие

Общей тенденцией было увеличение величины

в океанах протерозоя

рН в водах палеозойского океана от
чале эпохи до

Считается, что в раннем протерозое

1,8 млрд

сле

6,5-8,0

значительного

6-7

ед в на­

ед в ее конце. При этом по­

падения

на

границе

архея

и

лет назад уровень океана поднялся над гребнями

протерозоя среднее содержание Ctot снижалось

срединно-океанических хребтов приблизительно

(от

на

запас углерода в Океане хотя и менялся в отдель­

400 м,

т. е. на высоту, превышающую толщину

ные временные эпохи (от 30 до 45·10 18 г С), но ни­

В результате при поступлении СО 2 ниже

какой определенной тенденции выделить было

(Сорохтин,

фотического слоя сильнее шел процесс подкисле­
ния

мг-ат/л до современного уровня), а общий

Сорохтин,

деятельного слоя океана

1997).

4-8

вод,

а

скорость

выведения

углерода

из

нельзя (рис.

2).

Гуронское (раннепротерозойское) оледенение

вод

Океана увеличилась из-за гидратации базальтовой

сопровождалось

океанической коры. По мнению большинства ис­

держания С 101 и увеличением величины рН (почти

следователей, соленость протерозойского океана

на

была близка к современной. Однако Н. М. Стра­

Океане. Воды архейского океана, теплые и с низ­

хов,

кой величиной рН могли растворять значительное

основываясь

на

исследовании

слоистости

0,5

значительным

уменьшением

со­

ед.). Снизился и общий запас углерода в

железистых кварцитов этого времени, считал, что

количество солей металлов. После резкого похо­

содержание солей в водах было невысоким (Мар­

лодания в начале протерозоя, и снижения уровня

ков,

1960).

растворенной СО 2 могло произойти массовое вы­

Океан в среднем протерозое и рифее, вероят­

падение из океанских вод различных рудных эле­

нее всего, характеризовался устойчивой страти­

ментов. Предполагается, что так

фикацией со стагнацией глубинных вод, о чем, в

назад произошло образование крупных месторо­

частности, говорит широкое развитие в это время

ждений золота, урана, меди и полиметаллических

черных сланцев (Развитие жизни ... ,

руд ( Сорохтин, Ушаков,

блемы зарождения и эволюции ... ,

2004; Про­
2008). Застой­

Период около

2002).
2,2-1,8 млрд

2,5-2,3

млрд лет

лет назад в геоло­

ный тип стратификации водоемов, помимо проче­

гической летописи Земли очень четко фиксируется

го,

и значительному накоплению

началом массового отложения железорудных фор­

растворенного неорганического углерода во всех

маций раннего протерозоя. Эти формации встре­

его формах, и особенно в форме СО 2 , как, напри­

чаются практически на всех континентах, и счита­

мер, происходит последние

ется, что они образовались практически одновре­

способствует

1О

тыс. лет в анаэроб­

ных водах Черного моря. Застойная стратифика­

менно. На долю отложений этого возраста прихо­

ция вод Океана, по-видимому, продолжалась до

дится

эпохи оледенений,

конце рифея

рохтин, Ушаков,

и Гондвану.

чина рН океанических вод устойчиво перешла ве-

(около

охватившей в

800 млн лет назад) Лавразию

70-75 %

мировых запасов железных руд (Со­

2002).

В это время средняя вели­


П. Н. Маккавеев. Изменения карбонатного равновесия вод Мирового океана в прошлом

587

50

1

ro

40

о
ф

::i:

30

"'g/
о

ID

20

()
()

~

10

"'"'

о

2,5

1,5

о

0,5

9

2

8

~7
6

5
1,5

2,5

о

0,5

8

3
6

~

"'::;;
~

4

J
2

о

2,5

1,5

2

о

0,5

возраст, млрд. лет

Рис.

2.

Динамика карбонатного равновесия в водах океана для эпохи протерозоя.

го углерода в океане 10
верхностных водах;

3-

личин, толстая линия
1и11

личину

-

-

18

г С; 2 -

1 - общее содержание неорганическо­
величина содержания растворенного неорганического углерода (мг-ат/л) в по­

диапазон возможных изменений величины рН (тонкие линии

-

пределы возможных ве­

среднее значение). Штриховкой показана эпоха образования железо-рудных формаций,

ледниковые эры

6,5-7,0

ед. То есть воды океана из слабо­

кислых становятся нейтральными, что не могло
не отразиться на резком уменьшении растворимо­

поступать в воды, располагающиеся ниже основ­
ного термоклина.

В период с

1,8

до

1,4 млрд

лет общий запас

сти солей металлов. Концентрация общего неор­

углерода в океане и величина рН возрастали. За­

ганического

тем до

углерода продолжала падать,

но

его

1 млрд лет назад проходило значительное
Ctot и общего запаса углерода. Величина

запас в Океане даже незначительно вырос за счет

снижение

увеличения объема вод океана. Этот период, роста

рН в этот период изменялась мало, хотя в отдель­

общего запаса углерода окончился

ные временные промежутки наблюдалась и тен­

1,8

млрд лет

назад, когда величины рН и С 101 и общий запас уг­

денция к ее снижению, что может говорить

лерода в водах снизились. Это произошло, когда

вышении уровня содержания в воде растворенной

по модели О. Г. Сорохтина углерод, выделяющий­

СО 2 . В конце протерозоя

ся в зонах срединно-океанических хребтов, стал

выделяется

(0,8--0,6

Позднерифейская

1t

по­

млрд лет назад)

эра

оледенений.


588

Глава

IV.

События и факторы эволюции биосферы

8,08
8,04

t

8,00
----;-----;-

7,96

1
1

6
:s:

5

~

4

ID

3

"'q
о

(.)

"'~

600

500

___ ..,,..,---

___ .... ,

7,92
400

1

300

200

100

о

300

200

100

о

1

:~\

2

о

i::

о

600

500

400

32

"

а

~

::;

'"

(.)

28
24
20
16
12

/": \\

8000
::;

,

!
--to-........_
//
7

'

.... 6000

"'"'

1

,

,,v

4000

1'...,/

11 / ' ....

-......-N

1,

о

'
\

1

~

\

11

__,.,
,,-

1

а.

!

,

1

1

•

i:i

о
о

i::;

1

(J

'-.1

'")

02

30

а.

:s:

"'

:4

1 '

1

1

25
20
15

\
\
\

1

' '~

,'pd:02
1

1
1

11 / '

1

'-,- - \~

35
~

1
1
1

1

(.)

2000

1

'

;
1

о

:з

/\

8

N

40

1

1

'~

о

600

500

400

300

200

100

о

возраст, млн.лет

Рис. З.

Изменения в поверхностных водах океана для эпохи Фанерозоя. 1 - величины рН; 2 - скорости накопления кар­
10
бонатного углерода в осадках 1О т углерода в тыс. лет; 3 - _содержания кальция (мМоль) по работе (Вегпег, 2004);
4 - содержания кислорода в атмосфере в% по работе (Berner, 1999); 5 - величины парциального давления СО 2 .
Сплошной линией показаны данные, полученные по работе (Будыко, Ранов, 1979), пунктиром - по работе (Закрут­
кин, 1993). Точками отмечены оценки величины рСО2 из литературных источников

Она характеризовалась повышением общего запа­

тин, Ушаков,

са углерода в океане (видимо, за счет увеличения

назад жизнь выходит на сушу, и с тех пор появля­

его растворимости в водах), ростом величины С 101

ется новая составляющая баланса углерода

и значительным увеличением рН.

связывание его наземными экосистемами. Макси­

2002).

Приблизительно

400 млн

лет

-

мальная интенсивность углеобразования прихо­
дится на верхний карбон, пермь и послемеловое

5.

Карбонатное равновесие

время (Марков,

в океанах фанерозоя

1960).

Во время фанерозоя происходит еще

одно

знаменательное событие в биологии. Скелеты вод­
После ледникового периода в конце рифея

ных организмов кембрийского времени не имели

появляются все группы животного и растительно­

известковых скелетов,

го мира, в результате чего морские экосистемы и

хитина и кремнезема (Проблемы зарождения и эво­

трофическая цепь приобретают современный облик

люции ... ,

(Проблемы зарождения и эволюции".,

нейшем же организмы с известковым скелетом

2008;

Сорох-

2008;

а состояли в основном из

Развитие жизни ... ,

2004).

В даль­


589

П. Н. Маккавеев. Изменения карбонатного равновесия вод Мирового океана в прошлом

широко распространяются в океане, образуя наи­

удовлетворительным,

более массовые виды его населения. По совре­

применением

менным оценкам, это событие произошло между

осадок по А. Б. Ронову.

600-500 млн

лет назад. По мнению Я. В. Самой­

Начало

особенно

расчетов

с

перехода

карбонатов

в

отмечено

значительным

скорости
фанерозоя

для

лова, это бьmо вызвано недостатком кальция в во­

падением как рСО 2 так и

де; по мнению А. П. Виноградова и Н. М. Стра­

не окончания позднерифейской эры оледенений.

хова, основной причиной отсутствия организмов

Наиболее низкие значения этих величин приходи­

с известковым скелетом бьm слишком высокий

лись, видимо, на первую половину кембрия. Затем в

Ctot,

проходящем на фо­

уровень содержания СОъ что затрудняло для мор­

течение всего ордовика и силура проходило накоп­

ских организмов извлечение из воды СаС0 3 . Мож­

ление углерода в атмосфере и в Океане. Макси­

но предположить и существование других причин,

мальные величины рСО 2 так и С 101 приходились на

например, с чисто химической точки зрения, фак­

границу силура и девона (почти до 7000 млн- 1 атм. и

тором препятствующим образованию карбонатных

9 мг-ат/л соответственно).

скелетов может выступать и неблагоприятное со­

На протяжении всего девона и половины кар­
бона шла интенсивная разгрузка Океана от угле­

отношение главных ионов океанской воды.

Исследования Я. В. Самойловым солей Соли­

рода. Минимальные значения как рСО 2 , так и С 101

камского и Стасфурского месторождений показали,

приходились на середину карбона. Во второй по­

что в пермское время (Цхештеновое море) основ­

ловине карбона, всей пермской эпохи и большей

ной солевой состав вод был близок к современно­

части

му. Только несколько выше было относительное

углерода в водах Океана и повышение уровня СО 2

содержание ионов хлора и натрия, ниже современ­

как в атмосфере, так и в океане. Наибольшие их

триаса опять

шло

увеличение

содержания

ного содержание магния. Содержание же кальция

величины приходились, видимо, на конец триаса

осталось практически неизменным. Н. М. Страхов

или его границу с юрой (С 101 около

отмечал, что широко распространенные в верхне­

рСО2-2500 млн- атм). Всю юрскую эпоху и почти

меловое время фораминиферы, кораллы, брахио­

всю

поды, морские ежи и головоногие моллюски очень

дающаяся падением С 101 (до

чувствительны к отклонениям солености и, по его

1000-1200 млн- 1 атм).

мнению, солевой состав Мирового океана отличал­

(хотя и меньшее, чем два предьщущих) повыше­

ся стабильностью.

ние уровня содержания углерода в Океане про­

Существующие реконструкции химического
состава

1979;

атмосферы

Лапенис,

1984;

(например, Будыко,
Монин,

1977

мг-ат/л,

меловую

шла

разгрузка

5

океана,

сопровож­

мг-ат/л) и рСО2 (до

Последнее

значительное

изошло на границе мела и палеогена.

Ранов,

и многие дру­

8

1

Величина рН вод океана фанерозоя менялась
меньше по сравнению с археем и палеозоем (рис.

3).

гие) показывают, что в мезозое и кайнозое вели­

Весь период с

чина парциального давления СО 2 в атмосфере

времени проходил плавный рост величины рН от

1

500 млн лет

назад до настоящего

могла достигать 1000-2000 млн- атм. По прове­

7,92-7,99

денным расчетам рСО 2 в поверхностных водах

за

Океана, а следовательно и в атмосфере, могла в

могло быть незначительное падение этой величи­

одни

ны. Период

периоды фанерозоя превышать и 30007000 млн- 1 атм., а в другие снижаться практически
до современных величин. На рис. 3 показано изме­
нение величины рСО 2 для периода от 600 млн лет
назад до настоящего времени. Расчеты были про­

ед. до

7,98-8,10 ед. в настоящее время,
исключением периода 470-380 млн лет, когда
350-250 млн

чительным падением величины рСО 2 в поверхно­

стных водах океана (следовательно, и в атмосфере)
совпадает с повышением содержания в атмосфере

ведены с применением данных о скорости осаж­

кислорода

дения углерода А. Б. Ронова (Будьиш, Ранов,

растворенного кальция

и из работы В. Е. Закруткина

(1993).

1979)

На этот график

лет назад с относительно

небольшим увеличением величины рН и со зна­

риации

(Berner, 1999) и спадом содержания
(Berner, 2004). Слабые ва­
величины рН (около 0,2 ед. рН) относи­

точками нанесены данные о величине парциаль­

тельно изменчивости других компонентов карбо­

ного давления СО 2 для различных эпох по работе

натной системы в эту эпоху свидетельств)tот о

(Монин, Шишков,

том,

1979).

Для подобного рода рас­

четов совпадение величин можно считать вполне

что

карбонатная

система

океана

обладала

большей буферной емкостью. Значительные изме-


590

Глава

IV. События и факторы эволюции биосферы
300-500

благодаря постоянной разгрузке вод от избыточ­

до 3000-7000 млн- атм.) и содержания С 101 (от

ной углекислоты создаются подходящие условия,

пения содержания СО 2 в атмосфере (от
1

1,8-2,2

до

12-25

мг-ат/л) слабо отражались на

окислительно-восстановительных

условиях

Мирового

окислительно­

океана.

Стабильность

восстановительных

свойств

позволяла

вод

то есть карбонатная система должна компенсиро­
вать постоянный отток С0 2 из воды в атмосферу.

океану

Изменения карбонатного

6.

поддерживать благоприятные условия для разви­

тия водной биоты в это геологическое время.

равновесия в океане

Можно отметить существование циклических

четвертичного периода

изменений условий карбонатного равновесия Океа­
на в фанерозое с периодом

150-200 млн лет.

Мировой океан в четвертичное время прак­

По

аналогии с приведенными в работе (Монин, Шиш­

тически

ков,

полностью

имел

современные

черты.

данными о периодичности тектонико­

Объем вод и средняя глубина испытывали не­

магматических эпох (ТМЭ) можно предположить,

большие изменения, главным образом вызванные

что эти изменения будут отражать изменчивость,

связыванием части воды в ледниковых шапках и

1979)

связанную с ритмами циклов конвекции вещества в

мерзлотных породах. Видовой состав водной био­

мантии Земли. В подкрепление этого предположе­

ты и структура трофических связей мало отлича­

ния можно использовать и то, что оценки времени

лись от современной эпохи. Расчеты показали,

возврата в систему «океан-атмосфера» захоро­

что за это время средняя величина рН поверхно­

ненного

в

донных

осадках

углерода

составляют

160-180 млн лет (Кузнецов, 1993).

стных вод менялась от

ды) до

Сравнение результатов расчетов с данными о

пазон

8,23

ед. (в теплые перио­

8,02

ед. (в эпохи похолодания). Весь диа­

возможных

изменений

(обеспечивающий

скорости накопления карбонатов в древних осадках

достаточную степень насыщенности вод карбона­

(Будыко, Ранов,

тами кальция и магния) величины рН в поверхно­

1979:

Закруткин,

1993) показыва­

ет,_ что эпохи с большим объемом карбонатных

стных водах в четвертичное время

пород не совпадают с эпохами высокого содержа­

8,32

ния

стных вод бьшо от 274 до 448 млн- атм. На рис. 4

углерода

Наибольшая

в

системе

интенсивность

«океан-атмосфера».

накопления

карбо­

от

-

7,95

до

ед. Изменение величины рСО 2 для поверхно­
1

видны достаточно четкие изменения

периодом

натных осадков совпадает со временем разгрузки

около

океана и атмосферы от углерода, накопленного в

чинами рН и минимальными рСО 2 в поверхност­

предыдущие эпохи.

ном слое приходятся приблизительно на

Это можно объяснить тем,

и

100 тыс.

с

лет. Эпохи с максимальными вели­

350 тыс.

лет назад. Максимумы величины

что постоянный рост содержания СО 2 в атмосфе­

260

ре и в Океане будет скорее препятствовать осаж­

рСО2 и минимальные значения рН были

дению карбонатов. Будет требоваться постоянное

240, 330

и

25, 140,

410 тыс.

5, 130,

лет назад.

увеличение содержания ионов угольной кислоты

Цикличность изменений карбонатного равно­

для поддержания системы в равновесном состоя­

весия в четвертичное время может быть соотне­

нии. Напротив, падение общего уровня содержания

сена с циклическими изменениями климата, свя­

СО 2 вызовет увеличение рН, уменьшение произ­

занными с прецессией оси вращения Земли и ее

ведения растворимости карбонатов и осаждение

орбиты. Во всяком случае в изменении величин

части ионов [НСО 3 -] и [СО 3

рН и рСО 2 поверхностных вод можно выделить

2
-]

в виде различных

соединений (как правило, карбонатов кальция и

цикличность, близкую к циклам Миланковича, ко­

магния) до достижения нового равновесного со­

торые составляют около

стояния. Это может объяснить и тот факт, что в

или, скорее, к результирующей наложения этих

современной эпохе, характеризующейся достаточно

циклов прецессии земной орбиты при вращении

тыс. лет (Бялко,

вокруг Солнца

блюдаются условия способствующие хемогенно­

2005). На фоне этих циклических изменений ве­

му осаждению карбонатов. Исключение состав­

личин рН и рСО 2 , наблюдаются многочисленные

ляют некоторые ограниченные бассейны (напри­

неравномерные осцилляцияции. Это может быть

мер, озеро Иссык-Куль и Каспийское море), где

отражением

22

40 тыс.

1989),

постоянным ростом атмосферной СО 2 , редко на­

-

и

21

значительных

лет (Большаков,

колебаний

исходных


591

П. Н. Маккавеев. Изменения карбонатного равновесия вод Мирового океана в прошлом

25000

440
....

923

ф

400

с:
с)

.... 20000
]j

360

О.

Е

а.

320

а.

280

.о 15000
....
u
о

:i::

....
о

240--+~~~-+-~~~-+-~~~~~~---;~~~--i

с:

10000

с:

8,4

~2;

рН

..

.·.·.·

~ Ф.!~

R2

,1;

".

{:

о;

2

j

со

:i::
.о

с:

со
а.

8,3

5000

!;;:

ф

с:

u

8,2

о

0,001

8,1

0,01

0,1

частота, тыс. лет- 1

8,0

v

100
ф

500

300

400

100

200

о

с)

80

]j

....

возраст, тыс. лет

2

92,3

с:

О.

l)

Рис.

4.

Динамика карбонатного равновесия в водах океана

для эпохи плейстоцена. 1 атм);

2-

величина рСО 2 (млн-

1

диапазон возможных величин (тонкие ли­

нии) и средние значения (толстая линия) рН в ед.
шкалы

NBS

для поверхностных вод. Сверху пока­

заны стадии оледенений:

R2 ний:

Рисе; М2

1-

IV -

Вюрм;

R1,

Миндель. Внизу стадии оледене­

-

Калининская,

Московская,

W1, W2, W3-

11 -

Нижневолдайская,

Днелровская,

V-

111 -

~

3,

tiо

:i::

....
о
с:

40

с:
о;

со

:i::
.о

с:

со

20

а.

....

Донская

2 1

39,6

60

.о

"

ф

с:

u

данных по составу атмосферных включений в ле­

о

довые керны (главным образом, из-за погрешности

0,001

определений). С другой стороны, эти колебания

могут характеризовать вариации состава атмосфе­
ры и климата с более коротким временным перио­

92,3

рСО 2 ), как правило, не превышает естественные
вариации содержания СО 2 в атмосфере, наблю­

(Conway et а!., 1994),

и

они могут просто отмечать локальные изменения

химического состава атмосферы на момент обра­
зования газовых включений. Характер изменений
содержания СОъ полученный в результате расчетов,

]j

....

16

'I

а.

g
.....о"

согласуется

и

с

другими,

независимыми

12

u

о

:i::

....
о

8

с:

с:
о;

со

:i::
.о

с:

39,6

4

со

а.

хорошо

з

с)

Кроме того, величина этих отклонений (для

даемые в настоящее время

О, 1

20
ф
с:

дом, например циклов солнечной активности.

0,01

частота, тыс. лет- 1

!;;:

ф

исследованиями. Так, для последних

200 тыс.

лет

с:

u

о

эпохи с низким (менее 290 млн- атм.) и высоким
1
(более 400 млн- атм.) содержанием СО 2 в атмо­
1

0,001

частота, тыс. лет- 1

сфере хорошо согласуются с палеореконструк­
циями климата, выполненными по планктонным

фораминиферам в осадках Охотского моря (Ба­
раш и др.,

2005).

0,1

0,01

~

Рис.

5.

Амплитудно-частотный спектр изменения в поверхностных водах

время величин:

Мирового

1-

рСО2,

океана

2-

С101.

в четвертичное

3-

рН


592

Глава

После

проведения

IV.

События и факторы эволюции биосферы

амrmитудно-частотного

Изменения величин рН и рСО 2 проходило во

кислот­

времени не симметрично. Рост содержания СО 2 в

но-восстановительных условий проявились циклы

поверхностных водах (следовательно, и в атмо­

с периодом около

сфере) и падение величины рН проходили за от­

Циклы

носительно короткий промежуток времени, об­

анализа результатов

92, 40 и 20--30 тыс. лет (рис. 5).
40 тыс. лет в ряду других бьши вьще­
А. Большаковым (Большаков, 2003) как ре­

96

лены В.

палеореконструкции

и

зультирующие циклы воздействия эксцентриситета

ратный

же

Наиболее

процесс

был

выраженный

достаточно длителен.

92

тысячелетний

цикл

орбиты, прецессии и угла наклона земной оси.

разбивается примерно на следующие стадии: фаза

С учетом точности модельных расчетов с этими

роста содержания СО 2

циклами можно соотнести вьщеленные циклы

39,6 тыс. лет.

и

Временной ряд, полученный в модели,

бьш, вероятно, слишком короток (около
чтобы

93

проявился

В. А. Большаковым

еще

125

один

из

400 тыс. лет)

выделяемых

тысячелетний цикл, отра­

жающий основной эксцентриситетный период.

падения СО 2

-

же соотношение фаз роста и падения содержания

СО 2 можно ожидать и для более короткопериод­
ной составляющей
хорошо

(23

соотносится

данными.

Уже с середины фанерозоя величина рН по­

- около 20 тыс. лет; фаза
около 60 тыс. лет. Примерно то

с

тыс. лет). Эта асимметрия
палеогляциологическими

Считается, что после максимального

распространения

последнего

европейского

по­

верхностных вод менялась не столь сильно, как в

кровного оледенения

предыдущие эпохи. В этом проявлялась роль кар­

дация ледникового покрова проходила во времени

бонатного равновесия вод как буферной системы,

неравномерно, но с очень высокой скоростью: от

ответственной за поддержание стабильных ки­

190--200 м/год
400-500 м/год

слотно-восстановительных условий вод. Возмож­
но,

с этим связано и то, что частотно-амrmитуд­

ный спектр

Ctot

в поверхностных водах (рис.

5)

за

1969), -

(20-25

тыс. лет назад) дегра­

на начальной стадии деградации до
на поздних стадиях (Чеботарева,

что значительно превышало скорость

его наступления.

время плейстоцена выражен более отчетливо, чем
для величин рН и рСО 2 . Цикл в

92

тыс. лет отчет­

ливо проявляется для всех составляющих карбо­

натного равновесия. Второй по продолжительно­
сти цикл, около

40 тыс.

7.

Прогноз возможных

изменений

лет, проявляется несколь­

ко слабее для величин рН и рСО 2 . Остальные

За последние

400 тыс.

лет неоднократно сме­

циклы проявляются в основном только для вели­

няли друг друга эпохи с теплым и холодным кли­

чины С 101 • Только для его амплитудно-частотного

матом, которые отражались и на состоянии карбо­

спектра выявляются временные интервалы

23, 13,

11и9 тыс. лет.

натного равновесия Мирового океана.

На фоне

изменений в десятки и сотни тысяч лет проходили

Возможно, что полученные в результате мо­

изменения более дробных масштабов, вызванные

и

особенностями переноса вещества в системе «оке­

рСО2 не в полной мере отражают реальные изме­

ан-атмосфера» (глобальная циркуляция океана и

нения в водах океана, поскольку они представля­

атмосферы),

делирования

палеосостава вод

величины рН

циклами

развития

водной

биоты,

ют диапазон возможных изменений, допустимых

биохимическими процессами синтеза и распада

для

карбонатного

органического вещества, синоптическими процес­

равновесия. Возможно и то, что изменения этих

сами и, наконец, процессами химической пере­

величин компенсировались изменениями С 101 • По­

стройки карбонатного равновесия.

термодинамической

теории

скольку растворение или осаждение карбонатного

Расчеты показывают, что сейчас мы находим­

карбонатной

ся на самом пике роста СО 2 . После некоторого

это основ­

времени, когда предсказывался безудержный рост

ные механизмы, позволяющие поддерживать ста­

уровня атмосферной СО 2 и температуры поверх­

бильность кислотно-восстановительных условий

ности Земли, сейчас все большее количество ис­

вод,

углерода

и

переход

компонентов

системы из одной формы в другую

-

растворенного неор­

следователей склоняется к заключению, что в бли­

ганического углерода должно в большей степени

жайшие десятилетия (или столетия) будет ожи­

реагировать на климатические изменения.

даться похолодание климата, снижение уровня СО 2

изменение

содержания


П. Н. Маккавеев. Изменения карбонатного равновесия вод Мирового океана в прошлом

с атмосфере и гидросфере. А в отдаленном буду­

-

щем

новая ледниковая эпоха. Резкое изменение

593

равновесия океана в геологическом прошлом. Ос­
новная ценность данной работы состоит в выра­

содержания парниковых газов в атмосфере (на­

ботке подходов и разработке алгоритмов расчетов

пример, в результате техногенного воздействия)

для исследования изменений химических условий

может при некоторых условиях вызвать увеличе­

(в данном случае карбонатного равновесия и окис­

ние глобальной температуры, но это будет носить

лительно-восстановительных свойств). Результаты

кратковременный (с геологической точки зрения)

расчетов хорошо согласуются со многими геологи­

характер. Расчет орбитальных составляющих из­

ческими и биологическими этапами развития Зем­

менения

ли и не противоречат термодинамической теории

климата

(Большаков,

для

ближайших

100 тыс. лет

показывает, что, если не при­

2003)

карбонатного равновесия.

нимать во внимание антропогенное воздействие,

Наиболее крупномасштабная составляющая

нас ожидает новая ледниковая эра с двумя стадия­

изменчивости карбонатного равновесия связана с

ми оледенения через

лет. Это

планетарными процессами эволюции Земли и де­

совпадает и с результатами анализа естественных

газации мантии. Эта составляющая изменчивости

циклов

изменения

20-21

и

59-60 тыс.

кислотно-восстановительных

в архейское время характеризовалась двумя значи­
тельными пиками (в середине и конце этого геоло­

условий вод океана.

За последний исторический период Европа

гического времени), значительным падением со­

(возможно, и весь остальной мир) пережила три

держания углерода на границе архея и протерозоя.

климатических эпохи: малый климатический оп­

тимум в
в

VIII-XII в.; малый ледниковый период
XIII-XVIII в.; потепление, которое продолжает­

ся

в

настоящее

время.

В

своем

Е. П. Борисенков и В. М. Пасецкий

исследовании

(1988),

про­

анализировав летописные источники более чем за

1ООО

лет, показали, что при переходе от одной

Второй

по

временному

масштабу

состав­

ляющей можно считать квазипериодические из­

менения с периодом

150-200 млн лет,

предполо­

жительно связанные с ритмами циклов конвекции

вещества в мантии Земли.

Изменения карбонатного равновесия и кислот­
но-восстановительных свойств Мирового океана в

климатической эпохи к другой значительно воз­

четвертичное

растает количество метеорологических экстрему­

наложения

мов. С этим эффектом можно связать (с поправ­

занных предположительно с изменениями орби­

кой на временные масштабы) увеличение осцил­

тальных параметров Земли.

время

представляются

нескольких

результатом

естественных циклов,

свя­

ляций величин рН и рСО 2 в периоды перехода от

Характер временной зависимости содержа­

теплого к холодному периодам, полученным при

ния СО 2 и температуры в плейстоцене может на­

моделировании. Смены холодных и теплых эпох

водить

происходят не постепенно год от года, а выража­

уровня атмосферной углекислоты и температуры

ются «в увеличении необычайных природных яв­

земной поверхности не связаны с антропогенным

на

мысль,

что

современное

повышение

лений, в усилении межсезонной изменчивости, в

поступлением парниковых газов, а представляют

длительности группировок особо опасных метео­

фазу естественных циклов изменения содержания

рологических явлений» (Борисенков Е. П., Пасец­

СО 2 в системе «океан-атмосфера». Хотя, воз­

кий,1988). Этот эффект увеличения «метеорологи­

можно,

ческих экстремумов» наблюдается и в настоящее

на естественный ход этих параметров, значитель­

время. В последние десятилетия в различных час­

но ускоряя его во времени.

тях Земли наблюдаются крупные климатические
аномалии, повторяемость которых возрастает.

техногенная

деятельность

накладывается

Рост содержания СО 2 как в атмосфере, так и в
верхнем деятельном слое океана проходит за от­

носительно короткое время (порядка

2-3

тыс лет).

Скорее всего, здесь включается механизм обрат­

Заключение

ных связей, когда рост температуры вызывает вы­

свобождение дополнительного количества СО 2 и

"'

Это один из возможных (по мнению автора,

метана за счет уменьшения растворимости газов в

наиболее вероятных) сценариев эволюции состав­

воде и расконсервации углерода при разрушении

ляющей временной изменчивости карбонатного

мерзлотных пород, увеличении содержания водя-


Глава

594

IV.

События и факторы эволюции биосферы

ного пара в атмосфере. Это в свою очередь вызы­
вает дальнейшее повышение средней глобальной

температуры Земли. Обратное уменьшение тем­
пературы и содержания СО 2 происходит за значи­
тельно большее время. Но предполагается, что и
здесь включался саморазвивающийся процесс с

положительными обратными связями.

Большаков В. А.

(2003)

Новая концепция орбитальной

теории палеоклимата. М.: Из-во МГУ,

Борисенков Е. П., Пасецкий В. М

2003. 256

с.

Тысячелетняя

(1988)

летопись необычных явлений природы. М.: Мысль.

1988. 522 с.
Будыко МИ, Ронов А. Б.

(1979) Эволюция химического
// Геохимия. 1979.

состава атмосферы в фанерозое

или измене­

643-653.
(1989) Наша планета - Земля. М.: Наука.
1989. 237.
Закруткин В. Е. (1993) О масштабах накопления орга­
нического вещества в докембрии и фанерозое //

ния глобальной циркуляции Мирового океана и

Проблемы доантропогенной эволюции биосферы.

№

Неясен механизм, инициирующий смену теп­
лых и холодных периодов. Возможно, это измене­
ния орбитальных характеристик Земли (Больша­

ков,

2003;

Сорохтин, Ушаков,

его уровня (Карнаухов,

1995),

1998)

Семилетов,

1994, 1996;

или другие процессы. Этой проблеме в по­

следние годы посвящено значительное количество

исследований, и их анализ и систематизация

-

5.

С.

БялкоА. В.

М.: Наука,
Зеленов К. К.

1993. С. 202-212.
(1972) Вулканы как

источники рудообра­

зующих компонентов осадочных толщ. М.: Наука.

1972. 207

с.

Карнаухов А. В.

(1994)

Динамика оледенений в Север­

это тема для самостоятельного исследования, вы­

ном полушарии как автоколебательный релаксаци­

ходящего за пределы данной работы

онный

Анализ естественных циклов изменения кар­

бонатного равновесия в четвертичное время позво­
ляет предположить, что можно ожидать скорой ос­

тановки роста как величины рСО 2 , так и глобаль­
ной температуры земной поверхности. Но выделе­
ние

дополнительного

тельности

человека

углерода

может

в

результате

значительно

дея­

изменить

скорость этого процесса. Поскольку скорость пе­
реноса

СО 2

через

поверхность

раздела

вода­

воздух значительно выше, чем скорость его пере­

распределения внутри толщи вод, естественный

процесс //
1094-1098.
Карнаухов А. В. (1996)

Биофизика.

зации. Биофизика.

1996. Т. 41. № 2. С. 523-526.
(2001) Роль биосферы в формировании
климата Земли // Биофизика. 2001. Т. 46. Вып. 6.
с. 1138-1150.
Кузнецов А. П. (1993) О фотосинтезе, биотическом ба­
лансе и трофической структуре морской донной
биоты// Известия АН. Серия биологическая.
№

2.

С.

Лапенис А.

287-304.
Г (1984)

о

роли

техногенного

СО 2 в изменении климата, высказываются и мне­
ния о том, что в настоящее время происходят впол­

не естественные изменения климата, связанные с

природными ритмами. Это в данном случае хоро­
шо подтверждается модельными расчетами.

Литература
Бараш М С.,

Чеховская М П., Бибо Н. и др.

(2005)

газа

гидрология.

1993.

Связь парциального давления уг­

карбонатонакопления в океане

мнения

6.

Карнаухов А. В.

верхнего слоя вод может просто не успевать справ­

единодушного

№

блемы устойчивого развития человеческой цивили­

лекислого

нет

39.

Парниковая катастрофа и про­

механизм регулирования в карбонатной системе

ляться с таким вмешательством. С другой стороны,

Т.

1994.

с.

с

уровнем

1984. № 9.

С.

критической

//

глубины

Метеорология и

66-73.
(2005)

Маккавеев П. Н., Сорохтин О. Г

Опыт реконст­

рукции карбонатного равновесия древнего океана.//

2005. Т. 45. № 3. С. 374-380.
(1960) Палеогеография (историческое
землеведение). Изд. второе. М.: Изд-во МГУ, 1960.
268 с.
Монин А. С. (1977) История Земли. Л.: Гидрометеоиз­
дат, 1977. 224 с.
Монин А. С., Шишков Ю. А. (1979) История климата.
Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 407 с.
Мохов И И, Безверхний В. А., Карпенко А. А. (2003)
Океанология.

Марков К. К.

Циклы

Миланковича

и

эволюция

характеристик

О четвертичной палеоокеанологии юго-восточной

климатического режима и состава атмосферы по

части Охотского моря по литологии и планктонным

данным ледяных кернов с антарктической станции

фораминиферам.

Восток

С.

//

Океанология.

2005.

Т.

45.

№

2.

ний.

273-285.

Богданов Ю. А.,

Каплин П. А.,

Происхождение
1978.160с.

и

развитие

Николаев С. Д.
океана.

М.:

(1978)
Мысль.

// Материалы гляциологических
2003. т. 95. с. 3-8.

исследова­

Проблемы зарождения и эволюции биосферы
Э. М. Галимова.

URSS, 2008. 552

М.:
с.

Книжный

дом

/ Под ред.

«Либроком»/


П. Н. Маккавеев. Изменения карбонатного равновесия вод Мирового океана в прошлом

Развитие жизни в океане. Отчет по программе №

6

От­

деления наук о Земле РАН: «Проблемы зарождения
биосферы Земли и ее эволюции». М.: ИО РАН,

2004. 68

с.

Розанов А. Ю.

(2003)

Ископаемые бактерии, седимен­

тогенез и ранние стадии эволюции биосферы// Па­
леонтологический журнал,

2003. № 6. С. 3-11.
(1997) Потоки и массы
океане // Геохимия. 1997.

Романкевич Е. А., Ветров А. А.
органического углерода в
№

9.

С.

945-952.
(1995)

Семилетов И. П.

Углеродный цикл и глобальные

изменения в прошлом и настоящем. Химия морей
и океанов

/ ред. О. К. Бордовский, А. Г. Розанов.
1995. С. 130-154.
Семилетов И. П. (2005) Цикл углерода в системе «ат­
мосфера--суша-шельф» в восточной Арктике //
Автореф. дисс .... д. геогр. наук. М., 2005. 39 с.
Сорохтин Н. О., Сорохтин О. Г (1997) Высота стояния
континентов в геологической истории Земли //
Докл. РАН. 1997. Т. 354. № 2. С. 234-237.
Сорохтин О. Г, Ушаков С. А. (1998) Влияние океана на
состав атмосферы и климата Земли // Океанология.
1998. Т. 38. № 6. С. 928-937.
Сорохтин О. Г, Ушаков С. А. (2002) Развитие Земли.
М.: Изд-во МГУ, 2002, 560 с.
Федонкин МА. (2003) Сужение геохимического базиса
жизни и эвкариотизация биосферы: причинная связь //
Палеонтологический журнал. 2003. № 6. С. 1-8.
Чеботарева Н. С. (1969) Общие закономерности деграда­
М.: Наука.

ции валдайского оледенения. Последний ледниковый

покров на северо-западе Европейской части СССР
Ред. И. П. Герасимов. М.: Наука.

Ясманов Н. А.

(2002)

1969.

С.

/
276-299.

Глобальное потепление: кто ви­

новат?// Энергия. 2002. № 10. С. 17-24.
Berner R. А. (2004) А model of calcium, magnesium and
sulfate in seawater over Phanerozoic time // American
Joumal of Science. V. 304. Мау 2004. Р. 438-453.

595

Berner R. А. (1999) Atmospheric oxygen over Phanerozoic
time // Proceedings of the National Academy of Sciences. V. 96. Issue 20. September 27. 1999. Р. 1095510957.
Conway Т J., Tans Р. Р., Waterтan L. S. et а!. (1994) Evidence for internnual variability of carbon cycle from
the National Oceanic and Atmospheric Administration/
Climate Monitoring and Diagnostics Laboratory Global
Air Sampling Network // Joumal of Geophysical Research. 1994. V. 99, № Dl 1. Р. 22831-22855.
Fedonkin М А. (2003) The origin of the Metazoa in the
Light of the Proterozoic fossil record // Paleontological
Reserch, 2003. V. 7. № 1. Р. 9-41.
Fischer Н., Wahlen М, Sтith J., et а/. (1999) Ice core records of atmospheric СО2 around the last three glacial
terminations. Science, 1999. V. 283. Р. 1712-1714.
Makkaveev Р. N. (2007) Тhе changing of the carbon equilibrium of the World Ocean of the geological shale of
time. Int. symp. "Origin and Evolution of Biosphere
and Photonics of Nucleic Acids". Terskol. Russia. 6--1 О
auguct 2007. Abstracts. Изд-во ОНТИ ГЕОХИ РАН,
2007. С. 29.
Petit J. R., Jouzel J., Raynaud D. et а!. (1999) Climate and
atmospheric history of the past 420,000 years from the
Vostok ise core // Antarctica. Nature, 1999. V 399.
Р. 429-438.
Walker С. G. (1983) PossiЫe limits of the composition of
Archaean ocean. // Nature. 1983. V. 302. № 5908.
Р. 518-520.
Wolf-Gladrow D. А., Riebessel И. (1997) Diffusion and reactions in the vicinity of plankton: а refined model for
inorganic carbon transport // Marine Chemistry. 1997.
V. 59. Р. 17-34.
Zeebe R. Е., Wolf-Gladrow D. А., Jansen Н. (1999) On the
time required to estaЫish chemical and isotopic eqilibrum in the carbon dioxide system in seawater. // Marine Chemistry. 1999. V. 65. Р. 135-153.


ФЕНОМЕН «ШУНЬГА» И ЕГО АНАЛОГИ

М М Филиппов, Н С. Бискэ
Институт геологии Карельского научного центра РАН

filipov@krc.karelia.ru

Установленная последовательность взаимосвязанных событий: от накопления до вторичного концентри­
рования и рассеивания органического вещества

-

характеризует уникальный для палеопротерозоя феномен

«Шуньга», наиболее полно исследованный в Онежском осадочном бассейне. Здесь очевидны признаки накоп­
ления гигантских объемов первичного органического вещества; установлены многочисленные купольные и
субпластовые локальные тела высокоуглеродистых пород с характерной дифференциацией состава первичного
органоминерального вещества; выявлены многочисленные проявления антраксолитов, указывающие на реали­

зованный полномасштабный процесс генерации углеводородов, широко представлены их коллекторы; сохра­
нились следы переотложения как первичного, так и новообразованного органического вещества. В статье при­
ведены доказательства существования одновозрастных бассейнов-аналогов, что свидетельствует о глобальном
проявлении этого природного явления в палеопротерозое.

Введение

ее территории основные признаки этого природ­
ного

На древних щитах в нижнем протерозое в
период

явления

широко

представлены

и

довольно

хорошо сохранились благодаря низкому уровню

млрд лет назад отмечается ги­

регионального метаморфизма. Ближайшими ана­

гантское накопление биогенного органического

логами Онежского палеобассейна являются: на

вещества (ОБ), последующее его массовое вто­

Канадском щите

ричное концентрирование и рассеивание. Об ог­

на территории Воронежского массива

ромных

Ястребовская структура, в западной Африке

2,10-1,85

объемах

первичной

аккумуляции

ОБ,

помимо содержания углерода в пелитовых поро­

Айран Ривер-Кристл Фэллс,

-

Тим­

-

-

бассейн Франсвиль (Габон). Этот список далее

дах, свидетельствуют значительные площади со­

будет существенно расширен. Полнота изученно­

хранившихся

и

сти .палеобассейнов разная, однако в пределах

большие

палеопротерозойских

отложе­

каждого из них описаны осадочные породы как

ний. Вторичное перераспределение ОБ на ста­

с фоновым, но довольно большим по отноше­

дии мезокатагенеза

нию

ными
грации

мощности

структур

проявлениями
и

черносланцевых

фиксируется многочислен­
процессов

накапливания

в

генерации,

ловушках

ми­

углеводоро­

к

кларкам

осадочных

пород

содержанием

Copr (5-7 %), так и с экстремально высоким 20 %. Наблюдаются также признаки эпиге­

выше

дов (УВ). Рассеивание первичного и вторичного

нетического перераспределения ОБ путем интру­

ОВ преимущественно связано с его переотложе­

зии

нием.

На территории Онежской

и

экструзии

органоминерального

вещества,

синклинорной

массовой генерации и миграции УВ, гипергенно­

структуры Фенноскандинавского щита совокуп­

го разрушения пород с ОВ и ловушек УВ, переза­

ность указанных геологических событий к на­

хоронения битумов и остаточного ОБ с терри­

стоящему времени исследована достаточно полно,

генным материалом.

поэтому предлагается именовать ее феноменом

.t

В работе приведены результаты многолетних

«Шуньга». Структура оказалась благоприятным

исследований

объектом для изучения феномена, поскольку на

сейне и в бассейнах-аналогах.

феномена в

Онежском палеобас­


Глава

598

IV.

События и факторы эволюции биосферы

~9~10ШJ11
Рис.

Схематическая геологическая карта Онежской структуры (Билибина и др.,

1.

1991,

с изменениями).

1-

архейские

2-7 - надгоризонты вулканогенно-осадочных пород нижнего протерозоя:
4-5- Людиковийский (4- заонежская свита, 5 - суйсарская свита), 6- Ка­

супракрустальные породы и гранитоиды;

2 - Сариолийский, 3- Ятулийский,

левийский (кондопожская, вашозерская свиты),
складчато-разрывных дислокаций;
предполагаемые;

11 -

9-10 -

7-

Вепсийский (шокшинская, петрозаводская свиты); В

основные транс- и межблоковые разломы:

синклинальные структуры второго порядка, вт. ч.: Т

-

9-

-

установленные,

Толвуйская, К

-

зоны

10 -

Кондопожская.

На врезке: географическое положение Онежской структуры

1.

Основные признаки феномена

ской

«Шуньга»

бинных разломов. Другие исследователи рассмат­

впадиной,

контролируемой

системой

глу­

ривают ее как часть долгоживущей рифтовой сис­
Онежская синклинорная структура размером
около

130

х

120 км

расположена на юго-востоке

Карельского кратона (рис.

1).

На архейском осно­

темы

( Суйсарский, 1999)

либо как не получивший

развития авлакоген, геодинамически связанный с
людиковийскими структурами растяжения коры

вании залегают осадочные, вулканогенно-осадоч­

(Хейсканен,

ные и вулканогенные породы раннего протерозоя,

что внутриплитная отрицательная морфоструктура

последовательно объединенные в свиты, горизон­

сформирована в результате длительного перма­

ты, надгоризонты (Общая ... ,

2002). По мнению
1995; Билибина и др.,

нентно-прерывистого прогибания земной коры; в

структура является нало­

режим деформации консолидированной коры, так

ряда исследователей (Ахмедов,

1991;

Геология ... ,

женной

1982),

протоплатформенной

нижнепротерозой-

1990).

М. Г. Леонов

(2004)

считает,

ее развитии присутствует как надрегиональный

и региональный режим объемного сдвигового те-


М М Филиппов, Н. С. Бискэ. Феномен «Шуньга» и его аналоги

чения, проявленного на разных уровнях корового

!ii

слоя.

g

Впадина

заполнена

осадочно-вулканоген­

ными образованиями карельского комплекса об­

щей мощностью до

3,0 км.

Осадконакопление на

::i;

о

~

"'
!".:
""'

g.

...

~

"'

разных этапах становления структуры сопровож­

599

~~

"~"'
=

"' Q

Е ~

о

о

::i;

!!'~
<.f'<§'

т

далось преимущественно базальтовым платфор­

т

т

ш

менным вулканизмом.

Структуры второго порядка представлены суб­
параллельной системой синклинальных и антикли­
нальных складок, ориентированных в северо-запад­

ном направлении. Узкие гребневидные антиклинали,

п

>:S:

"'
"'

1
650

>:S:

сложенные интенсивно дислоцированными порода­

:s:

ми, разделяют широкие пологие синклинали слабо­

"'

деформированных пород. Т. В. Билибина и др.

(1991)

сопоставляют антиклинальные структуры с зонами

складчато-разрывных дислокаций, а их ятулийские

«карбонатные ядра»

"'"'u"'

о

"'

iE

"'"

<!)

...
~

о

"

"'

м

3

I

ров. Большая часть складчатых деформаций сфор­
200

мирована в течении свекофеннского тектонического

этапа (около

т

т

т

т

т

т

т

т

т

т

т
т

т
т

т

т

т

т

т

т

т
т

т

1 ллл 1

4

i: ·: 1: 1:1

5

ЛАЛАЛЛЛ

t•+)_:•н 6

т

т

tv vvv vJ

2

1,75 млрд лет назад) при метаморфизме

v

у

~f

у

v

7

~,..,_,..~

r>-~ 8

">-->-r>-

ции соответствует метаантрацитовой стадии.

&i
~

l<е;З 9

250

"'"'

Признаки массового накопления

биогенного

т

2.

зеленосланцевой фации. ОВ по уровню углефика­

1. 1.

Ет'т'уJ 3

"'

о

с линейной системой диапи­

-

2

"'"'
""'
в"'

08

Основная масса углерода заключена в верх­
ней подсвите заонежской свиты людиковийского

надгоризонта. Накопление ОВ приурочено к фор­

Рис.

Стратиграфическая колонка заонежской свиты Тол­

2.

вуйской синклинали.

горизонт углеродсодержа­

1-

мированию глинисто-карбонатных осадков и про­

щих пород и его номер;

исходило в условиях мелководного бассейна с

фиты и базальтовые туфы;

синхронным базальтовым вулканизмом. Согласно
решению РМСК

(1992),

миты, карбонатные сланцы;
литы;

возрастные рубежи люди­

2080 ± 20

млн лет

-

базальты;

8 -

35-

туф­

4-

лидиты;

6-

доломиты, алевро­

доло­

основные и ультраоснов­

ные лавы суйсарской свиты;

9 -

местоположение

силлов габбродолеритов

ковийского надгоризонта в настоящее время оп­

ределяются как

7-

алевролиты;

2-

нижний и

верхний. Верхняя граница за­

Нижняя подсвита в основании сложена по­

онежской свиты, вероятнее всего, приходится на

левошпат-кварцевыми песчаниками и алевроли­

рубеж

1950 ± 1О млн

лет

-

Ин­

тами с карбонатным и слюдисто-карбонатным

трузивные образования представлены силлами и

цементом, базальтовыми туфами и туффитами,

дайками

затем ритмичным переслаиванием углеродсодер­

2000 ± 10 млн

лет (Суйсарский ... ,

габбродолеритов

возрастом

1980 млн

и

1999).

габброперидотитов

лет. На большей части терри­

жащих

кварц-серицитовых,

кварц-серицит-хло­

тории Онежской структуры силлы совместно с по­

ритовых и

кровами и потоками базальтов составляют прибли­

сланцев с вкрапленностью сульфидов, тонкозер­

зительно половину разреза заонежской свиты.

нистыми слюдисто-кварцево-доломитовыми по­

Заонежская свита подразделяются на две под­

свиты (Геология ... ,
нижнюю

и

-

находится

пород (рис.

Михайлов,

1988):

осадочную карбонатно-глинистую

-

и верхнюю

1982; Купряков,

-

осадочно-вулканогенную, в которой
основная

2).

масса углеродсодержащих

кварц-серицит-хлорит-карбонатных

родами с характерной микроритмичной слои­
стостью

-

«кривозеритамю>, и горизонтально-сло­

истыми кварц-полевошпатовыми мелкозернистыми

песчаниками, алевролитами и кварц-серЙцит­
хлоритовыми сланцами. Мощность подсвиты 170-200 м.


Глава

600
На

территории

IV. События и факторы эволюции биосферы

Толвуйской

синклинали

в

(Жмур,

2010;

Органическое ... ,

1994).

Предполага­

верхней подсвите выделено три пачки и девять

ется, что активный вулканизм способствовал жиз­

горизонтов углеродсодержащих пород с содержа­

недеятельности цианобактериальных сообществ,

нием Сорг более

а восстановительные условия среды обитания

20 %

(Купряков, Михайлов,

1988).

-

Первая пачка сложена туфогенно-осадочными по­

сохранению ОВ в ископаемом состоянии. Извест­

родами

но, что продуктивность современных цианобакте­

песчанистой,

алевритовой

и

пелитовой

слоями и линзами, часто с сульфидной вкраплен­

риальных матов достаточно высока - 8-12 г/м
органического углерода в сутки (Cohen et al., 1980),

ностью. В разрезе этой пачки установлено три го­

что

ризонта углеродсодержащих пород мощностью от

можность накопления больших объемов биоген­

размерности

12

до

залежи

35

отдельными карбонатными

про­

м, среди которых известны локальные

с

углерода

с

исключительно

(15-55 %).

высоким

содержанием

В строении этой пачки при­

нимают участие также покровы и отдельные по­

2

позволяет

предполагать

потенциальную

воз­

ного ОВ и в палеопротерозое.
Генезис ОВ подтвержден биогеохимическими

данными. Так,

в хлороформенном экстракте из

максовитов Зажогинского месторождения выявле­

токи базальтов и андезитобазальтов, базальтовые

но (Бондарь и др"

туфы и туффиты (Геология ... ,

Проблемы"

ление н-алканов с максимумом на С 15 , характерное

Вторая пачка представлена углеродсодер­

для катагенетически зрелого ОВ нефтематерин­

1989).

жащими

туфоалевролитами,

1982;

1987)

унимодальное распреде­

кварц-серицит-био­

ских пород. Об этом же свидетельствует отноше­

титовыми породами, доломитами. В ее верхней

ние низших изопреноидов к сумме содержаний

части в значительном объеме присутствуют угле­

пристала и фитана

родсодержащие алевролиты, доломиты и лидиты.

стала и фитана к сумме нормальных алканов С 17

Пачка содержит шесть горизонтов углеродсодер­

и С 18

жащих пород мощностью от

(0,81)

5

до

20 м.

Как и в

(1,06)

и отношение суммы при­

Преобладание фитана над пристаном

(1,46).

рассматривается обычно как признак вос­

первой пачке, здесь выявлены потоки лав основ­

становительных условий накопления ОБ. В со­

ного состава. Третья пачка сложена туфоконгло­

ставе бензол-метанольного экстракта обнаружены

мератами,

жирные кислоты С 9 --С 2 4, главным образом

углеродсодержащими

алевролитами,

C9-C 1s,

кварц-биотит-серицитовыми, биотит-альбит-квар­

максимальное содержание имеют четные гомоло­

цевыми породами с прослоями доломитов. Гори­

ги С 18 . Такой состав жирных кислот наиболее ха­

зонты

рактерен для липидов низших водных организмов.

высокоуглеродистых

пород

в

ее

составе

до настоящего времени не обнаружены. В разре­

Ароматические

зах верхней подсвиты также принимают участие

стоят из дифенила и его производных, т. е. исход­

редкие потоки базальтов. Мощность подсвиты

ными соединениями для них, вероятно, были насы­

-

углеводороды

гидрогенизата

со­

щенные и ненасыщенные жирные кислоты С 16 и

600-650 м.
По данным Н. В. Лопатина
хранившегося углерода в

(1983),

Онежской

объем со­

В следовых количествах зафиксированы

структуре

et а/., 1987)

3

C 1s.
(Mycke

стераны (С 29 ), чье происхождение

составляет 65 х 10 м , объем исходного ОВ 650 х 109 м 3 , а ежегодная биопродуктивность бас­
2
сейна достигала 2-4 кг С 0ргlм .

обычно связывают с цианобактериями или при­

Косвенным признаком огромных объемов на­

Онежской параметрической скважиной (Тарханов,

9

копления ОВ и генерации УВ в заонежских обра­

митивными водорослями. Сходные данные были
получены в

Фрик,

201 О г.

при изучении пород, вскрытых

2011).

зованиях может служить легкий изотопный состав

Важным генетическим признаком древнего

углерода карбонатных пород калевийского надго­

ОВ является изотопный состав углерода. Максо­

ризонта (8 Скар6 до -17,6 %0). Эта аномалия, скорее

виты1 Максовского месторождения (шестой шун­

всего, обусловлена длительным влиянием крупно­

гитоносный горизонт) имеют среднее значение

13

го резервуара ОВ в заонежской свите с низкими

значениями

8 13 С орг·

В углеродсодержащих пелитах и алевролитах

Максовиты и шунгиты

-

экструзивные сапробнтумолитовые

породы со смешанным типом углеродистого вещества (са­

пропелевое и битумное), содержат С 0р,-, соответственно,

заонежской свиты обнаружены микрофоссилии и

45

следы цианобактериальных матов, хемофоссилии

шунгиты -преимущественно субпластовые тела.

и

45-80 %.

Максовиты

10-

слагают куполообразные тела,


М М Филиппов, Н. С Бискэ. Феномен «Шуньга» и его аналоги

о С -26,61 %0, шунгиты Шуньгского месторож­
дения (девятый шунгитоносный горизонт) 37,37 %о (Melezhik et al., 1999). Основной причи­
13

601

может быть смена видового состава биоть1 с авто­

трофной на метанотрофную в период формирования
седьмого

и

восьмого

шунгитоносного

горизонта.

ной фракционирования изотопов углерода ОВ са­
пропелитов

является

жизнедеятельность

проду­

Вторичное концентрирование

1.2.

центов (водорослей и бактерий), так как какой­

08

в структурах диапирового типа

либо абиогенный процесс, который бы дал столь
s:IЗ

низкие значения u

На территории синклинория в верхней под­

С, представляется маловеро-

свите заонежской свиты выявлены многочислен­

ятным.

Известно, что с увеличением возраста керо­

ные

проявления

и

месторождения

максовитов

и

генов и нефтей наблюдается общая тенденция по­

шунгитов,

нижения их о С, что обычно объясняется изме­

ными (максовский тип) и субпластовыми (шуньг­

13

представленные

локальными

куполь­

нением интенсивности фотосинтеза, за счет чего в

ский тип) телами в составе первой и второй пачек.

составе

повышается

В Толвуйской синклинали и в других аналогичных

С. Так, у слабо метаморфи­

структурах второго порядка купольные тела мак­

зованных керогенов с возрастом 2,5-2,О млрд лет

совитов приурочены к антиклинальным складкам

атмосферной

содержание изотопа
s:IЗ

u

12

углекислоты

С находится в интервале от

(Straиss

et al., 1992),

-20

%о до

--46

%о

т. е. диапазон вариаций изо­

3-го порядка (рис.

лежи (рис.

4)

3).

В строении Максовской за­

четко проявлены основные признаки

топного состава максовитов и шунгитов обычен

диапировой структуры (Филиппов,

для ОВ докембрия.

видная форма, краевая синклиналь, в которой пи­
13

2002):

куполо­

Типичные значения 8 С ОВ осадочного про­
исхождения находятся в интервале -28 ± 2 %0. В ре­

тающий слой местами имеет мощность, близкую

гионах с высоким уровнем метаморфизма остаточ­

женный подстилающими карбонатными породами.

ный кероген может иметь 8 13 С от -25 до -10 %0,

Локальные участки с высоким содержанием Сарг

что связано с выходом метана. Поскольку степень

имеют грибообразную форму и рассматриваются

к нулю, центральный (внутренни~) гребень, сло­

углефикации ОВ максовитов и шунгитов пример­

как полидиапировые структуры. Предполагается,

но одинаковая, то наблюдаемое различие их изо­

что при развитии купола и внутренних структур

топного состава невозможно объяснить термаль­

высокого

ным эффектом.

тектоники органоглины бьши частично обособле­

порядка

по

законам

гравитационной

Изотопный состав yrnepoдa керогена зависит от

ны от органокремнистых комплексов и карбонат­

солености бассейна осадконакопления. Например,

содержащих пород благодаря меньшей плотности

различия в 8 С эоценовых горючих сланцев форма­

и вязкости органоглин, что, в частности, и приве­

ции Грин Ривер, отложенных в условиях соленого и

ло к локальному обогащению пород ОВ.

13

пресноводного

около

5 %о

этапов

(RиЫе

развития

озера,

составляют

Диапировая

природа

залежей

максовского

В минеральном соста­

типа проявляется также в характерных текстурах

ве максовитов и шунгитов не обнаружены свиде­

максовитов. С начальным этапом формирования

тельства повышенной солености

структуры,

et al., 1994).

Онежского оса­
13

вероятно,

связаны

псевдобрекчии

дочного бассейна, т. е. контраст в о С не является

(рис.

следствием изменения его солености.

дошвенных участках купольных тел. Это углерод­

Разницу в изотопном составе углерода максо­

5),

локализующиеся в периферийных и по­

содержащие карбонатные алевролиты и туфоа­

витов и шунгитов лишь частично можно объяс­

левролиты,

нить тем, что шунгиты, в отличие от максовитов,

руп~ена:

преимущественно

растащены и закручены; фрагменты имеют при­

состоят

из

полимеризованных

в

слои

которых

первичная

интенсивно

слоистость

перемешаны,

на­

смяты,

продуктов катагенеза керогена. На это указывают

хотливые

величины Ло С между природными битумами

стичном состоянии деформируемого вещества и о

(антраксолитами)

и

его дифференциации в первичном слое, вероятно,

Шуньгского месторождений, соответственно рав­

по плотности (по содержанию ОВ). На крьш\,ях ку­

ные

польных структур,

13

и

породами

Максовского

1,2 %о и 0,14 %0. Таким образом, наиболее ве­
роятной причиной наблюдаемых отличий в 8 13 С

очертания,

что

свидетельствует

вдоль границы

с

о

пла­

перекрываю­

щими породами, выявлены (Рычанчик, Ромашкин,


Глава

602

События и факторы эволюции биосферы

IV.

Оне:ж:ское озеро

. ·.·.·.. . .1000~1
.. .. .. .

·-·

Рис.

3.

Расположение залежей максовитов в северной части Толвуйской синклинали.
горизонта;

5-

хемогенно-осадочные породы; З

2-

подстилающие породы;

Калейская;

7-

6-

-

1-

углеродсодержащие породы 6-го

вулканогенно-осадочные породы;

разведанные залежи: а

-

Максовская, б

-

4-

силлы габбродолеритов;

Зажогинская, в

предполагаемые залежи по данным геолого-геофизического картирования;

-

8-

Мельничная, г

-

оси антиклиналь­

ных складок третьего порядка

Рис.

4.

"1

Разрез Максовской залежи.
натные породы;

5-

1-3 -

максовиты с содержанием Сарг:

вмещающие породы разного состава;

6-

1-

>29 %, 2-24-29 %, 3 -

габбродолериты;

7-

<24 %; 4 -

карбо­

четвертичные отложения; В

-

разведочные скважины

1998)

краевые брекчии мощностью до

состоят

из

фрагментов

максовита

и

1О м.

Они

увеличивается, и брекчия постепенно переходит в

цемента,

массивные или брекчированные максовиты. На

анало­

микроуровне в массивных максовитах наблюда­

гичным вмещающим породам. По направлению к

ются признаки пластичных деформаций в виде

центру залежи количество фрагментов максовита

сгустков органоминерального вещества, сплющен-

представленного

веществом,

по

составу


М М Филиппов, Н. С. Бискэ. Феномен «Шуньга» и его аналоги

603

пых и вдавленных друг в друга. Слоистые разно­
видности максовитов встречаются только на уча­

стках выклинивания тела и в его подошве.

Симметрия пространственного расположения

известных купольных структур (см. рис.

также

3)

служит подтверждением их диапировой природы

(Филиппов,

2002).

берг,

следует, что развитие отдельного ку­

1985)

Из теории диапиризма (Рам­

пола сопровождается распространением (тиражи­

рованием) по питающему слою гравитационной
неустойчивости, что вызывает появление сосед­

них куполов, и в благоприятных условиях форми­
руется

система

генетически

связанных

складок.

Они развиваются на равномерно расположенных

валах (антиклиналях) в виде каплевидных тел.
Расстояние между центрами куполов зависит от

1 см

мощности питающего слоя и вязкости пород.

1.3.

Постседиментационное
перераспределение ОВ путем

Рис.

5.

купольного

тела

максовитов

во

счет

обособления

1-3 - участки, в различной
Сорг; 4 - включения пирита

Пример выжимания органоминерального ве­
из

за

органомине­

ральноrо вещества с различным содержанием

органоминеральных соединений

щества

Псевдобрекчия максовита (верхняя половина фото),

формируемая

интрузии и экструзии

08.

степени обогащенные

вме­

щающие породы описан в работе (Филиппов, Дей­
нес,

2005).

На участке Тетюгино полистадийная

экструзия максовитов заполняет центральные час­

m

3 м.

Брекчиро­

известняки

сцементи­

локальных разломов шириной до

ванные лидиты,

доломиты,

рованы также органоминеральным веществом, по

составу близким к максовитам. Нередко вдоль сте­
нок

относительно

крупных

трещин

расположены

обломки, смещенные от своего первоначального
положения на некоторое расстояние и развернутые

вокруг своей оси, что указывает на движение про­
томаксовита под давлением. Основная масса це­
мента

-

смесь органического и минерального ве­

щества (экструзивный метасапропелит)

-

в свою

очередь сцементирована антраксолитом. Сущест­

венно, что по краям обломков известняка битум
проникает

по

микротрещинам

и

между

Рис. б.

Брекчированный известняк. Пограничная область об­
ломка пропитана битумом (черное).

детектор рассеянных электронов

TESCAN 5130LS,
(SED)

зернами

что можно объяснить повышенным давле­

Более крупным примером экструзии органо­

нием углеводородного флюида во время заполне­

минерального вещества может служить субпла­

ния трещин. Предполагается, что процесс брекчи­

стовая залежь шунгитов в районе пос. Шуньга,

рования связан с развитием диапировой структуры,

приуроченная к верхам разреза второй пачки и

поскольку его интенсивность затухает по мере уда­

представленная двумя пластами со средней мощ­

ления от центра Мельничного купола, сформиро­

ностью около

ванного,

залежи свидетельствуют: резкая смена фациаль­

(рис.

6),

как

и

Максовское

месторождение,

шестому шунгитоносному горизонту.

по

0,3

и

3м

(Рябов,

1933).

О"генезисе

ных типов пород по вертикали и в горизонтальном


604

Глава

направлении;

IV.

События и факторы эволюции биосферы

В

отсуrствие постепенных переходов

купольных структурах сохранились при­

между лидитами, доломитами и шунгитами; бу­

знаки распада органоминеральных гелей, выделе­

дины доломитов в шунгитах; мелкие складки ос­

ния избыточного кремнезема, генерации УВ, их

новного пласта шунгитов,

миграции и отложения. Так, в залежах максовитов

простирание которых,

как правило, не совпадает с общим простиранием

со слюдяно-кварцевой минеральной основой ми­

структуры; рост содержания Сорг в верхних частях

грационные УВ представлены тончайшими сме­

складок разного порядка; флюидальные текстуры

сями углеродистого вещества с кремнеземом. По

шунгитов; экстремально высокое содержание уг­

всей видимости, подобные смеси являются про­

лерода в них (до

По-видимому, дифферен­

изводными гелей сложного состава. Они образу­

циация вещества по плотности в купольных струк­

ют прожилки, почковидные и концентрически-зо­

турах могла развиваться вплоть до формирования

нальные агрегаты в углеродисто-кремнистых сек­

диапировых шляп ( Фwrиппов,

рециях (Атлас ... ,

80 %).

2002).

В этом процес­

2007).

Сфероиды отличаются

се ОВ в апикальной части исходного купола, скорее

составом, размерами (от десятков мкм до

всеfо, состояло в основном уже из УВ, способных к

количеством и шириной зон, секуrся или цемен­

вязкому

антраксолиты

тируются УВ, обособившимися в самостоятель­

Шуньгского месторождения и шунгиты, очевидно,

ную фазу. Углеродные концентры чередуются с

течению.

являющиеся

Не

случайно

для первых материнскими породами,

имеют, как уже отмечалось, практически одинако­
13

вые значения 8 С.

2

мм),

кремнистыми, углеродисто-кремнистыми и крем­

нисто-углеродистыми. В них обнаружены струк­

туры гелей с различной степенью преобразования

В зонах внедрения магматических расплавов

коллоидного

вещества

(глобулярная,

субколло­

в сапропелиты наблюдаются своеобразные максо­

морфная и т. п.). По трещинкам синерезиса в угле­

вит-базитовые брекчии (Бискэ и др"

пепе­

родисто-кремнистых агрегатах наряду с УВ разви­

ритовые структуры. Брекчии состоят из обломков

ваются кварц, слюда, реже сульфиды, калиевый

магматитов со следами пластических деформаций

полевой шпат и кальцит.

2004) -

размером от долей миллиметра до нескольких мет­

Свидетельством активных катагенетических

ров и цемента, по составу соответствующего мак­

процессов в залежах метасапропелитов являются

совитам. Максовиты возле крупных фрагментов

многочисленные каналы разгрузки флюидов в виде

обладают миндалекаменной структурой, листовато­

субвертикальных, прихотливо изгибающихся зон

плитчатой или карандашной отдельностью, ори­

повышенной трещиноватости диаметром от

ентированной перпендикулярно контакту. В мак­

до

совитах нередко обнаруживаются флюидальные

лее высоким содержанием углерода (до

текстуры. В эндоконтактах силлов наблюдаются

при среднем для Максовской залежи значении

жилы

максовитов,

внедренных

в

трещины

кон­

тракции под воздействием избыточного флюидно­

2

0,05

м. От вмещающих пород они отличаются бо­

около

73,3 %

30 %) и относительно повышенным содер­
Ag, Со, Ni и других микроэлементов. Ис­

жанием

го давления. Аналогичные жилы встречаются и во

точником УВ, по-видимому, служил кероген этого

вмещающих породах.

же слоя, поскольку изотопный состав углерода в

1.4.

зонах

Постседиментационное
перераспределение

08 путем

генерации и миграции УВ

пропитки

и

за их

пределами

практически

одинаков и составляет для Максовской залежи со­
ответственно

-26,2 %о и -26,9 %0.

Основной объем заонежской свиты составля­

Моно- и полиминеральные жилы антраксоли­

ли непроницаемые и слабопроницаемые породы,

тов в Онежской структуре локализованы преиму­

поэтому в процессе катагенеза ОВ и глинистых

щественно

минералов,

в

залежах

шунгитов

и

максовитов

должно

бьшо

развиваться

высокое

(Шуньга, Зажогино, Максово). Жилы обычно се­

пластовое давление. В таких условиях породы

кущие, за исключением самой крупной (мощно­

становились менее

стью до

вторичной пористости и трещин гидроразрыва, по

40

см) пластовой жилы Шуньгского ме­

сторождения (Атлас ... ,
ждаются

различно

2007),

и обычно сопрово­

ориентированными

тонкими

прожилками и мелкими обособлениями битума.

плотными

за счет

появления

которым часть УВ покидала материнскую породу,
а некоторая его часть, менее подвижная, осталась

на месте, заполняя трещины. Процессы сущест-


М М Филиппов, Н С. Бискэ. Феномен «Шуньга» и его аналоги

вовавшего

разуплотнения

ясно

фиксируются

605

в

апикальных частях купольных залежей максови­

тов большим количеством миндалин и прожилков,
заполненных антраксолитом и минералами гидро­

термального генезиса (Атлас ... ,

В метаса­

2007).

пропелитах трещины гидроразрыва преимущест­

венно

ориентированы

по

напластованию

с

ло­

кальным формированием тонкого кливажа. Под
микроскопом он проявляется в струйчато-полос­
чатом

распределении

углеродистого

вещества

и

ориентированном расположении минеральных зе­

рен, нередко деформированных, скученных или
смещенных под давлением флюида.

5 мкм

При внедрении интрузий основных пород са­

пропелиты флюидизировались, вспучивались, при­
обретали пластичность, вовлекались в движение и
застывали в виде пористой коксующейся органо­
минеральной массы вокруг обломков раскристал­
лизованной и остеклованной магмы. В экзокон­

такте

метасапропелиты

нередко

раздроблены,

брекчированы и обеднены углеродом.
ское ... ,

1994).

В подошве и кровле силлов сфор­

мированы протяженные (до
рочки

( Органиче­

ококсованных

100 м

и более) ото­

максовитов,

обладающих

тонкой пористостью и призматической отдельно­

стью. Внедрение интрузий в слабо литифициро­
ванные, влагонасыщенные и обогащенные ОВ по­
роды способствовало ускоренному созреванию ке­

Рис.

7.

Шарики углерода (черное) в кварце (белое) и хло­

рите (серое), ярко-белое

-

пирит.

детектор рассеянных электронов

TESCAN 5130LS,
(SED)

промежутки, поры, пустоты, проникает в долери­

ты по трещинам, формирует жилы мощностью до
нескольких сантиметров, в которых обычно цемен­
тируется кварцем, карбонатами, пиритом. Морфо­
логия вьщелений, следы внедрения, течения, усы­
хания и растрескивания УВ свидетельствуют о
жидко-вязком

состоянии

исходного

вещества.

Кроме того, встречаются слоистые, сферические,
конические и цилиндрические выделения антрак­

солитов с радиально-лучистой и концентрически­

зональной структурой. Подобные формы связы­

рогена с выделением огромного объема преиму­

вают с осаждением из газовой фазы или, в ряде

щественно жидких УВ. Поры и трещины в коксе

случаев, с перекристаллизацией аморфного угле­

заполнены продуктами деструкции керогена; здесь

родистого вещества под воздействием гидротерм.

фиксируются многочисленные струйчатые вьще­

Непосредственно на контакте максовитов с доле­

ления антраксолита, сливающиеся в зоны тонкой

ритами УВ присутствуют в виде углеродных ша­

пропитки углеродом. В них нередко присутствуют

риков диаметром от

мелкие минеральные

зерна

образуют глобулярно-цепочечные или более слож­

нолиты

пород,

вмещающих

или

змеевидные

ксе­

ориентированные

в

0,5

до

5 мкм

(рис.

7).

Шарики

ные по форме срастания из нескольких глобул или

направлении течения. Значительная часть продук­

фибрилл; при участии гидротермальных раство­

тов деструкции ОВ неравномерно осаждалась на

ров образуются комковатые, полосчатые, иногда

некотором

концентрически-зональные агрегаты углеродистого,

отражение
~

значении

около

15 м

расстоянии

в
81зс

от

нелинейном
в

контакта,

характере
~

приконтактовои

(Филиппов и др.,

что

зоне

находит

изменения
~

ширинои

2002).

углеродисто-хлоритового,

хлоритового,

углеродисто-слюдисто­

углеродисто-кремнистого

состава.

Встречаются довольно крупные плотные углерод­

На контакте с максовитами долериты нерав­

ные образования в виде шаров, почек, пленок

номерно обогащены углеродом, имеют миндале­

толщиной до нескольких десятков микрон, по­

каменную, иногда пузыристую текстуру и олиго­

видимому, отложенные из высокодисперсной гид­

фировую или микропорфировую структуру. Со­

ротермальной эмульсии. Подобные образ~вания

держание углерода обычно составляет

рассматриваются как продукты коксования смолы

узкой приконтактовой зоне

или пека, выделившиеся из керогена при тепло­

1-2 %, но в
может достигать 20 %.

Углеродистое вещество заполняет межзерновые

вом воздействии интрузии (Штах и др.,

1978).


Глава

606

IV.

События и факторы эволюции биосферы

По ряду признаков катагенез ОБ в протерозое
Онежской

структуры шел

ускоренно

из-за ло­

этих антраксолитов был кероген пород верхних
частей заонежской свиты, поскольку изотопный

кального и общего повышенного геотермического

состав углерода битумов

градиента, связанного с тепловым воздействием

ставу углеродистого вещества керогена.

базитов. В таких условиях образовывались наф­
тоиды

близок к со­

(-34,7 %0)

Примером миграции УВ на дальнее расстоя­

УВ с высоким содержанием олефинов,

ние от материнских пород и заполнения межзер­

склонные к полимеризации и потому, вероятно, в

нового пространства типичных коллекторов нефти

большей своей части не обладающие способно­

являются

-

антраксолиты

песчаников

петрозавод­

стью к дальней миграции. Это объясняет уже от­

ской свиты вепсийского надгоризонта (Иванова,

меченное высокое содержание УВ в составе мак­

Оношко,

совитов и шунгитов, сочетающих функции неф­

ную

тематеринских пород и коллекторов.

Количество жидких УВ, образованных при

1994).

Песчаники слагают антиклиналь­

складку, которую, вероятно, можно отожде­

ствить с бывшим крупным резервуаром УВ, обраs: I З
зованных в заонежское время. По u С, равном
эти антраксолиты близки к антрак­

катагенезе ОБ в Онежском бассейне, можно оце­

-32 + -36 %0,

нить, используя, например, следующие исходные

солитам месторождения Шуньга.

параметры:

площадь,

занятая

шунгитоносными

отложениями заонежской свиты 1О ООО км ,
мощность - 900 м, содержание углерода 1О %,
выход углеводородов - 25 %. В итоге первичный
11
нефтяной потенциал бассейна составлял 450 · 1О
2

литров, т. е. был сопоставим с современными су­
пергигантскими нефтяными полями.
Активная генерация УВ в породах заонеж­
ской свиты сопровождалась миграцией за преде­

лы пластов с керогеном. В туфах, (туфо)алевроли­
тах и карбонатных породах углеродистое вещест­
во выполняет промежутки между зернами, тонкие
трещины, поры и пустоты выщелачивания; в до­

ломитах наблюдается в виде базального цемента,
а также развивается по наслоению и в центре он­

колитов (Атлас ... ,

2007).

Вероятные пути мигра­

ции УВ характеризуют уже упоминавшиеся над­

купольные брекчии участка Тетюгино, которые
одновременно являются коллекторами УВ.

1. 5.

Рассеивание

08

при гипергенном

разрушении и переотложении пород
заонежской свиты и коллекторов УВ
Отложения заонежской свиты в калевии бьmи
частично размыты, и терригенный материал, со­

держащий ОБ, накапливался уже в составе вулка­
ногенно-осадочных пород калевийского и вепсий­

ского надгоризонтов. Углеродсодержащие породы
кондопожской свиты калевийского надгоризонта с

возрастными границами

щая ... ,

2002)

1920-1800 млн

лет (Об­

на территории синклинория слагают

нескольких структур второго порядка, в частности

Кондопожскую структуру (рис.
свиты достигает

530

1

и

8).

Мощность

м. В ее строении принима­

ют участие конгломераты, гравелиты, песчаники,
алевролиты и аргиллиты, которые, переслаиваясь,

образуют ритмы мощностью от нескольких сан­
тиметров до десяти метров, состоящие из

3-4

сло­

На северо-западном побережье Кондопожской

ев в последовательности, соответствующей зако­

губы Онежского озера в заонежских эффузивах ос­

номерности Боума. Обычны следы размыва верх­

новного состава были встречены (Тимофеев,

1924)

ней части ритмов, гиероглифы, воднооползневые

черные кварцевые агаты с миграционным ОБ. Ага­

складки и мелкие смещения внутри слоя. Тонкая

ты

приурочены

к

воздушным

пустотам,

крупным

слоистость, нерегулярное появление косослоистых

миндалинам, а также заполняют пространство ме­

прослоев, содержащих углерод, указывают на их

жду отдельными шарами подушечных лав. Проме­

турбидитовую природу. В ряде интервалов при­

жутки между крупными шарами нередко заполне­

сутствуют линзы полимиктовых брекчий мощно­

ны также хлоритизированной массой с халцедоном,

стью около

кальцитом,

антраксолитом.

ровкой по размерам обломков алевролитов, сланцев,

Визуально антраксолиты выглядят как скорлупо­

песчаников и фрагментами карбонатных нодулей,

ватые (натечные) выделения с характерной бугри­

сцементированные

кварцем

и,

частично,

2

м и длиной до

1О

м со слабой сорти­

граувакковым

материалом,

ко­

стой поверхностью, образованные путем много­

торые были образованы также турбидитовыми по­

кратного осаждения пленок УВ на щетках кварца

токами. Отмеченные седиментологические особен­

ранней генерации. Вероятным источником УВ для

ности брекчий позволяют предполагать формиро-


М М Филиппов, Н. С. Бискэ. Феномен «Шуньга» и его аналоги

607

rп.шт. 4 ~9
~5 ~10
GJ6 ~11
~7 1~112
l:;::;:::::;:j 8 ~13

100

2км

Рис.

8.

Геологическая карта и разрез южной части Кондопожской синклинали (Горлов, Филиппов,
песчаники, алевролиты вепсийского надгоризонта;

2-

альбит-хлоритовые сланцы,

3-

углеродсодержащие сланцы,

переслаивание сланцев и туфоалевролитов;
ды людиковийского надгоризонта: В

-

6-

1987). 1 -

туфоалевролиты;

пирокласто-тефроидные песчаники,

47-

полимиктовые конгломераты;

пикритовые и пироксеновые порфириты суйсарской свиты,

менные габбродолериты заонежской свиты;

10 -

аркозовые

породы кондопожской свиты калевийского надгоризонта:

2-7 -

разломы;

скважины;

11 -

12 -

9-

8-9 -

5-

поро­

миндалека­

положение разреза АБ;

13 -

элементы залегания

вание турбидитовых потоков в виде подводных

В направлении на юго-восток разрез в большей

русел или каналов.

своей части замещается на безуглеродистый, а уг­

Терригенный материал отложений кондопож­

леродистое вещество присутствует лишь в грубо­

ской свиты содержит углеродсодержащие породы

ритмичной части разреза в виде редких обломков

Угле­

в конгломератах, в гравелитах, песчаниках, в тонких

родистое вещество присутствует в гальке конгло­

заонежской свиты (Горлов, Филиппов,

(О, 1-1 мм) прослоях альбит-хлоритовых сланцев,

1987).

мератов, в окатанных обломках пирокласто-тефро­

залегающих

идных песчаников, алевролитов и сланцев, а также

признаком

в форме пьшеватых и сгустковых частиц в составе

стого вещества может служить близость значений

цемента.

8 С (Melezhik et al., 2009) пород месторождения

Размерность

терригенного

материала

кровле

ритмов.

Геохимическим

генезиса

углероди­

13

уменьшается при движении вверх по разрезу. Со­

Нигозеро

держание Copr. в различных породах свиты состав­

онежской

ляет

в

переотложенного

(-33,1 %0) и пород
свиты (-33,4 %0).

третьей пачки за­

В туфосланцах кондопожской свиты встре-

1,5-2 %.
В структурах второго порядка углеродсодер­

1;

чаются редкие для докембрия седиментационные

жащие породы кондопожской свиты распростра­

проявления

нены лишь в

ной

замковых северо-западных частях.

1-1 О

антраксолитов

в

виде

линз

толщи­

мм с трещинами синерезиса. В работах


Глава

608

IV.

События и факторы эволюции биосферы

(Мишунина, 1978; Горлов, Филиппов, 1987; Melezhik et а/., 2009) подобные битумы рассматрива­

стых, иногда карбонатных морских углеродсодер­
жащих отложений. Ее нижняя часть

(FB 1) сложена

ются как результат высачивания углеводородов из

черными сланцами и турбидитами с характерными

ловушек, сформированных в породах суйсарской

для мутьевых потоков полигенными брекчиями, в

и заонежской свит, и последующего отложения в

кровле

бассейне кондопожского времени. Б составе вклю­

руд; верхняя (FБ2)

свиты

залегают

-

горизонты

марганцовых

черными сланцами, карбо­

чений антраксолитов присутствует окатанный ма­

натными породами. Формация

териал вмещающих пород, захваченный битумом

150

при

кремнистыми породами с включением туфового

его захоронении

в условиях мелководной,

FC

мощностью до

м представлена массивными доломитами и

волноприбойной зоны. Антраксолит по величине

материала; формация

о 13 С, равной -35,4 ..,_ -36,0 %о (Melezhik et al.. 2009),

туфами игнимбритов, преобладающими в кровле;

близок к антраксолитам верхних горизонтов за­

формация

онежской свиты. Это означает, что с высокой веро­

ских песчаников и сланцев. Общая мощность по­

ятностью источником вещества для кондопожских

следних трех свит достигает

антраксолитов являются коллекторы УВ заонеж­

свиль в нескольких местах рассечена дайками до­

ской свиты. Мощность горизонта с антраксолита­

леритов. Бассейн Франсвиль является синклинор­

ми

в

структуре

достигает

переслаиванием пирокластиче­

FE -

1ООО

м. Серия фран­

80 м.

ной структурой первого порядка, на территории

Аналогичные проявления антраксолитов овальной

которой есть крупные структуры второго порядка,

или неправильной формы в гравийных и псамми­

например синклиналь Де М'венгуе шириной до

товых отложениях петрозаводской свиты (вепсий­

и длиной более

ский надгоризонт) описаны А. М. Ахмедовым и др.

западном направлении,

(1990).

Кондопожской

черными сланцами с

FD -

Следовательно, период разрушения коллек­

40

км (рис.

9),

10

вытянутая в северо­

а также складки более

мелкого порядка («складчатые

пояса» по

При формировании формации

Weber
FD рай­

торов УБ заонежской свиты и перезахоронения ОБ

et а/., 1983).

в осадках прибрежных фаций был длительным.

он испытал активизацию тектонической деятель­

ности. Многочисленные разломы со смещением по

вертикали до

2.

Палеопротерозойские аналоги

1ООО м

создали блоковую структуру

бассейна.

Онежского бассейна

Начало отложения осадочных пород серии
франсвиль совпадает с этапом растяжения земной

Б осадочном мегабассейне Франсвиль площадью около

ООО км

2

коры в этом регионе. (Ledrи

et а/., 1989),

а боль­

благодаря относительно

шая мощность и литологический состав пород се­

хорошей изученности и слабому метаморфизму

рии указывают на то, что бассейн эволюциониро­

пород выявлены

вал при постепенном, но прерывистом прогиба­

35

основные

признаки

феномена

«Шуньга», и потому он может служить в качестве

нии его дна.

ближайшего аналога Онежского палеобассейна. Он

Наиболее высокие концентрации ОБ в серии

состоит из трех бассейнов: Ластурсвиль, Оконжа

франсвиль установлены в породах формации

и Франсвиль. Юго-западная часть мегабассейна

FD.

(собственно бассейн Франсвиль, рис.

это уд­

ляют

линенная депрессия в архейском основании, за­

20 %.

полненная преимущественно осадочными отложе­

ции FБ

ниями (серия франсвиль): кластическими и вулка­

которые потенциально могли генерировать УБ, в
12 3

9) -

ногенно-осадочными породами нижнего протеро­

зоя

FB

и

Пределы колебаний содержания Сорг состав­

2-11 %,

достигая в отдельных прослоях более

Среднее содержание Сорг в породах форма­

-

5 %, FD -

8 %.

Общий объем пород,

бассейне Франсвиль составлял 12· 10 м (Mosset а/., 2001). Б грубообломочных прослоях

(2,1-1,950 ± 0,030 млрд лет) мощностью около
4000 м (Weber et а/., 1983; Вопhотте et а/., 1989;
Mossmaп, 2001). Нижняя формация (FA) гру­

maп

бые полевошпатовые песчаники и конгломераты

на первичную миграцию нефти). В работе

(дельтовые и речные отложения). Основная черно­

maп

сланцевая формация FБ мощностью

600-1 ООО м

«угле» Микоулоунгоу, который образует отдель­

объема состоит из пелитовых, кремни-

ные включения, расположенные согласно со слои-

на

80 %

пород формации FБ присутствует автохтонное и
аллохтонное ОВ (кероген и битумы, указывающие

et а/" 2001)

(Moss-

приводятся скудные сведения об


609

М М Филиппов, Н. С. Бискэ. Феномен «Шуньга» и его аналоги

Рис.

9.

Геологическая карта юго-западной части бассейна Франсвиль, Габон
ниями).

1-

долеритов;

формации

7-

FD

и

разломы; В

-

FE; 2-4 -

(Jensen et а/., 2001, с небольшими измене­
FC, FB, FA соответственно; 5 - архейское основание; 6 - дайки
разломы; 9 - населенные пункты

формации

предполагаемые

стостью, или слагает отдельные слои мощностью

рованных микробных сообществ в виде кремни­

до нескольких метров с признаками пластических

стых строматолитов, цианобактерии, сульфатреду­

деформаций. Возможно, генезис «угля» связан с

цирующие бактерии и иные микрофоссилии. Фор­

перераспределением ОБ под влиянием литостати­

мы проявления ОБ различны. В «угле» Микоу­

ческого давления на неконсолидированный оса­

лоунгоу особенно обильны следы развития суль­

дочный материал или под влиянием складчатости,

фатредуцирующих бактерий. В работе

тем более что проявления «угля» приурочены к

2010)

(Albani et al.,

приведено описание макрофоссилий разме­

синклинали второго порядка, а на участках разви­

ром до

тия разломов сформированы структуры высоких

странственно дискретных популяций колониаль­

порядков и складки течения с крутыми углами по­

ных организмов.

гружения осей. ОБ в бассейне Франсвиль менее

метаморфизовано (Mossтan,

2001)

по сравнению

с Онежской структурой (максимальное значение
керогена

-

Ro

6,9 % и 8,5 % соответственно, атом­
- Н/С О, l -о- 0,5 и 0,04 -о- 0,07), по­

ное отношение

видимому, из-за относительно слабо проявленно­

высокоорганизованных и про­

В битумах и флюидных включениях обнару­
жены (Dиtkewicz

et al., 2007)

многочисленные био­

маркеры: гопаны, 2а-метилгопаны, терпаны и сте­
раны и др., связанные с жизнедеятельностью бак­
терий, включая цианобактерии и эукариоты.

На основании изотопных данных предпола­
гается, что накопление ОБ шло в замкнутом бас­

го интрузивного магматизма.

Накопление

12 см -

отложений

сейне с прогрессирующим режимом стагнации и

связывают с жизнедеятельностью цианобактери­

возрастающим использованием фитопланкiоном

альных сообществ (Mossтan

биогенного метана. 8 С черных сланцев в осно­

дах формации

FB

углеродсодержащих

et al., 2001).

В поро­

установлены следы фоссилизи-

13

вании формации

FB

составляет

-23,6 %0,

находя-


610

Глава

IV. События и факторы эволюции биосферы

щихся в них битумов - -25,4 %0, сланцев кровли
FB до -37,5 %0, битумов из этой части разреза - до
-45,4 %0, сланцев формации FC и FD - до -45,3 %о
(Mossтan et al., 2001). Следовательно, изотопный

вания недоуплотненных зон, а выше по разрезу

состав углерода по стратиграфической колонке

бассейне Франсвиль. Однако в основании форма­

-

для образования трещин гидроразрыва.

В научных публикациях нет подробных сведе­
ний о процессах гипергенного рассеивания ОВ в

серии франсвиль и по разрезу заонежской свиты

ции

меняется аналогичным образом.

ложений и брекчий грязевых потоков, а в средней

FB

отмечается присутствие турбидитовых от­

Следы активной генерации и миграции

УВ

части зафиксированы внутриформационные линзы

выявлены как в черных сланцах формации

FB

песчаников. В кровле

FB 1 разведаны

залежи руд

(уже упоминавшиеся битумы), так и во вмещаю­

марганца, чье образование связано с этапом вывет­

щих породах в виде антраксолитов, заполняющих

ривания карбонатных пород. Формация

поровое пространство песчаников формации

преимущественно эпикластическими песчаниками.

FA,

полости в карбонатных породах, трещины клива­

жа пород формаций

Предполагается, что

FB-FE.

было три этапа миграции УВ (Моssтап,

2001):

первый связан с термальным изменением кероге­

Итак,

в

бассейне

FC

сложена

Франсвиль присутствуют

основные признаки феномена «Шуньга». Все ас­

пекты

исследования

феномена

в

Онежском

и

Франсвильском бассейнах, по сравнению с други­

на при погружении серии фрасвиль; второй при­

ми одновозрастными аналогами, оказались наибо­

ходится на период

1980 ± 50 млн лет и

лее полно представленными вследствие достаточно

продолжающимся

катагенезом

обусловлен

остаточного

керо­

детальной геологической изученности: первого

-

гена и битумов; последний, датируемый периодом

благодаря исторически сложившемуся интересу к

977-981±27 млн

шунгитам как возможному заменителю каменного

лет, обусловлен влиянием тепла

даек долеритов также на остаточный кероген и

угля; второго

битумы. Из пород формации

годов

FB

образовалось

около 84- 10 баррелей нефти (Mossтan et al., 2001),
9

что

сопоставимо

с

современными

гигантскими

нефтеносными бассейнами мира. По данным

et al., 1983; Вопhотте et al., 1989;

-

прошлого

вследствие открытия в начале 80-х
столетия

урановых

месторожде­

ний и природных ядерных реакторов.
Перечень других бассейнов-аналогов с при­

(Weber
2001)

знаками развития феномена «Шуньгю> приведен в

Mossтan,

табл.

1.

Пока не все из них в полной мере охарак­

условия

теризованы по причине либо неполной сохранно­

генерации УВ бьmи более мягкими по сравнению с

сти разрезов, либо отсутствия специальных ис­

Онежским бассейном, а условия, способствующие

следований, нацеленных на эту задачу.

можно

предположить,

их миграции,

-

что

термальные

более благоприятными. Об этом

свидетельствуют относительно меньшая насыщен­

ность

разреза

интрузивными

телами

и

впечат­

Выводы

ляющие объемы миграции УВ за пределы мате­
ринских пород формации
ции

FB

FB-FD. Сланцы форма­
FA несут типичные

и песчаники формации

признаки

давлений

существования

аномальных

пластовых

( Gaиther-Lafaye, Weber, 1989):

развитая

Синхронность процессов накопления ОВ в
период

2, 10-1,85 млрд

эпигенетического

ных друг

лет назад и сходство его

перераспределения

на

удален­

от друга щитах позволяют рассматри­

их

вать палеопротерозой в качестве глобальной эпо­

брекчии.

хи массового накопления ОВ, генерации и мигра­

Микротрещины вдоль напластования пород обычно

ции огромных объемов УВ. В это время на Земле

ассоциируют с флюидными включениями, то есть

складывались благоприятные условия для повсе­

флюиды играли основную роль в развитии трещи­

местного накопления ОВ, вероятно, за счет смены

новатости этого типа. Реконструкция вероятного

видового состава биоты, повышения концентрации

давления в сланцах формации

( Gaи­

кислорода в атмосфере, закономерной эволюции

сеть

микротрещин,

каймы

обрастания,

секущих

зерна

кварца

автокластические

FB

показала

и

что гидростатическое

состава вулканических газов и, в целом, особенно­

давление в подошве свиты до завершения лити­

стей тектонического развития земной коры в ран­

фикации пород действительно могло превышать

нем протерозое. Генерация в больших объемах УВ,

литостатическое и создавать условия для образо-

их миграция и накапливание в ловушках, а затем

ther-Lafaye, Weber, 1989),


М М Филиппов, Н С. Бискэ. Феномен «Шуньга» и его аналоги

611
Таблица

1

Палеопротерозойские осадочные бассейны с признаками феномена «Шуньrа»

Свита, формация

Возраст,
млрд лет

Литология

Мощность,

Сорг, о/о

м/площадь,

среди./

КМ

2

макс.

типов,
13

о С (%о PDB)

Ссылки

Фенноскандинавский щит
Заонежская свита, Онеж-

ский бассейн, Карелия

Граувакки,алевро-

<1,98 ± 0,27

доломиты, лидиты

Свита пильгуярви,

Печенгский зеленокамен-

2,06-2,0

ный пояс, Кольский п-в
Свита ильмозеро, зелено-

каменный пояс Имандра-

<2,06

Варзуга, Кольский п-в

<2,06

ви, Карелия
Свита петайкко. Сланцевый пояс, Финляндия

Граувакки, алевролиты, сланцы

-17,4 +-43,5;

5/80

10001
:::2100

2/11

800-1000/
:::8400

1/10

Кероген

15

>1000/

1,5/23

Кероген

15

?

?150

Кероген:

-17 ,6 + -20,О

Кероген:

-26, 1 + -41,О;

пиробитумы:

3,5, 7, 14

-27,1 +-44,4
Кероген:

-24,1;

пиробитумы

15,28

сланцы, доломиты,
лидиты

<2,06

Доломиты, сланцы
Черные сланцы,

Соанлахтинская свита,
Савво-Ладожский

Граувакки, алевролиты, сланцы

Кероген:

300-1800/
:::10 ООО

Алевролиты,

Свита соваярви, зелено-

каменный пояс Куолаяр-

литы, сланцы,

2,1-1,9

бассейн, Карелия

метаалевролиты,

туфоалевролиты,

до

5150,4

1800/

миграционные формы

10

27,29

графита

доломиты

Горст Моунана, Африка, Габон
Черные сланцы,

Формация

FB, FC, FD,

бассейн Франсвиль

2,10--1,95

алевролиты, доломиты, кремнистые

Кероген:

400-1000/
35 ООО

51>20

-22,6 + -46,2;

пиробитумы:

--42,2 + -45,4

породы

2,4, 8, 17,
18,23

Воронежский массив, Россия
Тимская свита, оскольекая серия

Черные сланцы,

2,3-2,0

доломиты, песча-

ники, амфиболиты

6001
:::25 ООО

5/36,3

Кероген и графит:

-27,4 +-31,1

20,26

Канадский щит, бассейн Анимики
Формация мичигамм,

гр. Барага, р-н Айрон

Ривер и Кристл Фэллс,

Черные сланцы,

2,0-1,9

-20001:::1000

5129

100-180;302551
:::15 ООО

?

Кероген и пиробитумы:

-30,5 +-31,5

литы

США, шт. Мичиган
Гр. Анимики, формация

ровэ, ганфлинт; вирджиния, Месаби, Канада,

граувакки, алевро-

Черные сланцы,

2,0-1,9

кремнистые породы, доломиты

Миннесота, США

Кероген:

9, 11, 22

-27,6 +-34,1;

пиробитумы:

1, 11, 16, 21

-33,0 + -39,2

Североамериканский кратон Найн
Сланцы, лидиты,

Формация кодайленд,

гр. Магфорд,
сев. Лабрадор

2,0--1,88

доломиты, алевро-

Кероген:

?

?

-31,79+-32,22

литы

24

Кратон Аравелли, Индия
Формация жамаркотра,

супергр. Арэвелли

Черные сланцы,

1,9-2,2

аркозы, доломиты,

?/::: 1650

5,0/14

Кероген:

- 13,1 +-29,7

19

граувакки

Ороген Пайн Крик, Сев. Австралия
Черные сланцы, до-

Формация вайт, гр. Ма-

унт Партридж

2,02-1,85

ломиты, алевролиты, кремнистые по-

-1000/
66 ООО

3,9/до

30

Кероген, пиробитумы:

-15,8 +-31,3

6, 12, 13, 25

роды, граувакки

Библиографические ссылки. 1. Barghoorn et а!., 1977. 2. Bonhomme et а!., 1982. 3. Buseck et а!., 1997. 4. Cortial et al.,
1990. 5. Филиппов, 2002. 6. Foster et al., 1990. 7. Галдобина и др., 1984. 8. Gauthier-Lafaye et а!., 1989. 9. Hoering, 1967.
10. Karhu, 1993. 11. Mancuso etal., 1989. 12. McKirdy, Jmbus, 1992. 13. McKirdy etal., 1974. 14. Melezhik etal., 1999.
15. Мележик и др., 1988. 16. Morey et al., 1988. 17. Mossman et а!., 2001. 18. Mossman, Nagy, 1996. 19. Papineau et al.,"2009.
20. Созинов и др., 1988. 21. Strauss et al., 1992. 22. Tyler et al., 1957. 23. Weber et а!., 1983. 24. Wilton, 1996. 25. Worden et al.,
2008. 26. Закруткин и др., 1989. 27. Бискэ, 1987; 28. Ахмедов, 1995. 29. Геология ... , 1982.


Глава

612

IV.

События и факторы эволюции биосферы

переотложение ОБ и УВ, проявленные также в ря­

Литература

де палеобассейнов, имеют специфику по сравне­
нию, например, с палеозоем из-за состава биоты,
повышенных термальных условий, относительно
низких литостатических давлений, состава атмо­

сферы. Миграция УВ осуществлялась в газообраз­
ном и жидком (эмульсии разного состава) состоя­
нии; временной интервал развития процессов

-

весьма продолжителен; дальность миграции от ма­

теринских пород была существенной. Вследствие
этого огромный резервуар ОБ оказывал сущест­

венное и длительное влияние на биосферу.
Признаки отмеченных глобальных событий
наиболее полно сохранились в Онежском палеобас­
сейне и потому их связанная последовательность

названа

феноменом

масштабное

«Шуньга».

эпигенетическое

Здесь

выявлено

перераспределение

ОВ в первичном слое, а также и за его пределами,

формирование купольных и субпластовых тел с
высокой, не характерной для

осадочных пород

протерозоя концентрацией углерода. Максовиты и
шунгиты

это полигенные и полихронные обра­

-

зования, созданные в процессе длительной диф­

ференциации сапропелевого вещества и полиме­
ризованных УВ. Рассеивание ОБ в больших объе­
мах шло путем эрозии пород заонежской свиты,
переноса и захоронения как в составе терригенно­

Атлас текстур и структур шунгитоносных пород Онеж­

ского синклинория

(2007) /

Ред. М. М. Филиппов,

В. А. Мележик. Петрозаводск: КарНЦ РАН.
Ахмедов А. М

(1995)

с.

79

Закрытые металлоносные углерод­

аккумулирующие системы вулканогенно-осадочных

бассейнов раннего протерозоя Балтийского щита
Региональная

геология

ВСЕГЕИ. №

С.

4.

и

металлогения.

122-135.

Ахмедов А. М, Гущин В. С, Савицкий А. В. и др.
Карелиды Южной Карелии
с.

//

(1990)
1.

Сов. геология. №

96--105.

Билибина ТВ., Мельников Е. К., Савицкий А. В.

(1991)

О новом типе месторождений комплексных руд в
южной Карелии// Геология рудных месторождений.

М.: Наука. №

6. С. 3-14.
(1997) Изотопный состав углерода графитов
Приладожья / Геология, петрография и геохимия до­

Бискэ Н. С

кембрийских образований Карелии.
КарНЦ РАН. С.
Бискэ Н. С

(2007)

Петрозаводск.

37-40.

Микропроявления миграционного уг­

леродистого вещества в залежах максовитов

/

Мате­

риалы всерос. конф. «Геодинамика, магматизм, се­
диментогенез и минерагения СЗ России». Петроза­

водск: КарНЦ РАН. С.
Бискэ Н. С

(2009)

46-49.

Природные коксы в залежах максо­

витов (Карелия, Заонежский полуостров)/ Материа­
лы всерос. конф. «Минерагения докембрия». Петро­
заводск: КарНЦ РАН. С.

15-18.

Бискэ Н. С, Ромашкин А. Е., РычанчикД В.

(2004)

Про­

го материала, так и в виде продуктов высачивания

терозойские пеперит-структуры участка Лебещина

УВ из коллекторов разного возраста. Следователь­

Петрозаводск: Тр. ИГ КарНЦ РАН. №

но, при оценке первичного содержания ОБ в осад­

ках палеопротерозоя необходимо учитывать мно­
жество путей рассеивания или, в благоприятных
условиях,

его

значительного

концентрирования.

В бассейнах-аналогах основные признаки феноме­

на «Шуньга» обладают как общими, так и специ­

фичными чертами.
логические, литостратиграфические, геохимиче­
ские и палеонтологические данные позволяют ин­

терпретировать их как свидетельство подобия ди­

намики заложения и развития бассейнов-анало­
гов, расположенных на разных континентах и на
в

тысячи

7.

//
193-199.
(1987) Ис­

С.

Бондарь Е. Б., Клесмент И. Р, Куузик МГ

следование структуры и генезиса шунгита// Горю­
чие сланцы.

4/4.

С.

377-393.

Галдобина Л. П., Шидловски М, Соколов В. А.

(1984)

Ис­

следования шунгитов нижнего протерозоя Карелии

методом углеродных изотопов// Тез. докл. 27-й межд.
геол. конгр. М. Т.

2.

С.

292.

Геология шунгитоносных вулканогенно-осадочных об­

Собранные к настоящему времени геохроно­

расстоянии

//

СПб.:

километров,

а,

в

конечном

разований протерозоя Карелии

(1982) /Ред.
208 с.

В. А. Со­

колов. Петрозаводск: КФАН СССР.
Гольдберг И. С

(1981) Природные битумы СССР. Л.: Не­
194 с.
Горлов В. И. (1984) Онежские шунгиты. Канд. дисс. Пет­
розаводск. 226 с.
Горлов В. И., Филиппов ММ (1987) О генезисе шунгито­
дра.

вого углерода пород суйсарской свиты нижнего про­

счете, как дополнительный довод в пользу гипо­

терозоя Карелии

тезы

ских исследований докембрийских пород восточной

(Zhao et а!., 2002)

о существовании в палео­

протерозое суперконтинента. Совокупность при­
знаков феномена «Шуньга» можно рассматривать
в качестве надежного глобального стратиграфиче­
ского репера.

// Методика и результаты геофизиче­

части Балтийского щита. Петрозаводск: КарНЦ РАН.
с.

105-122.
(2010).

Жмур С И.

Роль цианобактериальной системы в

формировании высокоуглеродистых пород. М.:

160 с.

URSS.


М М Филиппов, Н. С. Бискэ. Феномен «Шуньга» и его аналоги

Закруткин В. Е., Жмур С. И.

(1989) Высокоуглеродистая

формация в нижнем протерозое Курской магнитной
аномалии. Ростовский университет. Ростов-на-Дону.

125

с.

Тимофеев В. М

(1924)

наволокской

Битумы в районе Сай­

(1994)

вулканно-тектонической структуры

/

К генезису Прионежского шун­

гита// Тр. Ленингр. общества естествоиспытателей.
Т.

39.

Вып.

4.

Филиппов М М

Иванова ТА., Оношко И. С.

613

С. 99 - 122.
(2002) Шунгитоносные

породы Онеж­

ской структуры. Петрозаводск: КарНЦ РАН.

280 с.
(2002)

Филиппов М М, Бискэ Н. С., Медведев П. В. и др.

Органическое вещество шунгитоносных пород Ка­

Контактовый метаморфизм на Максовском место­

релии. Петрозаводск: КарНЦ РАН. С.

рождении шунгитоносных пород.// Геология и по­

Купряков С. В., Михайлов В. П.

123-128.

(1988) Зажогинское ме­
// Новое в геологии

сторождение шунгитовых пород

Северо-Запада РСФСР: Сб. научи. тр. М.: КФАН
СССР. С.

79-86.

лезные ископаемые Карелии. Петрозаводск: КарНЦ
РАН. Вып.

геологии.

плитных отрицательных морфоструктур

С.

//

Геотек­

тоника. №

3. 2004. С. 31-54.
(1983) Образование горючих ископае­
мых. М.: Недра. 192 с.
Мележик В. А. (1992) Седиментационные и осадочно­

Лопатин Н. В.

породные бассейны раннего протерозоя Балтийского
щита. СПб.: Наука.

256

с.

Мележик В. А., Басалаев А. А., Предовский А. А. и др.
Углеродистые отложения ранних стадий раз­

вития Земли. Л: Наука.

3. А. (1978)

с.

197

Литогенез органического вещества

и первичная миграция нефти в карбонатных форма­
циях. Л.: Недра.

152

с.

Общая стратиграфическая шкала нижнего докембрия

России.

(2002)
13 с.

Объяснительная записка. Апатиты:

КНЦ РАН.

Органическое вещество шунгитоносных пород Карелии.

(1994)

Ред. М. М. Филиппов, А. И. Голубев. Петро­

заводск: КарНЦ РАН.

208

с.

Проблемы стратиграфии нижнего протерозоя Карелии.

(1989) /А. П.
РАН. 159 с.

Светов (ред.). Петрозаводск: КарНЦ

Рычанчик Д. В., Ромашкин А. Е.

(1998)

Особенности

внугреннего строения Максовской залежи шунги­

товых пород// Углеродсодержащие формации в гео­

логической истории

Тез. докл. межд. симпоз. Пет­

/

розаводск: КарНЦ РАН. С.

Рябов Н. И.

(1933)

58.

Отчет о геологоразведочных работах

на Шуньгском месторождении шунгита за

1933

гг. Петрозаводск: Фонды КарНЦ РАН. С.

Созинов Н. А"

Чистякова Н. Н., Казанцев В. А.

193222-25.
(1988)

Металлоносные черные сланцы Курской магнитной
аномалии. М.: Наука.

141

с.

Суйсарский пикрит-базальтовый комплекс палеопроте­
розоя Карелии

(1999) /Ред. В. С. Куликов. Петроза­
96 с.
Тарханов Г В., Фрик М Г (2011) Остаточные битумои­
ды в породах протерозоя Онежской структуры //
водск: КарНЦ РАН.

Онежская

162-173.
(2005)

Геолого-геофизиче­

перекрытых коренными породами

сравнительная геодинамика и образование внугри­

Мишунина

С.

ские признаки купольных шунгитоносных структур,

Леонов МГ Онежская мульда и Мичиганский бассейн:

(1988)

5.

Филиппов М М, Дейнес Ю. Е.

структура.

Ред.

Л. В. Глушанин

Петрозаводск: КарНЦ РАН. С.

266.

и др.

Петрозаводск:

КарНЦ

//

Тр. Институга

РАН.

Вып.

8.

110-119.

Хейсканен К. И.

(1990)

Палеогеография

Балтийского

щита в карельское время. Петрозаводск: КарНЦ РАН.

128

с.

Штах Э" Маковски М Т,

(1978) Пет­
554 с.
Albaпi А. El., Beпgtsoп S., Carifield D. Е. et al. (2010) Large
colonial organisms with coordinated growth in oxygenated
environments 2.1 Gyr ago // Nature. V. 466. Р. 100-104.
Barghoorn Е. S" Kпoll А. Н. Deтhicki Н. Jr. et al. (1977)
Variation in staЫe carbon isotopes in organic matter
from the Gunflint iron formation // Geochim. Cosmochim. Acta. V. 41. Р. 425-430.
Вопhотте М G" Gauthier-Lafaye F, Weber F (1982) An
example of lower proterozoic sediments: The Francevillian in Gabon // Precambrian. Res. V. 18. Р. 87-102.
Bиseck Р. R" Galdohiпa L. Р., Kovalevski V V et al. (1997)
Shungite: The C-rich rocks of Кarelia, Russia // Canadian Mineralogist. V. 35. Part 6. Р. 1363-1378.
Cohen У., Aiseпshtat Z., Stoler А. (1980) The microbial geochemistry of Solar Lake, Sinai. // Ralph J. В. et al. (Eds.).
Biogeochemistry of ancient and modem environments.
Berlin, Heidelberg, N. У.: Springe. Р. 167-172.
Cortial F, Gaиther-Lafaye F, Lасrатре-Соиlоите G. et al.
(1990) Characterization of organic matter associated
with uranium deposits in the Francevillian formation of
Gabon // Org. geochem. V. 15. Р. 73-85.
Dutkewicz А" George S. С., Моssтап D. J. et al. (2007) Oil
and its biomarkers associaited with the Palaeoproterozoic Oklo natural fission reactor, Gabon // Chem. Geol.
V. 244. Р. 130-154.
Dutton С. Е. (1971) Geology ofthe Florence area, Wisconsin
and Michigan // U. S. Geol. Survey. Prof. Paper. 633. 54 р.
Foster С. В" Robhins Е. L" Вопе У. (1990) Organic tissues,
graphite, and hidrocarbon in host rocks of the Rum
Jungle uranium field, northem Australia // Ore Geol.
Rev. V. 5. Р. 509-523.
~
Hoering Т С. (1967) The organic geochemistry of Precambrian rocks / Researches in isotope. Ed. Р. Н. Abelson V. 2. Р. 87-111.
рология углей. М.: Мир.

Тейхмюллер М


614

Глава

IV.

События и факторы эволюции биосферы

Gauther-Lafaye F, Weber F (1989) Natural fission reactors of
Oklo // Economic Geology. V. 84. No. 8. Р. 2286-2295.
James Н L., Dutton С. Е., Pettijohn F J. et а!. (1968) Geology and ore deposits of Iron River-Crystal Falls //
U. S. Geol. Survey. Prof. Paper. 570. 134 р.
Ledru Р, №Dong J. Е., Jonan V. et а!. (1989) Structural and
metamorphic evolution ofthe Gabon orogenic belt: collision tectonics in the lower proterozoic? // Precambrian Res. V. 44. Р. 227-241.
Karhu J. А. (1993) Palaeoproterozoic evolution of the carbon
isotope ratios of sedimentary carbonates in the Fennoscandian Shield // Geological Survey of Finland,
Bulletin. 371. Р. 1-87.
Mancuso !. !" Kneller W А., Quick !. С. (1989) Precambrian vein pyrobitumen: evidence for petroleum generation and migration 2 Ga ago // Precambrian Res.
V. 44. Р. 137-146.
McКirdy D. М (1974) Organic geochemistry in Precambrian
research // Precambrian Res. V. 1. Р. 75-13 7.
McКirdy D. М, Jmbus S. W (1992) Precambrian petroleum:
а decade of changing perceptions // Early organic evolution. Berlin. Р. 176-192.
Melezhik V. А., FallickA. Е., Filippov ММ et а!. (1999)
Karelian shungite - an indication of 2.0-Ga-old metamorphosed oil-shale and generation of petroleum: geology, litology and geochemistry // Earth Science Reviews. Elsevier. V. 47. Р. 1--40.
Melezhik V. А., Fallick А. Е., Filippov М М et а!. (2009) Petroleum surface oil seeps from а Palaeoproterozoic petrified giant oilfield // Тепа Nova. V. 21. Р. 119-126.
Morey G. В., Schmus W R. van (1988) Coпelation of Precambrian rocks of the lake Superior region, United
States //U. S. Geol. Survey. Prof. Paper. 31 р.
Mossman D J. (2001) Hydrocarbon habitat of the paleoproterozoic Franceville series, repuЫic of Gabon // Energy sources. V. 23. Р. 45-53.
Mossman D. J., Gauthier-Lafaye F, Jackson S. Е. (2001) Carbonaceous substances associated with the paleoproterozoic natural nuclear fission reactors of Oklo, Gabon: paragenesis, thermal maturation and carbon isotopic

and trace element composition // Precambrian Res.
V. 106. Р. 135-148.
Mossman D. J., Nagy В. (1996) Solid Ьitumens: an assessment of their characteristic, genesis, and role in geological processes // Тепа Nova. No. 8. Р. 114-128.
Mycke В., Michaelis W, Degens Е. Т. (1987) Biomarkers in
sedimentary sulfides of Precambrian age // Adv. Org.
Geochem. V. 13. № 4. Р. 619--625.
Papineau D., Purohit R., Goldberg Т. et а!. (2009) High primary productivity and nitrogen cycling after the Paleoproterozoic phosphogenic event in the Aravalli Supergroup, India // Precambrian Res. V. 171. Р. 37-56.
RиЫе Т. Е., Bake!A. J., PhilpR. Р (1994) Compound specific isotopic variaЬility in Uinta Basin native Ьitumens:
paleoenvironmental implications // Org. Geochem. V. 21.
Р. 661-671.
Strauss Н, Des Marais D. J., Hayes J. М et а!. (1992)
Proterozoic organic carbon - its preservation and isotopic record / Early organic evolution: implications for
mineral and energy resources. Eds. М. Schidlowski et al.
Berlin. Р. 176-210.
Tyler S. А., Barghoorn Е. S., Barrett L. Р (1957) Anthracitic coal from Precambrian upper huronian Ыасk shale
of the Iron River district, northem Michigan // Geol.
Soc. Ат. Bull. V. 68. Р. 1293-1304.
Weber F, Schidlowski М, Arneth J. D. et а!. (1983) Carbon
isotope geochemistry ofthe lower proterozoic Francevillian series of Gabon (Africa) // Terra Cognita. V. 3. Р. 220.
Wilton D. Н (1996) Palaeoproterozoic, 1.88-2.0 Ga, organic
matter from the Mugfordr/Kaumajet Mountain group,
northem Labrador // Precambrian Res. V. 77. Р. 131-141.
Worden К. Е., Carson С. J., Scrimgeour !. R. et а!. (2008)
А revised Palaeoproterozoic chronostratigraphy for the
central Pine Creek Orogen, northem Australia: Evidence
from SHRIMP U-Pb zircon geochronology // Precambrian Res. V. 166. Р. 122-144.
Zhao G., Cawood Р А., Wilde А., Sun М (2002) Review of
global 2.1-1.8 Ga orogens: implications а pre-Rodinia
supercontinent // Earth Science Reviews. Elsevier. V. 59.
Р. 125-162.


ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЛАТЕРАЛЬНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ МИКРОФОССИЛИЙ
В ВЕНДСКИХ НЕФТЕГАЗОНОСНЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ НЕПСКОГО СВОДА

НЕПСКО-БОТУОБИНСКОЙ АНТЕКЛИЗЫ Восточной СИБИРИ

(*)Институт геологии и геохронологии докембрия РАН
<**) ФГУ НПП «Геологоразведка»

<***1 ФГУП «Всероссийский нефтяной научно-исследовательский
геологоразведочный институт»

golиbkovaeyи@тail.rи, lena.raevskaya@тail.rи

В результате микропалеонтологического изучения

35

разрезов скважин, вскрывших рифей-вендские от­

ложения на территории непского свода Непско-Ботуобинской антеклизы Восточной Сибири, проанализировано
стратиграфическое положение и видовое разнообразие комплексов микрофоссилий. На одном стратиграфиче­
ском уровне, в терригенный породах непского горизонта выделены

4 таксономически различные ассоциации:
(Leiosphaeridia-Talakania) и три богатых (Appendisphaera-Talakania; Appendisphaera-Hamakinia и Appendisphaera-Gen et sp. indet), которые выше по разрезу сменяются обедненными биотами с преобла­
данием нитчатых водорослей (Siphonophycus; Siphonophycus-Vanavarataenia). Установлено, что латеральное и
одна~ обедненная

стратиграфическое распространение ассоциаций микрофоссилий отражает особенности существования от­
дельных биотов, развитие которых контролировалось локальными условиями вендского палеобассейна. Полу­

ченные по микрофоссилиям данные согласуются с палеогеографическими реконструкциями, разработанными
для позднедокембрийских отложений внутренних районов Сибирской платформы.

Находки микрофоссилий в докембрийских
нефтегазоносных

толщах

Непско-Ботуобинской

докембрия и, в частности, венда стали более оче­
видными. В результате проведенных недавно мик­

антеклизы известны с 80-х годов прошлого столе­

ропалеонтологических

тия (ПятWiетов,

1980, 1986; Рудавская, ВасWiьева,
1989; Колосова, 1991; Файзулина и др., 1991; Moczydlowska et al., 1993 и др.). Относительно их

отложений центральных и юго-восточных районов

биостратиграфического потенциала, в силу ряда

микрофоссилий, позволившие убедительно обос­

объективных причин, существовало много проти­

новать вендский возраст и провести корреляцию

воречивых мнений. Первые оптимистические про­

вмещающих пород (Голубкова и др.,

гнозы не напmи в те годы должного подтверждения

менее, сопоставление некоторых характерных так­

в силу ряда объективных причин. Плохо разрабо­

сономических ассоциаций вызвало немалые труд­

исследований

осадочных

Сибирской платформы бьши выделены стратигра­
фически

значимые

комплексы

акантоморфных

2010).

Тем не

танная систематика вносила путаницу в таксоно­

ности из-за отсутствия ясной картины их лате­

мические

рального

определения,

а спорадичность находок

распространения.

Фациальная

приуро­

и отсутствие данных о фациальной приуроченности

ченность диагностичных таксонов микрофоссилий

снижали достоверность стратиграфических выво­

до сих пор остается слабо изученной.

дов. Однако по мере накопления новых фактиче­

Разрезы

35

скважин, вскрывших вендские от­

2006;

ложения на Верхнечонской, Западной, Озерной,

Воробьева и др.,

за рубе­

Хамакинской и Талаканской площадях непского

жом

возмож­

свода (рис. 1) были изучены с целью выявiения за­

ских данных не только в России (Вейс и др.,

2006, 2008 и др.), но и
(Grey, 2005; Grey, Calver, 2007 и др.)

ности применения микрофоссилий для обоснова­

кономерностей латерального распространения мик­

ния биостратиграфического расчленения верхнего

рофоссилий с возможной палеофациальной интер-


Глава

616

IV.

События и факторы эволюции биосферы

ID

s:
'о

ll.
с:

Общая

Региональные

стратиrр.

стратиграфич.

шкала

подразделения

m

:t
Q)

!:>
::t:
о
(')

«!

:t :t
Q)
~
~ :s:t :s:а.
е

~

804.

о

812

f::t:

со

'rг~

о

827

свита

1

,fJ

о

~/
1

А

>:S:

:s:

"'ы

о
с:

успунская

ID

:s:

s:

:r

со
с:[

'о

>:S:

:s:

"'

о

ll.

бюкская

с:

а.

·--~с:[

:r
Q)

tD

i

свод
парши~

822·

<ЖВЯ

о

1::
ф

::t: талахская
>:S:

:s:

"'

о

:r

екая

~

бетинчин-

m
с:
:s:

tD

>:S:

t:s:

а.

• 780

хоронох-

81р.

екая

>::S:

::s;:

талакан-

~
о.

екая

!И

АиБ:

га-2[]

Условные обозначения:

- номера скважин
-

микрофоссилии не выявлены

-

микрофоссилии обнаружены

-

распространение

А:

-

Б:

Рис.

1.

распространение

распространение

Appendisphaera,

Talakania
-

распространение

Cavaspina

-

распространение

Tanarium

Siphonophycus

-

распространение

Gen. et sp. indet. 1

Vanavarataenia

-

распространение

Hamakinia

Закономерности латерального распространения микрофоссилий в отложениях непского свода: А

свите; Б

-

-

в паршинской

в пограничных отложениях паршинской и бюкской свит

претацией. Наиболее полные осадочные последо­

верхневендскими карбонатными толщами тирского

вательности верхнего докембрия развиты в вос­

и даниловского горизонтов (Решения четвертого .. ,

точной части непского свода. На верхнерифей­

1989;

ских

залегают

В западном и северо-западном направлениях на­

нижневендские терригенные отложения вилючан­

блюдается постепенное сокращение мощностей

ского

нижневендских отложений за счет выклинивания

песчаниках

и

непского

талаканской

горизонтов,

свиты,

перекрывающиеся

Стратиграфия нефтегазоносных .. ,

2005).


Е. Ю. Голубкова и др. Закономерности латерального распространения микрофоссилий

617
Таблица

1

Диагностичные таксоны паршинской биоты

отложений талаканской и хоронохской свит. Изу­

Верхне-Нюйская- 780, Центрально-Талаканская-811.

ченные образцы происходят из талаканской, талах­

Ее основной характеристикой является преоблада­

ской, паршинской и бюкской свит (рис.

ние сфероморфных акритарх

В талаканской свите (скв.

1).
806, 808, 826, 843)

Leiosphaeridia minutissima, L. crassa, L. tenuissima, L. jacutica с под­

в небольшом количестве выявлена только фраг­

чиненным количеством нитчатых микрофоссилий

ментированная органика. Микрофоссилии не об­

Siphonophycus sp.
Ассоциация с

наружены.

В отложениях талахской свиты ( скв.

804, 806,
808, 815, 817, 823, 824, 826, 843, 844, 845) на фоне
неопределимого органического детрита установле­

ны единичные сфероморфные акритархи рода

sphaeridia.

Leio-

Общее количество органического веще­

ства существенно выше, чем в талаканской свите.

Отложения паршинской свиты по разному оха­
рактеризованы в разных районах непскоrо свода

(рис. 1, А и Б). В скважинах 804, 810, 812, 815, 817,
827, 828, кроме органического детрита, ничего не
выявлено. В остальных скважинах обнаружены
разнообразные таксономические ассоциации мик­

рофоссилий хорошей и превосходной сохранности.
По присутствию наиболее характерных таксонов
были выделены четыре ассоциации: одна обеднен­

ная

(Leiosphaeridia-Talakania) и три более богатого
(Appendisphaera-Talakania, Appendisphaera-Hamakinia и Appendisphaera-Gen. et sp. indet. 1).
Первая (Leiosphaeridia-Talakania) установлена
состава

в нижней подсвите паршинской свиты в скважинах
Центрально-Талаканская-806, Верхнечонская-98,

и

Talakania obscura.
Appendisphaera-Talakania

отли­

чается высоким содержанием акантоморфит. Она
установлена в скважинах

96, 780, 741, 742, 750, 761
и распознается по присутствию акритарх Appendisphaera grandis, А. tenuis (табл. 1 фиг. 1), «А». tabifica, двухслойных оболочек Pterospermopsimorpha insolita, овальных форм Cucumiforma vanavaria, Navifusa sp., сфероморфных микрофоссилий
рода Leiosphaeridia, нитчатых Talakania obscura и
Siphonophycus sp., с которыми встречаются более
редкие Cavaspina acuminata, Ceratosphaeridium
glaberosum, Cucumiforma vanavaria, Lophosphaeridium sp. и некоторые другие таксоны. В отложени­
ях паршинской свиты скв. Озерная 761 допол­
нительно обнаружены Tanarium conoideum (табл. 1,
фиг. 2), и Т. tuberosum.
В ассоциации с Appendisphaera-Hamakinia,
выделенной в скважинах 848, 806, 809, 823, 824,
помимо перечисленных выше Appendisphaera grandis, А. tenuis, «А». tabifica, Navifusa sp., Tdfakania
obscura (табл. 1, фиг. 3), Siphonophycus sp., Leiosphaeridia spp., встречаются многочисленные свое-


Глава

618

IV.

События и факторы эволюции биосферы

образные образования, отнесенные к роду

изученной территории, на схему расположения

kinia (табл. 1, фиг. 5). Акритархи
nata (табл. 1, фиг. 4), обнаружены

HamaCavaspina acumi-

в скв. Цетрально­

таксонов (рис.

Талаканская-806, а представители рода

Tanarium

зафиксированы в скв. Цетрально-Талаканская-848.
Богатая ассоциация с

Appendisphaera-Gen. et
скважинах 843, 844, 845, 849,

sp. indet. 1 вьщелена в
21301, 21302. Для нее

скважин были нанесены «ареалы» диагностичных

ченным

1,

А и Б; табл.

результатам

1).

видно,

что

Согласно полу­
максимальное

разнообразие микрофоссилий приурочено к вос­
точной части непского свода вдоль линии, повто­

ряющей

направление

Предпатомского

прогиба.

характерно присутствие, не

Этой же линии в той или иной степени следуют

описанных пока, сложно построенных многокле­

сравнительно более узкие области распростране­

точных нитчатых водорослей

ния

Gen. et sp. indet. 1
Appendisphaera gran-

(табл. 1, фиг. 6) и акритарх
dis, А. tenuis, совместно с которыми встречаются
Cavaspina acuminata, Tanarium tuberosum, Leiosphaeridia spp., Talakania obscura, Siphonophycus
sp. и некоторые другие таксоны.
Снизу вверх по разрезу паршинской свиты
наблюдается постепенное снижение таксономиче­

некоторых

характерных

таксонов,

что,

воз­

можно, связано с особенностями существования
определенных

биотопов,

контролируемых

ло­

кальными условиями бассейна. Северная часть
свода охарактеризована слабо. В центральной и

южной частях микрофоссилии почти не встреча­
ются, что может свидетельствовать об отсутствии
морских обстановок.

ского разнообразия микрофоссилий за счет исчез­

Полученные по микрофоссилиям данные со­

новения некоторых сфероморфных акритарх, в

гласуются с предложенными палеогеографически­

том числе акантоморфит. В пограничном интерва­

ми реконструкциями позднего рифея

ле паршинской и бюкской свит обнаружены био­

тральных районов Сибирской платформы (Шемин,

ты, представленные преимушественно нитчатыми

2007).

венда цен­

-

Накопление терригенных отложений верх­

водорослями. По таксономическому составу вы­

нерифейской талаканской и нижневендской та­

деляются две ассоциации.

лахской свит на территории непского свода про­

Первая, обедненная ассоциация с Siphonophycus распространена в скважинах 96, 741, 742, 750,
761, 780, 815. Ее состав сложен нитчатыми микро­
фоссилиями Siphonophycus sp., Oscillatoriopsis sp.,
Glomovertella glomerata, Talakania obscura и сфе­
роморфными акритархами Leiosphaeridia spp.
Вторая (Siphonophycus-Vanavarataenia) уста­
новлена в скважинах 803, 808, 806, 841, 843, 844,
845, 847, 848, 849, 21301, 21302. Она содержит те
же Siphonophycus, Oscillatoriopsis, Talakania, Leiosphaeridia, но выделяется присутствием характер­
ных Vanavarataenia insolita и представителей вен­

исходило в условиях аккумулятивной суши, пере­

дотениевой флоры.

дят таксономически богатые ассоциации микро­

Исследования вышележащих отложений бюк­
ской свиты (скв.

803, 806, 817, 741)

не дали резуль­

ходящей в восточном направлении в прибрежные
равнины, временами заливаемые морем. Насту­
пающая

с

востока

трансгрессия

моря

в

период

формирования паршинских осадков обусловила
появление и последовательное развитие разнооб­
разных комплексов микрофоссилий на всей тер­
ритории непского свода, за исключением его юго­

западной части (рис.

1 А).

В нижней части паршин­

ской свиты фиксируются эврифациальные морфо­
логически примитивные сфероморфы

ridia).

(Leiosphae-

На смену им в верхней части свиты прихо­

фоссилий с участием разнообразных представи­
телей рода

Appendisphaera,

нитчатых

Talakania

и

татов. Доля органического вещества, содержаще­

менее

гося в образцах, незначительна. Микрофоссилии

восточной и восточной частях непского свода эти

не выявлены.

ассоциации еще более разнообразны за счет при­

Таким образом, наиболее насыщенными яв­
ляются отложения паршинской и нижней части

распространенных

Cavaspina.

северо­

сутствия видов рода

Tanarium,

и

Такое обилие и разнообразие

Gen. et sp. indet. 1.

а также

В

Hamakinia

бюкской свит непского-тирского горизонтов. Вы­

микрофоссилий соответствует наиболее благопри­

деленные

микро­

ятным обстановкам, сложившимся в мелководной

фоссилий имеют разное площадное распростра­

части морского шельфа. Постепенная смена тер­

нение. Чтобы понять их соотношения и оценить

ригенного осадконаконакопления на карбонатное

возможные

в начале формирования бюкской свиты привела

в

этом

интервале

закономерности

ассоциации

распространения

на


Е. Ю. Голубкова и др. Закономерности латерального распространения микрофоссилий

к исчезновению ассоциаций с акантоморфными ак­
ритархами и широкому, но кратковременному раз­

витию нитчатых водорослей

latoriopsis, Vanavarataenia

Siphonophycus, Oscil-

(рис.

1 Б).

Рудавская В. А., Васильева НИ.

нефтегазоносных

(2006)

Первые

плите: таксономический состав и биостратиграфи­
№

11 Стратиграфия.

4.

С.

Геол. Корреляция.

28--46.

Воробьева Н Г, Сергеев В. Н, Нолл Э. Х

(2008)

Фито­

планктон и зоопроблематики нижнего венда Восточ­
но-Европейской платформы (Тиманское поднятие)­
биостратиграфическая модель нижней границы тер­
минальной системы протерозоя

XII

//

Сб. материалов

Всеросс. Палинологической конференции. Пали­

нология: стратиграфия и геоэкология.
С.

2008.

Т.

3.

7-12.

Воробьева Н Г, Сергеев В. Н, Семи.хатов МА.

(2006)

Уникальная нижневендская кельтминская микробиота
Тимана: новые данные о палеонтологии венда и его

глобальной характеристике// Докл. АН.
№

3.

С.

2006.

Т.

410.

366--371.

Голубкова Е. Ю., Раевская Е. Г, Кузнецов А. Б.

(2010)

Нижневендские комплексы микрофоссилиий Вос­
точной Сибири в решении стратиграфических про­

блем региона

// Стратиграфия. Геол. корреляция.
2010. Т. 18. № 4. С. 3-27.
Колосова С. П. (1991) Позднедокембрийские шиповатые
микрофоссилии востока Сибирской платформы //
Альгология. 1991. Т. 1. № 2. С. 53-59.
Решения четвертого межведомственного регионального
совещания по уточнению и дополнению стратигра­

фических схем венда и кембрия внутренних районов
Сибирской платформы. Новосибирск: СНИИГГиМС.

1989.

с.

40.

СССР.

Л.:

ВНИГРИ.

(1986)

Микрофитофоссилии позднего

территорий (западная часть Сибирской плагформы)

находки нижневендских микрофоссилий на Русской

14.

провинций

докембрия Катангской седловины и сопредельных

Вейс А. Ф., Воробьева Н Г, Глубкова Е. Ю.

Т.

! Фи­

тостратиграфия и морфология спор древних растений

1989. с. 5-11.

Литература

2006.

Талсинский ком­

плекс акритарх Непско-Ботуобинской антеклизы

Пятилетов В. Г

ческое значение

(1989)

619

//

Поздний докембрий и ранний палеозой Сибири.

Стратиграфия и палеонтология. Новосибирск.
С.

1986.

129-164.

Пятилетов В. Г

(1980)

Юдомский комплекс микрофи­

тофоссилий Южной Якутии// Геология и геофизика.

1980. № 7.

с.

8-20.

Стратиграфия нефтегазоносных бассейнов Сибири. Ри­
фей и венд Сибирской платформы и ее складчатого

обрамления

! Ред. А. Е. Конторович. Новосибирск:
2005. 432 С.
Файзулина 3. Х., Трещетенкова А. А., Дробкова Е. Л.,
Сосновская Г П. (1991) Растительные микрофос­
«Ге0»,

силии из подсолевых нефтегазоносных отложений

Талаканской площади

//

Стратиграфия и биостра­

тиграфия юга Восточной Сибири. Иркутск.
С.

1991.

86--95.

Шемин Е. Г

(2007)

Геология и перспективы нефтегазо­

носности венда и нижнего кембрия центральных рай­
онов Сибирской платформы (Непско-Ботуобинская,
Байкитская антеклизы и Катангская седловина)// Но­
восибирск. Издательство СО РАН. 2007. 467 с.
Grey К. (2005) Ediacarian palynology of Australia // Assoc.
Austral. Paleontol. Мет. 2005. V. 31. 439 р.
Grey К., Calver С. R. (2007) Coпelating the Ediacaran of
Australia / Eds. Vickers-Rich Р., Komarower Р. Тhе Rise
and Fall ofthe Ediacaran Biota // J. Geol. Soc. London.
Special рuЫ. 2007. V. 286. Р. 115-135.
Moczydlowska М, Vidal G., Rudavskaya V А. (1993) Neoproterozoic (Vendian) phytoplankton from the Siberian Platform, Yakutia // Palaeontology. 1993. V. 36.
Р. 495-521.


ЛИТОГЕОХИМИЯ ВЕНДСКИХ ОТЛОЖЕНИЙ

ЮГО-ВОСТОКА СИБИРСКОЙ ПЛАТФОРМЫ

В. Н. Подковыров
Институт геологии и геохронологии докембрия РАН.

vpodk@тail.ru

Проведено литолого-геохимическое изучение отложений венда юго-востока Сибирской платформы

-

непского горизонта (талахская и паршинская свиты) непского свода Непско-Ботуобинской антеклизы и
уринской и валюхтинской свит Байкало-Патомского региона. Комплексы осадков паршинской и уринской
свит формировались в окислительных и дисокисных мелководных морских обстановках при интенсивном
поступлении осадочного материала с континента. Терригенные отложения валюхтинской свиты накопля­

лись в глубоководных, преимущественно аноксических морских обстановках при затрудненной циркуля­

ции вод и умеренном поступлении силикокластического материала в бассейн. Полученные для комплекса
отложений уринской-валюхтинской свит данные согласуются с моделью развития океанических анокси­

ческих бассейнов фанерозоя, где на начальных стадиях трансгрессии формируются шлейфы мелководно­
морских отложений и преобладают окислительные или диокисные обстановки (уринская свита), а в более
глубоких частях бассейна с затрудненной циркуляцией вод реализуются аноксические обстановки (ва­
люхтинская свита). Всплеск разнообразия пертатакских биот венда обусловлен, вероятно, сочетанием
многих факторов, среди которых существенную роль играло поступление с континента в мелководные
морские бассейны тонкодисперсного глинистого материала, богатого нутриентами, а отложение осадков
и захоронение органических остатков происходило в условиях затрудненного доступа кислорода (дисо­

кисные фации).

ной части непского свода (рис.

Введение

1 б).

Для сравнения

с непскими проведено литогеохимическое изуче­

В настоящее время на территории Непско­

Ботуобинской

антеклизы Предпатомского рай­

она юго-востока Сибирской платформы выделе­
ны и изучены богатые комплексы микробиот

ние отложений дальнетайгинской серии (рис.

1 а)

байкальского комплекса Байкало-Патомского ре­
гиона (Стратиграфия .. ,

2005) -

уринской сви­

ты Уринской зоны, содержащей в своем составе

пертатакского типа, позволившие обосновать

эдиакарский комплекс микрофоссилий (Нагови­

вендский возраст толщ и сопоставить их с из­

цын и др.,

2004;

Воробьева и др.,

2008),

и одно­

вестными эдиакарскими биотами мира (Пяти­

возрастной с ней валюхтинской свиты Патомско­

летов,

Жуинской зоны, бедной органическими остат­

1983;

Рудавская В. А., Васильева,

Наговицьт и др.,

2004;

Голубкова и др.,

1989;
2010).

ками (Станевич и др.,

2006).

Следует отметить,

С целью выяснения условий формирования от­

что возраст отложений байкальского комплекса

ложений непского горизонта нижнего венда Не­

относительно общей стратиграфической шкалы

пско-Ботуобинской антеклизы нами изучены ли­

России, в отсутствие надежных геохронологи­

тологические

и

геохимические

терригенных

отложений

характеристики

талахской и

ческих данных для верхнедокембрийских толщ

паршин­

северной части Байкало-Патомского региона,

ской свит в ряде скважин южной и юго-восточ-

определяется в диапазоне от среднего рифея (Доль­
ник и др.,

Работа выполнена при поддержке программы Президиума
РАН №

24

и гранта РФФИ

ll-05-008l3a.

2000)

Голубкова и др.,

до венда (Воробьева и др.,

2010)

мается вендским.

i008;

и в данной работе прини­


Глава

622

IV.

События и факторы эволюции биосферы

Непский

~-

свод

95\:96

\

• 811
809,

о

\.~.

100 км

L....--.-.J

~Б
'824
'826

б)

а)

CIA

808
•801

А

100

90

80

Диаграмма

A-CN-K (А\203 - CaO*+Na20 -

К20) для

арrиллитов паршинской свиты Талаканской и Хамакинской

70

площадей центральной части Нюйско-Пеледуйской зоны

- субстрата аргюшитов:
1- rаббро; 2- тоналит; 3- rранодиорит; 4- гранит;

Составы пород областей сноса

к

CN
в)

,~

"

~

А

"
!;;
е

~
с

~

§

"'

ё~
i~е- ~;

Рис.

1.

Схемы расположения изучен­
ных разрезов венда юга Си­

бирской платформы и геохи­
мические характеристики

по­

род: а) Схема расположения
изученных разрезов

~

50

><

Байкало-Патомского региона:

~ it =
~ >:>::

=
~

~ ~

УЗ

1

@'

~

-

уринская зона,

урин­

1-

ская свита, р. Ура; ПЖЗ

-

Па­

томско-Жуинская зона, р. Мал.
Патом. б) Схема расположе­

;=
ё

юго-вос­

тока Сибирской платформы и

150

'~

Непско-Ботуобинской

антеклизы.

1-

жин;

граница

2 -

номера сква­
непского

свода. в) Диаграмма вариации

~

~

ния скважин венда Патомского
свода

индекса

25

1983)

CIA (Nesbltt, Young,

дnя аргиллитов паршин­

ской свиты. г) Геохимическая
реконструкция окислительно­

Обстановки седиментации:

+

восстановительных обстановок

- окислительные (<0.38 FeНR/FeT) +
а - дисокисные до аноксических
О

г)

седиментации пород паршин­

ской свиты


В. Н Подковыров. Литогеохимия вендских отложений юго-востока Сибирской платформы

1.

623

Непский горизонт нижнего

кинский нефтепродуктивный горизонт; мощность

венда непского свода

25-55 м, рис. 1 г).

Для песчаных слоев хамакинской

пачки характерны градационные текстуры с пере­

Изученные отложения непского горизонта юго­

ходом от массивных и косослоистых гравелитов

восточного склона непского свода (нижнехама­

в основании слоев к тонкослоистым аргиллитам

кинская

представлены

в кровле. Выше по разрезу подсвита представлена

преимущественно терригенными отложениями та­

зеленовато-серыми тонкослоистыми аргиллитами, в

и

талаканская

площади)

лахской и паршинской свит. Материал для иссле­

кровле

разреза содержащими прослои

доломитов.

дования получен из остатков керна скважин, про­

Мощность верхней подсвиты паршинской свиты

буренных в 80-х годах прошлого века, что опреде­

около

370 м (Стратиграфия .. , 2005).

Петрографические особенности песчаных по­

лило неоднородность опробования отложений венда

род хамакинского горизонта (скв.

территории.

Талахская свита непского горизонта (скв.

815,

-

рис.

1 б) -

808, 815, 817, 844,

умеренная сортировка и окатанность

сложена переслаиванием

обломочного материала, наличие обломков крупной

сероцветных песчаников и зеленовато-серых тон­

размерности и катунов аргиллитов, трещин усыха­

ко- и линзовидно-слоистых алевролитов и аргил­

ния, выполненных раннедиагенетическим карбо­

817, 824, 844,

рис.

1 б)

литов. Существенные различия в сортировке и

натным и андидритовым цементом, указывают на

окатанности обломочных зерен песчаников талах­

высокие темпы осадконакопления и периодически

ской свиты указьmают на разнообразные источники

возникавшее осушение в вендском бассейне осад­

сноса, включая как переотложенный кварцевый ма­

конакопления юго-восточной части непского свода.

териал осадков

Аргиллиты хамакинского горизонта представ­

интракратонного происхождения,

так и плохо сортированные и окатанные обломки

лены тонко-горизонтально и линзовидно-слоисты­

гранитоидного субстрата, сцементированные слю­

ми разностями серой и зеленовато-серой, до чер­

дисто-кварцевым, железистым или сульфатно-гли­

ной, окраски. По данным микрозондового анализа,

нистым материалом.

в минеральном составе глинистых пород паршин­

Геохимический анализ палеообстановок фор­

ской свиты преобладают гидрослюда, смешаннос­

мирования пород показывает, что отношения ряда

лойные смектит-гидрослюда и хлорит, в подчинен­

микроэлементов (редокс-индексов) в образцах

ном количестве встречаются смектит и каолинит.

аргиллитов талахской свиты свидетельствуют о

В ряде образцов присутствует ангидрит (до

преобладании слабо окислительных и дисокис­

или карбонат, реже

ных обстановок (V/Cr = 0,8-1,70; Ni/Co = 1,5-4,9;
V/(V + Ni) = 0,65-0,84) в придонной среде седи­
ментации при накоплении глин ( скв. 815, 817,
рис. 1 г). Вероятно, преобладание окислительных

Химический состав аргиллитов паршинской свиты
указывает

на

-

мелкие вкрапления пирита.

сравнительно

глинистого вещества

15-20 %)

высокую

(CIA= 73-85,

рис.

зрелость

1 в),

ха­

рактерную для континентальных кор химическо­

обстановок вместе с имевшей место механиче­

го выветривания, а повышенные отношения К/Al

ской абразией материала в мелководных морских

(0,22-0,34) -

обстановках ранневендского бассейна седимента­

Метастабильный комплекс минералов, вероятно,

ции (Постникова и др.,

могло приводить к

формировавшихся в умеренно аридном (а возмож­

быстрому окислению и деструкции микробиот

но, и нивальном?) климате, указывает на смеше­

талахской свиты.

ние

2008)

Паршинская свита в нижней подсвите, мощ­

ностью до

130 м,

сложена серыми и темно-серы­

ми тонко- и линзовидно-слоистыми аргиллитами

2005).

нем

как

кор

автохтонных

выветривания,

продуктов
так

и

размыва

переотложен­

ных глинистых минералов предшествующих цик­
лов осадконакопления.

Сероцветные аргиллиты верхней подсвиты

и алевритистыми аргиллитами с прослоями и пач­

ками серых доломитов (Стратиграфия .. ,

в

вендских

на вероятную аридизацию климата.

паршинской свиты (скв.

1 г)

808, 815, 817, 844, 848,

В основании верхней подсвиты выделяется пачка

рис.

разнозернистых сероцветных песчаников с ангид­

литоральных и литоральных морских обста:wшках,

отлагались, вероятно, в спокойных супра­

рито-глинистым цементом, включающих единич­

в условиях некоторого дефицита кислорода и пре­

ные прослои зеленовато-серых аргиллитов (хама-

обладания дисокисных и, возможно, аноксических


Глава

624

IV.

События и факторы эволюции биосферы

(Ni/Co = 2,8-7,3; V/(V + Ni) = 0,84--0,92)

состава), мусковитом и рудными минералами.

в илистых осадках, что обеспечивало хорошую

Цемент пород базальный, кварц-серицитовый, кар­

сохранность микрофоссилий в породах. Сочетание

бонатно-кварцевый, реже с обилием органического

окисных и дисокисных обстановок характерно лишь

детрита. Аргиллиты свиты сложены, судя по рент­

для более грубозернистых песчано-алевритовых

геновским данным, гидрослюдой-мусковитом, хло­

пластов хамакинского горизонта (рис.

ритом и кварцем с примесью смектита, рудных ми­

обстановок

1 г).

В целом, быстрое накопление и захоронение

нералов и апатита. В некоторых образцах серых ар­

в ходе непской трансгрессии отложений паршин­

гиллитов, содержащих микрофоссилии, количество

ской свиты в литоральных обстановках мелковод­

раннедиагенетического апатита достигает

ного шельфа (Жемчугова и др.,

2011),

1,5-2 %.

Фоссилиеносные аргиллиты уринской свиты

должно бьшо

способствовать хорошей сохранности микрофос­

отлагались,

силий, особенно в породах верхней части разреза

образцах пород

свиты в восточной и юго-восточной частях непско­

0, 78),

rо свода (Нижне-Хамакинская площадь).

лительных или дисокисных обстановок в придон­

судя по значениям редокс-индексов в

(Ni/Co = 1,8-4,2; V/(V + Ni) = 0,59-

в морском бассейне с преобладанием окис­

ной среде седиментации. Ряд образцов аргиллитов
характеризуется повышенным содержанием фос­

Уринская свита

2.

фора (до

0,6 %

Р2 0 5 ), иттрия и редкоземельных

элементов, распределение которых близко к на­

Отложения уринской свиты Уринской зоны

блюдаемым для органического вещества зон океа­

Байкало-Патомского региона изучены в разрезах

нического апвеллинга с повышенным содержани­

нижнего течения р. Ура, в

км выше устья

ем фосфора в органической матрице пород. Мож­

Здесь они представлены плохо об­

но предположить, что повышенные концентрации

наженной тощей терригенных пород, содержащей

биофильных элементов в сероцветных глинистых,

в верхах разреза свиты прослои известняков и до­

в том числе фоссилиеносных, породах уринской

реки (рис.

1 а).

2-2,5

ломитистых известняков. Свита, общей мощно­

свиты связаны с высокой биологической продук­

стью до

тивностью бассейна, богатого нутриентами, по­

300--350 м,

сложена тонко (первые см.

-

десятки см.) переслаивающимися серыми и зеле­

ступавшими с тонкодисперсным глинистым веще­

новато-серыми алевролитами и аргиллитами с от­

ством континентального стока.

дельными прослоями мелкозернистых песчаников
и, в верхах разреза, известняков и доломитистых

известняков.

3.

Тонкая горизонтальная, волнистая,

Валюхтинская свита

реже косая слоистость, отсутствие трещин усыха­
пород свидетельст­

Валюхтинская свита Жуинско-Патомской зоны

вуют о мелководных морских обстановках (лито­

Байкало-Патомского региона в разрезах рр. Мал.

раль

Патом и Жуя (рис.

ния и

-

однородность

окраски

нижняя литораль). Присутствие редких

1 а) сложена в нижней подсвите,
300-350 м, переслаиванием темно-се­

слоев грубозернистых песчаников с однонаправ­

мощностью

ленной косой слоистостью связывается с эпизо­

рых и черных углеродистых сланцев с подчинен­

дами формирования подводных конусов выноса

ными прослоями серых метаалевролитов и мета­

на фоне погружения дна уринскоrо бассейна на

песчаников; в кровле подсвиты сланцы содержат

восток-юго-восток, по направлению к внутренним

прослои черных известняков. Верхняя подсвита в

частям ранневе~щскоrо бассейна северной части

нижней части

Байкало-Патомскоrо прогиба.

ем черных сланцев и метаалевролитов с прослоя­

Петрографический анализ алевро-песчаных

пород уринской свиты (обр.

984-3, 983-4, 984-7

ми

серых

(300--350

м) сложена переслаивани­

полимиктовых

разреза (около

100 м)

и др.) показывает преобладание в обломочной

серые

фракции плохо и умеренно сортированных и ока­

темно-серых сланцев.

песчаников;

в

верхах

преобладают грубослоистые

разнозернистые

песчаники

с

прослоями

танных зерен, представленных кварцем, плагиокла­

Петрографо-минералогическое изучение пока­

зом, обломками пород (сланцы, кварциты, гранито­

зало, что черные сланцы валюхтинской свиты пред­

идные породы, реже обломки эффузивов основного

ставлены

двуслюдяными

и

хлорит-мусковитовы-


В. Н. Подковыров. Литогеохимия вендских отложений юго-востока Сибирской платформы

625

ми породами с переменным содержанием примеси

ных, так для бентосных организмов эпиконтинен­

кварца,

среди

тальных морских бассейнов является разносимый

которых преобладает пирит и пирротин. Метамор­

течениями тонкодисперсный глинистый материал,

физованные песчаники варьируют по составу от

поступавший с континентальным стоком

полимиктовых до кварц-граувакковых, с перемен­

1992),

плагиоклаза

и

рудных

минералов,

(Fanning,

что характерно и для позднедокембрийских

ным содержанием кварц-карбонатного или слюди­

осадочных бассейнов

сто-карбонатного цемента. Сортировка обломочного

2008).

материала песчаников, как и его первичная окатан­

возрастность отложений уринской и валюхтинской

ность до наложения процессов бластеза,

свит, согласуются с представлениями, положенны­

-

ат уме­

(Kennedy, 2006; Подковыров,

Полученные нами данные, принимая одно­

ренной до хорошей. Процессы седиментации пород

ми

валюхтинской свиты проходили в дистальных об­

событий (ОАС) фанерозоя

становках умеренно

et al., 2010).

глубоководного

шельфа (Станевич и др.,

морского

в

основу

модели

океанических

аноксических

(Mort et al., 2007; Kraal

На начальных этапах трансгрессии

2006; Немеров и др., 2010).

океанического бассейна, предшествующих разви­

Проведенное геохимические изучение валюх­

тию ОАС, преобладают окислительные мелководно­

тинской свиты показало, что черные сланцы и мета­

морские обстановки, происходит бурное развитие

алевролиты, как правило, обогащены Сорг (до пер­

биот, в том числе и за счет привноса нутриентов с

вых процентов), сульфидами железа (пирит, пирро­

континетов,

тин), но обеднены фосфором. Геохимические кри­

окисления при переносе и осаждении теряет фос­

терии

фор

=

(V/Cr= 1,9-4,3; Ni!Co = 3,2-7,8; FeНR/FeT=
0,74-0,93) свидетельствуют о преобладании ди­

никновения глобального аноксического события

сокисных и аноксических обстановок, что согласу­

являются нарушение океанической циркуляции и

ется с присутствием в породах рассеянной суль­

повышение температуры океана,

фидной минерализации. Можно предположить, что

ется, в частности для аноксических событий мела

наблюдаемое отсутствие в темноцветных углеро­

(Hein et al., 1993; Kraal et al., 2010).

дистых сланцах баракунской и валюхтинской свит

представительных
(Станевич и др.,

комплексов

2006)

микрофоссилий

связано как с неблагоприят­

а

органическое вещество в процессе

(Mort et al., 2007).

Важными факторами воз­

что предполага­

Окисление органического вещества на профиле
седиментации и высвобождение фосфора способ­
ствует резкому повышению биологической про­

ными экологическими обстановками и недостат­

дуктивности океана

ком питательных веществ для развития микробиот

именно этим процессом обусловлено накопление

(пик поступления которых приходился на уринские

в литоральных и сублиторальных обстановках па­

(Kraal et al., 2010).

Вероятно,

фации Уринского антиклинория), так и с растворе­

томского шельфа фоссилиеносных тинистых осад­

нием органических остатков при их осаждении в

ков уринской свиты, содержащих до

толще воды бедного кислородом умеренно глубо­

В более глубоководных, дистальных обстановках

ководного шельфа бассейна.

шельфового бассейна (валюхтинская свита разре­

0,7 %

Р20 5 .

зов рр. Мал. и Бол. Патом), в условиях затруднен­
ной циркуляции и стратификации вод преобладали,

Обсуждение результатов

по-видимому, аноксические обстановки с широко
проявленными

процессами

сульфат-редукции.

Геологическая летопись венда фиксирует рез­

Именно подобные неблагоприятные фациальные

кие изменения климата, фациальных обстановок

обстановки и недостаток нутриентов (в том числе

седиментации,

включая

низкие концентрации фосфора) и привели к рез­

(Чумаков,

гляциальные

отложения

а), биохимии и разнообразия фи­

кому сокращение количества и разнообразия мик­

топланктона, что могло быть следствием сушест­

рофоссилий в черносланцевых отложениях венда

венных перестроек биосферы Земли, в том числе

Патомского прогиба, представленных здесь специ­

2011

изменений в углеродном цикле и содержании ки­

фическими ювксинными» сообществами с широ­

слорода в атмосфере Земли (Сочава,

ким стратиграфическим диапазоном распростра-

кин,

нения (Станевич и др.,

1993; Федон­
2003; Fike et al., 2006; Canfield et al., 2007).

Известно,

что

основным

источником

~

2006).

пита­

Оставляя за рамками обсуждения вопрос о

тельных веществ (нутриентов) как для планктон-

корреляции осадков непского горизонта нижнего


Глава

626

IV.

События и факторы эволюции биосферы

венда непского свода с уринскими-валюхтински­

ми отложениями, можно предположить, что бога­
тые и таксономически разнообразные ассоциации

микрофоссилий паршинской свиты (Голубкова и др.,

2010;

Голубкова и др., этот сборник) накоплялись

также в мелководных окисных и дисокисных об­
становках эпиконтинентального морского бассейна,

богатого нутриентами, поступавшими в основном
с

тонкодисперсным

глинистым

материалом

кон­

т.

419.

№

с.

6.

//

Геология. Доклады РАН.

2008.

782-787.

Голубкова Е. Ю., Раевская Е. Г

(2007)

Нижневендский

комплекс микрофоссилий внутренних районов Си­
бирской платформы //Материалы Междунар. кон­
ференции «Рассвет и закат вендской (эдиакарской)

биоты.

Происхождение

М.: ГЕОС,

2007.

С.

современной

биосферы».

39-42.

Голубкова Е. Ю., Раевская Е. Г, Кузнецов А. Б.

(2010)

Нижневендские комплексы микрофоссилий Восточ­
ной Сибири в решении стратиграфических проблем

тинентального стока.

Наблюдаемые вариации 8 13 С в карбонатных
породах дальнетайгинской серии -от-3 до-6 %о

(VPDB)

Средней Сибири

в покровных карбонатах джемкуканской

(большепатомской) свиты до повышенных поло­

жительных значений (от

+5

до

+8 %0)

в перекры­

вающих баракунской, уринской и каланчевской

свитах (Покровский и др.,

2006 а,

б) согласуются с

региона

//

Стратиграфия. Геол. Корреляция.

Т.

4.

С.

18.

№

Дольник ТА.

3-27.
(2000) Строматолиты

2010.

и микрофитолиты в

стратиграфии рифея и венда складчатого обрамле­

ния юга Сибирской платформы. Новосибирск. Изд-во
СО РАН.

2000. 320

с.

Же.мчугова В. А., Некрасов И. А., Аманов Г Г

(2011)

Осо­

бенности седиментогенеза вендских нефтегазонос­

большинством референтных кривых вариаций изо­

ных отложений Непского свода// Минеральные ин­

топного состава карбонатов, полученных для венд­

дикаторы литогенеза. Сыктывкар: Геопринт,

ских (эдиакарских) последовательностей мира. Хо­

С.

тя

точное

возрастное

положение

джемкуканских

2011.

137-138.

Наговицын К. Е., Файзуллин М Ш" Якитн М С.

(2004)

а) и

Новые формы акантоморфных акритарх байкалия

надстраивающих ее отложений дальнетайгинской

Патомского нагорья (уринская свита, Восточная Си­

тиллитов (больmепатомских, по Чумаков,

серии

остается

неопределенным,

2011

полученные

хе­

мостратиграфические и геохронологические (Чу­

маков и др.,
эти

2011

отложения

б) данные позволяют сопоставить
скорее

надстраивающими

возрастом около

с

последовательностями,

тиллиты

580-585

Гаскьер

(Шурам)

с

млн лет, предшествую­

щим массовому появлению эдиакарски/С

Metazoa.

При этом накопление в «холодноводной» анокси­

бирь)// Приложение к журналу «Геология и геофи­
зика».

45. Новости палеонтологии
графии. Вып. 6-7. С. 7-19.
Подковыров В. Н. (2008) Палеоэкология и
2004.

Т.

и страти­
тафоно­

мия лахандинской микробиоты верхнего рифея
Сибири// Проблемы зарождения и эволюции био­

сферы. М.: Книжный дом «Либроком»!URSS,
С.

2008.

531-540.

Покровский Б. Г, Мележ:ик В. А., Буякайте МИ.

а)

ческой части Патомского бассейна карбонатов ба­
ракунской и уринской свит с аномально тяжелым

ских отложениях Патомского комплекса, Централь­

изотопным составом углерода (Покровский и др.,

ная Сибирь. Сообщение

2006 б),

а затем и метансодержащих кристаллогид­

ратов связано, вероятно, с общим состоянием океана
в венде (недостаток кислорода, преобладание вос­
становленного железа

et al., 2010)).

(Fike et al., 2006;

PlanavsЛy

Временной интервал этих процессов,

исходя из механизма действия обратных связей
при восстановлении атмосферы после глобальных
аноксических событий, не превышает нескольких

Sr

и

(2006

Изотопный состав С, О,

S

в позднедокембрий­

Результаты, изотопная

1.

стратиграфия и проблемы датирования// Литология
и полез. ископаемые.

2006.

№

5.

С.

505-530.

Покровский Б. Г, Мележuк В. А" Буякайте М И.
Изотопный состав С, О,

Sr

и

S

(2006 б)

в позднедокембрий­

ских отложениях патомского комплекса, Централь­

ная Сибирь. Сообщение 2: природа карбонатов с
13
ультра низкими и ультра высокими значениями Б С //
Литология и полез. ископаемые. 2006. № 6. С. 642--654.
Постникова О. В" Соловьева Л В" Тихомирова Г И. (2008)
Строение аллювиально-пролювиальных природных

миллионов лет.

резервуаров нижнего венда южного склона Непско­

Чонского мегасвода (Сибирская платформа)// Неф­
тяное хозяйство.

Литература

Пятилетов В. Г
Воробьева Н Г, Сергеев В. Н, Чумаков Н М

(2008)

Но­

2008. № 2. С. 9-15.
(1983) Растительные микрофоссилии

уринской свиты (Патомское нагорье)

//

Стратигра­

вые находки ранневендских микрофоссилий в урин­

фия позднего докембрия и раннего палеозоя Сред­

ской свите: пересмотр возраста патомского комплекса

ней Сибири. Новосибирск: ИГиГ,

1983.

С.

115-121.


В. Н Подковыров. Литогеохимия вендских отложений юго-востока Сибирской платформы

Решения четвертого межведомственного регионального
совещания по

уточнению и дополнению стратигра­

627

Чумаков Н. М Капитонов ИН., Семихатов МА., Лео­
нов М В., Рудько С. В.

(2011 6)

Вендский возраст

фических схем венда и кембрия внутренних районов

верхней части патомского комплекса Средней Сиби­

Сибирской платформы. Новосибирск: СНИИГГиМС.

ри:

1989. 40

с.

Рудавская В. А., Васильева Н. И

(1989)

Талсинский ком­

плекс акритарх Непско-Ботуобинской антеклизы

//

Фитостратиграфия и морфология спор древних расте­
ний нефтегазоносных провинций СССР. Л.: ВНИГРИ,

1989.

с.

5-11.

Сочава А. В. Квазистационарная модель геохимического

цикла и эволюция биосферы на рубеже докембрия и
фанерозоя
№

6.

С.

// Известия
41-56.

АН СССР. Сер. геол.

Станевич А. М, Немеров В. К., Чатта Е. Н.

(2006)

1992.
Мик­

рофоссилии протерозоя Саяно-Байкальской складча­

той области. Обстановки обитания, природа и клас­
сификация. Новосибирск: «Ге0>>,

2006. 204

с.

Стратиграфия нефтегазоносных бассейнов Сибири. Ри­
фей и венд Сибирской платформы и ее складчатого
обрамления

/

Ред. Мельников Н. В. Новосибирск.:

Филиал «ГеО» изд-ва СО РАН,

Федонкин МА.

(2003)

2005. 428

с.

Сужение геохимического базиса

жизни и эвкариотизация биосферы: причинная связь//

Палеонтологический журнал.
Чумаков Н. М

(2011

а)

позднего протерозоя

2003.

№

6.

С.

33-40.

Африканская ледниковая эра

// Стратиграфия. Геол. Корре­
2011. Т. 19. № 1. С. 3-23.
Чумаков Н. М (1993) Среднесибирский гляциогоризонт
рифея //Стратиграфия. Геол. Корреляция. 1993. Т. 1.
№ 1. С. 21-34.
ляция.

U-Pb, LA-ICPMS

датировки обломочных цирко­

нов никольской и жербинской свит

// Стратиграфия.
2011. Т. 19. № 2. С. 115-119.
Fanning К. А. (1992) Nutrient provinces in the sea: concentration ratios, reaction rate ratios, and ideal covariation.
Journal of Geophysical Research. 1992. V 97 Р. 56935712.
FikE D. А., Grotzinger J Р, Pratt L. М, Summon R. Е. (2006)
Oxidation of the Ediacaran ocean // Nature 2006. V 444.
№ 7120. Р. 744-747.
Kennedy М., Droser М, Meyer L., Pevear D., Mrojka D.
(2006) Late Precambrian oxygenation: inception of the
clay mineral factory // Science. 2006. V 311. Р. 14461449.
Kraal Р, Slomp С. Р, Lange G. J de. (2010) Sedimentary
organic carbon to phosphorus ratios as а redox proxy in
Quaternary records from the Mediteпanean // Chem.
Geology. 2010. V 277. Р. 167-177.
Mort Н. Р, Adatte Т., Follmi К. В., Keller G., Steinmann Р,
Matera V, Berner Z., Stuben D. (2007) Phosphorus and
the roles of productivity and nutrient recycling during oceanic anoxic event 2 // Geology. 2007. V. 35
Р. 483-486.
Planavsky N J, Rouxel О. J, Bekker А., Lalonde S. V, Konhaиser К., Reinhard С Т., Lyons Т W (2010) Тhе evolution of the marine phosphate reservoir // Nature. 20 l О.
v. 467. 1088-1090.
Геол. Корреляция.


КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ДРЕВНИХ
ДРОЖЖЕВИДНЫХ КЛЕТОК EOSACCHAROMYCES

Т Н. Герман
Институт геологии и геохронологии докембрия РАН

vpodk@mail.rи

Изучена многочисленная популяция рифейских дрожжевидных организмов

ложений лахандинской серии Сибири с возрастом около

Eosacchacoromyces

1 млрд

Eosacchacoromyces

из от­

лет. Органостенные микрофоссилии

наглядно демонстрируют существование в позднем рифее такой биологической организа­

ции, как быстрая трансформация одноклеточных организмов и создание ими псевдотканевой многоклеточно­
сти. Наличие у

Eosaccharomyces

обратной связи и возможности манипулирования клеточной стенкой приводи­

ло к образованию замкнугого пространства и формированию индивидуальной многоклеточной структуры, а
внутриклеточное взаимодействие регулировалось, вероятно, процессами гетерокариоза. Морфология, циклы
развития представленных организмов дают основание предполагать, что радиация дрожжеподобных грибов
аскомицетов относится к позднему протерозою.

Грибы представляют собой особое царство

В данной работе представлена многочисленная

эукариотных безхлорофильных гетеротрофных ор­

популяция рифейских дрожжевидных организмов,

ганизмов, которые питаются преимущественно ос­

обнаруженных в отложениях лахандинской серии

мотрофно и большинство из которых способны

Учуро-Майского региона Юго-Восточной Сибири,

размножаться с помощью спор (часть грибов поте­

возраст отложений

ряла эту способность и размножается вегетативно).

Серебряков,

1983;

1015-1025 млн лет (Семихатов,
2000).

Семихатов и др.,

Интерес к этой группе организмов проявляется в

Органические остатки в большом количестве

силу огромной их роли в современной и древней

сохранились на биопленках, морфология их на­

биосфере Земли. До настоящего времени ведутся

поминала почкующиеся дрожжеподобные клетки,

дискуссии о системе грибов, о времени их первого

и они в свое время получили близкое таким грибам

появления и родственных связях (Малахов,

название

Heckman et al., 2001; Hedges et а!.,
et а!., 2005; Gaidos et а!., 2007).

Герман,

2003;
2004; Padovan

Eosacchacoromyces (Герман, 1979, 1990;
Подковыров, 2006). Специалистами палео­

нтологами микрофоссилии были замечены, но, по

Грибам свойственна метаболическая актив­

определению американского палеонтолога А Нолла

ность и большая генетическая трансформация.

(Knoll, 1992),

Ультраструктурные особенности позволяют им

так называемым

предполагалась их близость грибам,

slime molds.

Николае Баттерфилд

быстро адаптироваться в новых условиях. Грибы

склонен относить эти органические остатки к це­

одни из первых колонизируют самые разные суб­

нобиальным агрегатам (Bиtterfield,

страты, в том числе глубоко внедряются в горные

время, согласно ссылкам Баттерфилда на работы

породы, выполняя главную роль в выветривании

по дрожжевым грибам

пород и создании палеопочв (Астафьева и др.,

Antonini, 2008),

2009;

Заварзина,

зин, Рожнов,

2009, 2010; Заварзин, 2009; Завар­
2010; Hojjland et а!., 2004; Bonneville

et а!., 2009).

2009).

В то же

(Gladfelter, 2006; Ceccato-

существующий уровень многокле­

точной организации у диморфных грибов не ис­
ключает возможной близости лахандинских мик­

рофоссилий современным

Saccharomyces.

С такой
~

точкой зрения согласен автор данной публикации.
Работа выполнена при поддержке Программы
РАН.

25

Президиума

Разные точки зрения на природу дрожжевидных

микрофоссилий

послужили поводом подробнее


Глава

630

IV.

События и факторы эволюции биосферы

представить своеобразную рифейскую популяцию

в данной работе рассматриваются как многокле­

организмов, обнаруженных в пограничных отложе­

точные псевдогифовые структуры разнообразной

ниях мезо-неопротерозоя. Кроме того, на ископае­

конфигурации.

мом материале выявлены процессы последователь­

Образование нитевидной многоклеточности у

ной трансформации одиночных клеток в сложные

рифейских организмов происходило путем про­

многоклеточные структуры. Сохранившиеся харак­

растания одиночной клетки. Однако нитевидное

терные особенности в строении и развитии древ­

строение быстро переходило в псевдонитчатое

нейших дрожжевидных микрофоссилий несомнен­

при появлении боковых дочерних почек, иногда

но интересны с микологической и общебиологиче­

расположенных по одной стороне многоклеточной

ской точек зрения, поскольку несут информацию о

гифы. Нарастающие дочерние почки, сближались

древнейшем

навстречу друг другу до полного контакта и фор­

природном

ных организмов,

сообшестве дрожжевид­

широко распространенных в

со­

временной биосфере.

мировали замкнутое пространство (табл.

12

В истории развития жизни на Земле вопрос
происхождения многоклеточности остается до на­

а). Обычное почкование клеток (табл.

1, фиг. 12,
1. фиг. 2, 3)

приводило к формированию микроколоний раз­

ной формы (табл.

1,

фиг.

4-6, 8-11).

стоящего времени дискуссионным. В связи с этим

В строении и развитии микроколоний (псев­

и проблема перехода от одноклеточности к мно­

догифовых структур) прослеживается ряд специ­

гоклеточности является актуальной.

фических для них признаков. Они могли удли­

В природе

существуют организмы из одной клетки. К ним

няться, разветвляться (табл.

относятся дрожжевые грибы, включенные в группу

тироваться. В определенной стадии жизненного

несовершенных грибов, которым свойственна спон­

цикла у псевдомицелия отмечается фаза форми­

танная изменчивость, при которой констатируется

рования плотных участков с тенденцией к разде­

многообразие образующихся форм (Мацкевич,

лению их на секторы с меньшим числом индиви­

Современные дрожжи

-

1981).

быстро растущие, высо­

дов (табл.

1,

фиг.

4, 4

а,

8, 9).

1,

фиг.

9)

и фрагмен­

Для некоторых видов

ко ферментноактивные организмы, адаптирован­

поселение группой в удобную для грибов нишу

ные к жидкой среде, размножающиеся вегетатив­

структурно выгодно, легче для выживания и кол­

но, бесполым или половым способом. Спонтанно

лективного внедрения их в субстратат

возникающие внутривидовые формы грибов,

na, 2007).

точки зрения ряда авторов (Комаров,
Курсанов,

1945;

с

(Gorbushi-

При благоприятных условиях происхо­

1902, 1940;

дило образование нового мицелия, предназначен­

и др.), рассматриваются как зачат­

ного для захвата большей площади и утилизации

ки новых видов внутри исходного сложного вида.

питательного субстрата.

В этом, по их мнению, заключается процесс видо­

Типичное для грибов петлеобразное перепле­

образования, проходящий через формообразова­

тение гифов, прослеживается и у микрофоссилий

ние как основной путь эволюции грибов.

Eosacchacoromyces,

Рифейские дрожжевидные клетки имеют сфе­

как и сr:iособность их роста в

любом направлении (табл.

2.

фиг.

3).

Судя по всему,

тре­

древние дрожжевидные организмы обладали спо­

угольно-овальную форму. Размеры их заметно

собностью ревиртировать (расти в обратном на­

варьируют. Диаметр у сфероидальных клеток

правлении) к родительскому типу и уже развили

роидальную,

овальную,

цилиндрическую

и

-

5-20 мкм, у овально-цилиндрических клеток
50 мкм. Последние тяготеют к нитевидному строе­
нию и достигают 100 мкм. По форме отдельных

них клеток, образующих обратную связь с роди­

клеток, типу их развития и соединения друг с дру­

тельским типом (табл.

гом (табл.

фиг.

6, 6

а). Интересно поведение древ­

2,

фиг.

4).

От центральной

уплотненной части многоклеточного псевдомицелия
в левую сторону отходит цепочка двурядных кле­

ных дрожжей (табл.

Ископаемые клетки

ток, надстроенных новыми почками уже в три ряда

могли быть организованы в виде разветвленных

и снова перестроенных в один ряд и кольцевид­

псевдотрихомных структур (табл.

но повернутых в сторону родительского мицелия.

но

чаще

1,

фиг.

представлены

2,
7).

фиг.

1,

микрофос­

1-4,

табл.

(табл.

силии близко сопоставимы с клетками современ­

1,

фиг.

механизм модульного построения псевдомицелия

1,

1, 2)

фиг.

1, 12, 12 а),
самого

В нижней его части произошел контакт конечной

Те и другие

клетки с двумя клетками родительского мицелия.

микроколониями

разного внешнего облика (табл.

1, 2).


Т Н. Герман. Конструктивные особенности древних дрожжевидных клеток

Eosaccharomyces

631

Таблица
Морфологическое разнообразие колоний

Примеча11ие. Фиг.

1-6, 8-12 4, 4а -

кующиеся микрофоссилии;

экз. №

а

-

Eosaccharomyces

псевдотрихомная организация клеток;

анастомоз древних клеток; колония с тенденцией к разделению;

полиплоидной клетки (см. стрелку);

5, 5 а -

2, 3 -

поч­

образование

6, 6 а - колония двумя модульными современных конструкциями, ревертирующие
7 - рис. современных Saccharomyces (Курс 11изш. раст., 1981); 8-11 - морфологичесw~:е разно­
колоний Eosaccharomyces. Масштаб линейки - 200 мкм

к родительскому типу;
сти в развитии

5540-19-76: 1, 12, 12

1


Глава

632

IV.

События и факторы эволюции биосферы

Таблица
Морфологическое разнообразие в строении псевдомицелиев

Примечание. Фиг.

1-4: 1 -

трансформация формы клеток у

Eosaccharomyces

колония, показывающая раздвоение клеток при аносомазе, экз. № 10-в-1976;

Eosaccharomyces,

экз. №

5530-19-76; 3 -

нейки

-

100 мкм.

-

2 -

петлеобразное переплетение многоклеточных

псевдотрихомных структур, в центре цепочки возможно развита толстостенная спора, экз. №

ние обратной связи и замкнутого пространства (см. стрелки

2

5536-19-76; 4 - образова­
5529-19-76. Масштаб ли­

раздвоенные клетки); экз. №


Т Н. Герман. Конструктивные особенности древних дрожжевидных клеток

Процесс почкования сменился на слияние (табл.
фиг.

4,

2,

см. стрелку). При этом контактирующая

клетка увеличилась в объеме и слегка раздвои­

Eosaccharomyces

633

странства и формированию индивидуальной мно­
гоклеточной структуры.

Становление новых признаков у

Eosacchaco-

происходило в силу специфики их органи­

лась. В результате обратной связи слияние клеток

romyces

привело к образованию замкнутого пространства.

зации, заключающейся в непосредственной очень

Так одноклеточными организмами создана замк­

прочной связи клетка к клетке, позволяющей бы­

нутая индивидуальная многоклеточная структура,

струю передачу клеточных сигналов, возможности

способная к функционированию.

изменения их морфологии и перехода к нитевид­

Формирование уплотненных участков псев­

ному строению. Внутриклеточное их взаимодей­

При такой

Eosacchacoromyces контролировалось кле­
точным регулированием обмена веществ и, веро­

аранжировке клетки контактируют между собой и

ятно, процессами гетерокариоза. Существование

некоторые

последнего

домицелия

имело

направленное по спирали рас­

положение клеток (табл.

из

нии сразу с

них

1,

фиг.

4, 4 а).

оказываются

несколькими

в

соприкоснове­

клетками, указывая на

процесс анастомоза. У дрожжевых грибов рода

Saccharomyces

ствие у

могло

оказать

решающее

значение

в

появлении у грибов поколений с новыми свойст­
вами (Мацкевич,

1981; Маргулис, 1983).

при таком процессе в результате

Морфология, циклы развития представленных

совмещения с помощью анастомоза цитоплазмы и

организмов дают основание предполагать, что ра­

ядер двух или нескольких клеток возникают гете­

диация дрожжеподобных грибов аскомицетов от­

рокариотические комплексы (Мацкевич,

носится к позднему протерозою.

1981).

Литература

Заключение
В биогеоценозах прошлого дрожжеподобные
микрофоссилии

выполняли

важнейшую

роль,

обусловливая процессы брожения. Подобно со­
временным аналогам,

они могли иметь

высокую

скорость обмена веществ. С такой же скоростью
они растут и размножаются. Тем самым рифей­

Астафьева М М, Алфимова Н. А.,
Розанов А. Ю.

существенный вклад в выветривание и формиро­

в рифее

//

Палео­

С.

99-103.
(1990)

Органический мир миллиард лет

тому назад.// Л.: Наука,

1990. 50 с.
(2008)

Герман Т Н., Подковыров В. Н.

Находки предпо­

лагаемых хищных грибов из лахандинской микро­

вание глинистых пород.

Органостенные микрофоссилии

romyces

2009. С. 12-15.
(1979) Находки грибов

нтология докембрия и раннего кембрия. Л.: Наука,

1979.

вносили

Происхождение

М.: ПИН РАН,
Герман Т Н.

Герман Т Н.

кислорода,

//

и ископаемые микроорганизмы

в изменении окружающей среды, способствовали
атмосферного

Матреничев В. А.,

Древние коры выветривания

биосферы и эволюция гео-биологических систем.

ские организмы оказывали существенное влияние

накоплению

(2009)

Eosacchaco-

наглядно демонстрируют существование в

позднем рифее такой биологической организации,

как быстрая трансформация одноклеточных орга­
низмов и создание ими псевдотканевой многокле­

биоты верхнего рифея Сибири// Новости палеонто­
логии
С.

и

стратиграфии.

Т.

2008.

49.

Вып.

10-11.

96-99.

Герман Т Н., Подковыров В. Н.

нем рифее

// Палеонтол.

Заварзина А. Г

(2009)

(2006) О грибах в позд­
2006. № 2. С. 89-95.

журн.

Образование органо-минераль­

точности. Некоторые авторы рассматривают коло­

ной пленки на литогенных частицах как элемен­

нии как хорошо организованные многоклеточные

тарный этап возникновения почв

организмы

(Shapiro, 1998).

К таким колониям мо­

гут принадлежать рифейские

Eosacchacoromyces.

Приспособительные возможности формирования
многоклеточности

у

организмов

появились

при

переходе одиночных форм к колониальности.
Наличие у

Eosaccharomyces

обратной связи

и возможности манипулирования клеточной стен­

кой приводило к образованию замкнутого про-

// Происхождение

биосферы и эволюция гео-биологических систем.
М.: ПИН РАН,

2009. С. 27-32.
(2010) Реконструкции

Заварзина А. Г

возникновения

палеопочв на основе современных процессов гуму­

сообразования
нентального

М.: ПИН РАН,
Заварзин ГА.

//

Палеопочвы и индикаторы конти­

выветривания

в

истории

2010. С. 36-75.
(2009) Субаэральные

биосферы.

.t
процессы в транс­

формации географической поверхности почв

//

Про-


Глава

634
исхождение

биосферы

и

IV. События и факторы эволюции биосферы

эволюция

гео-биологи­

ческих систем. М.: ПИН РАН,
Заварзин ГА., Рожнов С В.
леопочвы

//

2009. С. 23-27.
(2010) Выветривание

и па­

Палеопочвы и индикаторы континенталь­

ного выветривания в истории биосферы. М.: ПИН
РАН,

2010.

Комаров В. П.

С. 4--9.
(1940) Учение

о виде у растений: (Стра­

ницы из истории биологии)

// М.; Л.; Изд. АН
1940. 212 с.
КурсановЛ. И. (1945) Микробиология. 1945. 14. Вып. 4.
С. 277-280.
Курс низших растений. М.: Высшая школа, 1981. 520 с.
Малахов В. В. (2003) Основные этапы эволюции эука­
риотных организмов// Палентол. журн. 2003. № 6.
С. 25-32.
Маргулис Л. (1983) Роль симбиоза в эволюции клетки//
М.: Мир, 1983. 350 с.
Мацкевич Н. В. (1981) Спонтанная изменчивость и ка­
риология несовершенных грибов. М.: Наука, 1981.
183 с.
Семихатов М А. (2000) Уточнение оценок изотопно­
СССР,

го возраста нижних границ верхнего рифея, венда

и нижнего кембрия

//

Дополнения к Стратигра­

фическому кодексу России. СПб.: ВСЕГЕИ,
С.

2000.

95-207.

Семихатов МА.,

Серебряков С Н.

(1983) Сибирский
1983. 224 с.
Bonneville S., Smiths ММ, Brown А. et al. (2009) Plantdriven fungal weathering: Early stages of mineral alteration at the nanometer scale // Geology. 2009. V. 37.
Р. 615-618.
Butteifield N. J (2008) Modes ofpre-Ediacaran multicellularity // Precambrian Research. V. 173. 2009. Р. 201-211.
гипостратотип рифея. М: Наука,

Ceccato-Antonini S. R. (2008) Biotechnological implications of filamentation in Saccharomyces cerevisiae //
Biotechnol. Lett. 30. 2008. Р. 1151-1161.
Gaidos Е., Dubuc Т., Dunford М, McAndrew Р, PadillaGamino J., Studer В., Stanley S. (2007) Тhе Precambrian emergence of animal life: а geoЬiological perspective // GeoЬiology, 2007. DOT: 10. 1111. Р. 1-23.
Gladfelter А. S. (2006) Control of filamentous fungal cell
shape Ьу septins and formins // Nat. Rev. MicroЬiol.
V. 4. 2006. 223-229.
Gorbushina А. А. (2007) Life on the rocks // Enviromental
MicroЬiology. 2007. V. 9(7). Р. 1613-1631.
Heckman D. С, Geiser D. М, Eidell В. R., Stauffer R. L.,
Kardos N. L., Нedges S. В. (2001) Molecular evidence
for the early colonization of land Ьу fungi and plants //
Science. 2001. V. 293. Р. 1129-1133.
Hedges S. В., Kumar S. (2003) Genomic clocks and evolutionary timescales // Trends Genet. 2003. V. 19. Р. 200--206.
Hoffland Е., Kuyper Т. W, Wallander Н., Plassard С., Gorbushina А. А., Haselwandter К. et а/. (2004) The role
of fungi in weathering // Front. Ecol. Environ. 2004.
V. 2(5). Р. 258-264.
Knoll А. Н. (1992) Тhе early Evolution ofEukaryotes: Ageological Perspective // Science. 1992. V. 256. Р. 622-627.
Padovan А. С. D., Sanson G. F О., Brunstein А., Briones М R. S. (2005) Fungi evolution revisited: application of the penalized likelihood method to а bayesian
fungal phylogeny provides а new perspective on phylogenetic relationships and divergence dates of ascomycota groups // J. Mol. Evol. 2005. V. 60. Р. 726-735.
Shapiro J. А. ( 1998) Thinking about bacterial population as
multicellular organisms // Ann. Rev. MicroЬiol. 1998.
V. 52. Р. 81-104.


Осцилляции ЖИЗНЕСПОСОБНОСТИ МЫШЕЙ
В ПРОЦЕССЕ ИХ РОСТА И СТАРЕНИЯ

А. Г Малыгин
Институт биохимии им. А. Н. Баха РАН.

agтalygin@тail.ru

Наблюдение за продолжительностью жизни потомков самцов мышей с мутацией задержки роста и нор­
мальных самок в нескольких поколениях показало, что жизнеспособность мышей в пометах осциллирует в про­
цессе роста и старения таким образом, что их смертность в сменяющие друт друта периоды времени различается

на порядок. Соответствующие этим периодам перегибы на кривых, выражающих зависимость продолжительности
жизни мьШiеЙ от их порядкового номера в ряду увеличения продолжительности жизни, у самцов и самок мутан­
тов совпадают. У нормальных самцов и самок, отсутствует первый перегиб, характерный для мышей-мутантов на

стадии отставания в росте. Остальные перегибы, наблюдаемые после завершения стадии роста и характеризую­
щие старение, явно выражены только для самцов и очень слабо ~ для самок. Неизменность интервалов времени,

отделяющих осцилляции жизнеспособности мышей-мутантов от даты рождения и друг от друга, в независимых
опытах и в разнополых группах мутантов, а также наличие сходных осцилляций у самцов нормальных мышей
свидетельствуют в пользу концепции возрастной запрограммированности смерти мышей.

Существуют две точки зрения на причины

бей в популяции гладкими аналитическими функ­

старения и смерти организма. Согласно одной из

циями,

них,

хорошо

сопровождающие

старение и

приводящие к

смерти процессы заложены в программе развития

организма (Skиlachev

V Р., Longo V D., 2005).

Со­

монотонно

изменяющимися

согласуется

с

моделями

во

времени,

стохастических

механизмов старения.

Цель настоящей работы состоит в том, чтобы

гласно другой, старение и смерть обусловлены

проследить

случайными (стохастическими) нарушениями про­

мышей с мутацией задержки роста и нормальных

цессов жизнедеятельности (Халявкин А. В.,

мышей в нескольких поколениях и на полученном

1998).

Сторонники каждой из этих позиций приводят

вариации

продолжительности

жизни

материале попытаться согласовать эти позиции.

убедительные аргументы. Теоретическое обосно­

В работе использовали мышей, общими пра­

вание первой позиции сводится к тому, что старе­

родителями которых были нормальная самка из

ние и смерть являются такими же запрограммиро­

гетерогенной лабораторной популяции с приме­

ванными во времени фазами развития, как вына­

сью линии

шивание

питомника ГУНЦБМТ РАМН и случайно обнару­

плода,

половое

созревание,

завершение

Swiss Webster

филиала «Андреевка»

роста и др. В качестве примеров приводятся: за­

женный в той же популяции самец мутант с за­

программированная гибель некоторых видов рас­

держкой роста. В пометах от первого и после­

тений после цветения и плодоношения, бабочек­

дующих скрещиваний находили как отстающих в

однодневок после кладки яиц, лососей после ме­

росте мышей-мутантов, так и нормальных мышей

тания икры, и т. д. Убедительным обоснованием

обоего пола. При этом часть мышей-мутантов по­

другой позиции является зависимость старения и

гибала в возрастном интервале от

смерти от случайно приобретенных болезней или

момента рождения, а выжившие особи в течение

воздействия неблагоприятных условий внешней

двух месяцев догоняли в весе

среды. Плохая предсказуемость индивидуальной
продолжительности

жизни и практика

статисти­

ческого описания продолжительности жизни осо-

25

до

35 дней

с

нормальных соро­

дичей и внешне были неотличимы от них. сfднако,
несмотря

на

сходство

с

нормальными

мышами,

самки мутантов были либо бесплодны, либо при-


Глава

636

События и факторы эволюции биосферы

IV.

1200

:s:

"'()'
s:I:

J-o- нормальные мыши

1000

f-

800

J -•-

мутанты

J -------

теоретические кривые

J

<')

:s:

"'

..D
f-

(.)
о

600

:I:
..D

~
Q)

f-

400

"'g

200

:s:
~
о

а.

i::

о

10

о

20

30

50

40

60

70

номер особей в порядке возрастания
продолжительности жизни

Рис.

1.

Графики рангового распределения по продолжительности жизни: мутантов

мышей

-

-

темные квадраты; нормальных

светлые квадраты. Теоретические кривые вычислены при значениях констант уравнения Гомперца­

Мейкема: для мутантов А= -1,3·10- 3 ; R = 2,07·10-3 ; а= 1,18·10-3 ; для нормальных мышей А= 9,413·10-5 ;
R = 2,849· 1 о-4 ; а= 4,68·10-з
носили потомство, погибавшее в течение первых

Сравнение формы теоретических и экспери­

суток после рождения. Поэтому для получения по­

ментальных кривых для нормальных мышей и

томства во всех скрещиваниях использовали сам­

мышей-мутантов представлено на рис. 1 (1). Из ри­
сунка видно, что экспериментальная кривая для

цов-мутантов с нормальными самками.

Экспериментальные данные на графиках вы­

нормальных мышей практически не имеет пере­

распределения

гибов и поэтому удовлетворительно совпадает с

мышей по продолжительности жизни. При этом

теоретической кривой. В то же время экспери­

порядковый номер мышей в ряду возрастания про­

ментальная

должительности жизни откладьmали по оси аб­

явно выраженные перегибы, которые исключают

ражали

в

координатах

рангового

-

кривая

мышей-мутантов

содержит

по

ее сходство с теоретической кривой. Перегибы

оси ординат. Теоретические кривые строили с ис­

выражают осцилляции жизнеспособности мы­

пользованием формулы, полученной интегрирова­

шей. Первый перегиб соответствовал высокой

нием уравнения Гомперца-Мейкема

смертности в интервале

цисс, а продолжительность жизни в сутках

1825; Makeham W М, 1860;
лова Я. С., 1991, с. llO):

lm = 10 {1- exp[Rla(l -

(Gompertz В.,

Гаврилов Л. А, Гаври­

25-35

суток. Затем ин­

тенсивность смертности уменьшалась почти на
порядок и вновь достигала высокого значения в

ехр(ах))-Ах]},

интервале

270-400

суток, соответствуя второму

перегибу кривой. После этого интенсивность

где:

Zm

(х)

-

функция смертности

-

число осо-

бей, умерших к данному возрасту;
х

-

смертности снова уменьшалась и снова приобре­
тала высокие значения в интервале

су­

ток, соответствуя третьему перегибу кривой. За­

возраст особей;

10 - суммарное число исследуемых особей;
R, а - константы уравнения Гомперца;
А - фоновая константа Мейкема.
Константы находили по четырем эксперимен­
тальным точкам согласно методике, приводимой в

тем смертность падала окончательно, и последняя

мышь умерла в возрасте
тервалы

смертности

3

года и

2 месяца.

отсчитывались

1991,

с.

68).

Ин­

от дат рож­

дения конкретных мышей в течение четырех лет
проведения опыта.

книге Гаврилова Л. А и Гавриловой Н. С. (Гаври­

лов Л. А, Гаврилова Н. С.,

520-670

Рисунки выполнены в программе

«ORIGIN».


А. Г. Малыгин. Осцилляции жизнеспособности мышей в процессе их роста и старения

Выборка по рождению

1200
~

637

---- первая половина
------- вторая половина

1000

1-

>.

u

s:i::
м

:s:

800

""
..D

1-

u

о

:i::

600

..D
t:;
ф

1-

:s:
;i::

t:;

400

о

g
а.

t:

200
о
о

10

5

20

15

25

30

номер особей в порядке возрастания
продолжительности жизни

Рис.

2.

Графики рангового распределения продолжительности жизни мутантов, разделенных на две группы по времени ро­
ждения. Темные квадраты

-

первая половина. Темные кружки

Выявление перегибов в значительной степени

-

вторая половина

таты были получены при разделении на равные

обязано тому, что исходные данные не были под­

группы ряда мутантов,

вергнуты усреднению, к которому обычно прибе­

их естественной смерти.

гают при описании статистических данных о про­

Чтобы

получить

составленного в

дополнительное

порядке

подтвер­

должительности жизни гладкими аналитическими

ждение не случайности наблюдаемых перегибов,

функциями. В связи с этим возникает вопрос о

было проведено другое исследование. Мутантные

случайности и закономерности этих перегибов.

и нормальные особи были разделены по половому

Доказательством того, что перегибы не случайны,

признаку. Соответствующие полученным группам

а выражают закономерные

кривые представлены на рис.

осцилляции смертно­

3 и 4.

На рис.

3 видно,

сти во времени, может служить их повторяемость

что кривые рангового распределения для мутант­

в независимых друг от друга опытах. Это доказа­

ных самцов и самок практически совпали. При

тельство было получено следующим способом.

этом перегибы не только сохранили свое положе­

Мутантные мыши, размещенные в ряду по срокам

ние, но даже приобрели более четкие очертания.

их рождения,

В то же время разделение по половому признаку

были разделены

на две равные

группы. Одна группа состояла из мышей, родив­

нормальных мышей (рис.

шихся

4)

привело к тому, что

группы,

на кривой рангового распределения нормальных

из мышей, родившихся позже этого

самцов обнаружились четкие перегибы, анало­

срока. Затем для каждой группы построили кри­

гичные перегибам на кривых рангового распреде­

вые

ления мутантных мышей. От перегибов мутантных

другая

раньше

-

рангового

срока,

разделявшего

распределения

по

эти

продолжитель­

ности жизни, представленные на рис.

2.

Посколь­

мышей они отличаются лишь некоторой припод­

ку кривые для разных групп можно толковать как

нятостью по оси ординат и отсутствием перегиба

результат двух независимых опытов, то близость

на стадии роста. На кривой нормальных самок

уровней перегибов на каждой из этих кривых и

перегибы выражены очень слабо и поэтому она

соответствующих перегибов на экспериментальной

удовлетворительно описывается теоретической

кривой

(рис.

1)

для

исходной

группы

мышей-мутантов

свидетельствует о том, что перегибы име­

ют закономерный характер. Аналогичные резуль-

кривой рангового распределения. Совпаде\ше экс­
периментальных

кривых

рангового

распределе­

ния у мутантных самцов и самок и их различие


Глава

638

События и факторы эволюции биосферы

IV.

1200
--т--

самцы-мутанты

--А-- самки-мутанты

:s:
>:::

1000

~
(.)

s::i:
(")

:s:

"'

800

.а

1-

(.)
о

::i:

600

.а

аз

1-

:s:

"'g
i:::;

400

о

а.

t:

200
о

о

10

5

20

15

25

30

номер особей в порядке возрастания
продолжительности жизни

Рис.

3.

Графики рангового распределения по продолжительности жизни мутантов: треугольники с вершинами вниз
цов; треугольники с вершинами вверх

-

-

сам­

самок

1200
-'V-

:s:

нормальные самцы

-л- нормальные самки

1000

>:::

1-

[ - - - теоретическая кривая [

>.
(.)

s::i:

800

(")

:s:

"'
.а

1-

(.)

600

о

::i:

.а

i:::;

ф

:s:

400

"'gа

200

1-

а.

t:

о

о

5

10

20

15

25

30

35

40

номер особей в порядке возрастания
продолжительности жизни

Рис.

4.

Графики рангового распределения по продолжительности жизни нормальных мышей: треугольники с вершинами
вниз

-

самцов; треугольники с вершинами вверх

-

самок. Теоретическая кривая для самок вычислена при сле­

дующих значениях констант уравнения Гомперца-Мейкема: А= 2,201 ·10-4; R = 2,295·10-4; а= 6,25·10-З
у нормальных самцов и самок можно объяснить

осцилляций жизнеспособности, что приводит к

тем, что у мутантных самок нарушены репродук­

сглаживанию кривых рангового распределения.

тивные функции и этим они похожи на самцов.

Близость уровней перегибов на кривых ран­

В то время как комплекс физиологических функ­

гового распределения у мышей-мутантов и у нор­

ций нормальных самок, обеспечивающий рождение

мальных

и выкармливание потомства, вероятно, способст­

тельствует о том, что осцилляции жизнеспособ­

вует смещению во времени у отдельных особей

ности это устойчивые характеристики развития

самцов

после

завершения роста свиде­


А. Г Малыгин. Осцилляции жизнеспособности мышей в процессе их роста и старения

мышей в онтогенезе, не подверженные влиянию

риск смерти,

мутации задержки роста.

стадии устойчивого развития. Обнаружение за­

Выявление одинаковых перегибов на кривых

обеспечить

639

переход к очередной

программированных осцилляций жизнеспособно­

представления экспери­

сти в онтогенезе людей открыло бы перспективу

ментальных данных свидетельствует об их зако­

решения проблемы продления жизни до видового

номерной природе. Это позволяет сделать вывод,

максимума (около

что наблюдаемые в виде перегибов отклонения

индивидов.

в

описанных

способах

105 лет)

у всех ныне живущих

формы экспериментальной кривой от теоретиче­
ской следует относить не на счет случайных по­
грешностей при получении исходных данных, а
на

счет

неадекватности

теоретической

модели

Гомперца-Мейкема.
Зависимость от возраста придает осцилляци­
ям жизнеспособности сходство с запрограммиро­

ванными во времени физиологическими процес­

сами. Однако при этом необходимо учитывать, что
запрограммированной является не сама смерть, а
соответствующие

осцилляциям

изменения

веро­

ятности смерти. Это позволяет преодолеть проти­
воречие

между

взглядами

на

старение

и

смерть

как на запрограммированный, либо как на стохас­

тический процесс. Владея информацией о возрас­
тах, когда вероятность смерти повышена, можно

путем устранения воздействий, увеличивающих

Литература
Гаврилов Л. А.

Гаврилова Н. С.

должительности жизни.
Халявкин А. В.

(!998)

(1991) Биология
1991, М.: Наука. 280 с.

про­

Взаимодействие «организм-сре­

да>> и причины старения.

// Успехи геронтологии.
1998. Т. 2. С. 43-48.
Gompertz В. (1825) On the nature of the function expressive of the law of human mortality and on а new mode
of determining the value oПife contingencies. // Philos.
Trans. Roy. Soc. London. А. 1825. V. 115. Р. 513-583.
Makeham W М (1860) On the law of mortality and the
construction ofannuity taЫes. // J. lnst. Actuaries. 1860.
V. 8. Р. 301-310.
Skulachev V. Р, Longo V. D. (2005) Aging as а mitochondria-mediated atavistic program. Сап aging Ье switched
off? // Ann. N. У. Acad. Sci. 2005. V. 1054. Р. 145-164.


Уважаемые читатели! Уважаемые авторы!
Наше издательство специализируется на выпуске научной и учебной литературы, в том числе моно­
графий, журналов, трудов ученых Российской академии наук, научно-исследовательских институтов
и учебных заведений. Мы предлагаем авторам свои услуги на выгодных экономических услови­
ях. При этом мы берем на себя всю работу по подготовке издания

-

от набора, редактирования

URSS

и верстки до тиражирования и распространения.

Среди вышедших и готовящихся к изданию книг мы предлагаем Вам следующие:

"Галимов Э. М Кому нужны лунные камни? Выступления, интервью, научно-популярные публикации:

50 лет в

науке.

"Горобец Б. С. Геологи шутят ... И не шутят.
"Горобец Б. С., Золотов Ю. А., Федин С. Н. Ученые шутят.
"супруненко П. П., Супруненко Ю. П. Географы и туристы шутят.

"Тарасов Л. В. Земля

"

-

беспокойная планета: Атмосфера, гидросфера, литосфера: Книга мя школьников ... и не только.

Тарасов Л. В. В глубины вещества: Живые клетки, молекулы, атомы: Книга для школьников ... и не только.

"Полетаев А. И. Геология для всех, или поговорим о странностях ... Земли.
"Караулов В. Б., Никитина М. И. Справочник по основным геологическим понятиям и терминам.
"Никонов А.А. Землетрясения ... (Прошлое, современность, прогноз).
"Никонов А. А. Современные движения земной коры.

"Блинов В. Ф. Растущая Земля: из планет в звезды.
"Рыбин А. И. В поисках Атлантиды: исследование географии н геологии.
"Рыбин А. И. От философии науки к метагеологии: Исследования и парадигмы.

"Громин В. И., Лучицкая С. И. (ред.) •Жизнь, отданная геологии». Игорь Владимирович Лучицкий

( 1912-1983):

Очерки.

Воспоминания. Материалы.

"Воевода О.Д., Савенко О. Ю. Некоторые проблемы геодинамики: Вычислительная сейсмология.
"Горшков А. И. Распознавание мест сильных землетрясений в Альпийско-Тhмалайском поясе.
"спичак В. В. (ред.) Современные методы измерения, обработки и интерпретации электромагнитных данных.

=

·;;,1

"спичак В. В. (ред.) Комплексный анализ электромагнитных и других геофизических данных.
"судо М. М" Судо Р. М. Нефть и углеводородные газы в современном мире.

···~ "Касаткин Р. Г. Система морской транспортировки сжиженного природного газа из Арктики.

·=·

"свалов А. М Механика процессов бурения и нефтегазодобычи.

:=
·8

"Юнин Е. К. Введение в динамику глубокого бурения.

"Сухецкий С. П. Нефтяной бизнес: влияние налоговой нагрузки на инвестиционный процесс.
"Селезнев В. Е., Прялов С. Н. Методы построения моделей течений в магистральных трубопроводах и каналах.

"Селезнев В. Е., Алешин В. В., Клишин Г. С. Методы и технологии численного моделирования газопроводных систем.

· ·•

:!!;

"Селезнев В. Е., Алешин В. В., Клишин Г. С., Фотин С. В. Численный анализ пожарной опасности магистральных газопроводов.

"Алешин В. В., Селезнев В. Е. и др. Численный анализ прочности подземных трубопроводов.

;r,i!· "Селезнев В. Е.

и др. Численный анализ и оптимизация газодинамических режимов транспорта природного газа.

'И "ll'kaev R. l, Se!eznev V. Е., Aleshin V. V., Кlishin G. S. Numerical Simulation of Gas Pipeline Networks: Тheory, computational

.И

•

:.::;,
'"'""'

'iо~4й!Г#

implementation, and industria\ app\ications .
"Ромашов А. Н. Планета Земля: тектонофизика и эволюция.
"Бергер М. Г. Седиментолоrическая система минералов и фундаментальные основы терригенной минералогии.
"Бергер М. Г. Геодинамическая система ледника Колка и вопросы прогнозирования и регулирования ее развития.

"Бергер М. Г. Ледник Колка: Катастрофа

20

сентября

2002

года

-

внезапный газодинамический выброс ледника.

"Бергер М Г. три rляциодннамические подвижки и четыре газодинамических выброса ледника Колка.

,:;!! "светов Б. С. Основы геоэлектрики.

~и "Федоров А. Е. (ред.) Система •Планета Земля»: Система •Планета Земля»: русский путь: Рублев - Ломоносов - Гагарин.

WИ· "Федоров А. Е. (ред.) Система •Планета Земля»: 15 лет междисциплинарному научному семинару.

1994-2009.

,;§5. "Федоров А. Е. (ред.) Система •Планета Земля»: 300 лет со дня рождения М. В.Ломоносова. 1711-2011.
"Заболотная Н. А. Индексы геомагнитной активности.


интернет-моrо:sин

azaN.ru
111111/ llll lll lll l llll lll
68215569