Адаптований переклад тексту стендової доповіді (# 22),

 Протягом більше 60 років з моменту першого експерименту [1] (Miller 1953) радикальних проривів в експерименті по абіогенезу не було досягнуто.
Численні повторення цього експерименту з різними доповненнями і варіантами в кінцевому підсумку призводять до чогось на кшталт смоли; ще більш численні і різноманітні спроби запустити реплікацію з РНК [2], метаболізму [3], сульфідів [4] та іншого дають багато корисної інформації про десятки біохімічних реакцій - але не більше того.
Для наочності будь-яку живу істоту можна представити у вигляді гілки дерева, що починається з зиготи, спори тощо і закінчується смертю або розпадом. Десь між цими кінцями «гілки» можуть початися нові (дочірні), що продовжують (при наявності «благословення» відбору) зростання і «загущення» (збільшення густини гілок) «вгору» - в майбутнє. Флуктуації умов проживання і «шліфування» відбором (еволюція - дія згаданого Закону) вдосконалюють живе, поступово подовжуючи (вірніше, роблячи їх більш «багатоколінчастими» або полі-суглобовими) «гілки» і ускладнюючи навіть найпростіші організми.
Зараз, з нинішніх «верхівок» цих «гілок» практично неможливо крізь мільярди таких, що все ускладнюються, розгалужень, розгледіти їх початок у вигляді найпростіших циклів реплікації. Просто уявіть, як можна «вгадати» вид першого транзистора, длубаючись в мільйонах нинішніх, складових якийсь процесор мобільного телефону - не набагато перевищує за розмірами перший транзистор Bell Lab. Будь-яке найдокладніше дослідження складу, геометрії та інших характеристик Дніпра десь біля Запоріжжя дасть дуже мало інформації про джерело біля села Дудкін Сичевського району Смоленської області, де Дніпро бере початок. Тому, намагаючись відтворити походження життя (абіогенезіс) як складну комбінацію деяких біохімічних реакцій, ми зарозуміло збираємося вгадати і відтворити шлях, на який природа витратила мільярд років замість того, щоб намагатися створити умови для значного прискорення цього шляху (і повчитися в процесі).
Швидше за все, все почалося з найпростіших циклів коливань типу «хімічних годин» 5, що з'явилися в "мережі" хімічних реакцій, "розмазаний" в просторі і часі. Поступове їх ускладнення шляхом включення додаткових ступенів свободи рано чи пізно призвело до появи в циклах автокаталитической фази реплікації (коли потрібні компоненти вітрами або течіями заносило, наприклад, то на пригрів, до гарячого джерела то, навпаки, на лід), тобто розмноження. Розмноження ж природним чином початок зменшувати в даній області наявні ресурси вихідних речовин - і, отже, включило боротьбу за них і відбір.
Таким чином, аналогічно тому, як паразитна генерація в лазері при достатньому рівні посилення в активному середовищі «сама» знаходить блискучий ділянку поверхні на роль дзеркала (і як рослини знаходять, куди рости до світла), в досить складній і різно-фазової системі, схильною до широкосмуговим протоках енергії з щільністю потоку вище деякого порога і з різною періодичністю, повинні з'явитися реплікатори і почати працювати природний відбір.

Життя – найскладніша форма самоупорядкування у відкритих системах. Давно відомі особливості такого самоупорядкування, описані Пригожиним для фізико-хімічних процесів у [5] та фон Хайєком [6], ми запропонували об'єднати в одну гіпотезу:
Існує закон, що змушує досить відкриті системи з великими градієнтами у розподілах параметрів та багатьма ступенями свободи генерувати дедалі складніші структури, що забезпечують подальше відтворення як вихідних, так і нових градієнтів, забезпечуючи саморозвиток у таких системах^.1)

Цей закон (для стислості - ЗЕТ, закон еволюційного тиску) універсальний і здатний "вшиватися" в генеровані ним нові структури, стимулюючи подальший розвиток разом з природним відбором і конкуренцією систем, що паралельно розвиваються. Приклади - ДНК у біології, соціальні та релігійні системи (або ширше - культури, цивілізації у розвитку людства).

Для забезпечення необхідних потоків води і "вітру" при виключенні можливості забруднень ми вважаємо за необхідне використовувати конвекцію, так само як і для осушення повітря у "сухій кімнаті". Розрахунок потужностей відповідних нагрівачів і холодильників, мабуть, повинен врахувати частку потужностей вітрів і океанських течій в одержуваній від Сонця Землею енергії, деякі оцінки ми наведемо нижче.
При цьому співвідношення тривалостей різних циклів має представляти істотно не кратні числа для забезпечення максимально широкого діапазону їх накладень на кшталт 5:17:43, причому тривалість мінімального напівциклу повинна перевершувати час встановлення (залежний у першу чергу від розмірів) у системі в кілька разів.

 

 

Fig. 1. Теплоізоляційні покриття, кріплення, датчики тиску, температури, концентрацій а також клапани напуску газів і шлюз для відбору проб "бульйону", електричні і оптоволоконні роз'єми не показані для простоти.
Fig. 2. Схематичний вид зверху розподілу градієнта рН навколо острова "сушарки" у "світику" при двох різних "курцях" і анизотропному введенні лужного і кислотного газів.

Хіральність біомолекул, можливо, була викликана анізотропією електромагнітного поля в місці їх виникнення, тому ми вважаємо не зайвим включити до складу "світика" джерела схрещених постійних електричного і магнітного полів, взаємна орієнтація яких щодо потоків рідини і "вітру" не повинна змінюватися протягом усього експерименту. І хто може гарантувати, що хіральність біомолекул не пов'язана зі взаємною орієнтацією цих полів щодо напрямку обертання кругового потоку рідини в «реакторі», який їх породив (Fig. 2)?
 Виконання осушення і зволоження поверхонь мінералів як прісною, так і «океанічною» водою в умовах повної і надійної ізоляції обсягу експериментальної установки абиогенеза від зовнішнього середовища є значно складнішим, ніж генерація «вітрів» і «морських течій». Більш того, ми вважаємо, що сушка частини поверхні всередині установки типу Міллеровської, яка здавалася там неможливою і зупиняла дослідників на цьому шляху.
Ми пропонуємо конструкцію «сушарки» (чи драєра - DR на малюнку) у вигляді напівізольованому обсягу зі спеціальною парою нагрівач-холодильник (4-1 на Fig. 1) приблизно рівній потужності. У цьому випадку температура кулера (який діє як «хмара») повинна підтримуватися нижчою від точки роси, але нижчою від нуля за Цельсієм. Це забезпечить поступове заповнення ємності генератора дощу (RG) конденсованої прісною водою.
Перевищення критичного рівня цієї води в резервуарі викликає потік "дощу" через гідростатичний тиск та спорожнює посудину для подальшого повторення циклу. Таким чином, RG регулярно зливає свій резервуар на лід і на сухі і вологі мінеральні поверхні "тверді" (позначених як «Terra firma 3», «Terra firma 1» і «Terra firma 2» на малюнку відповідно). Цей резервуар буде спустошений після досягнення рівня, показаного на малюнку Fig. 1, і пізніше буде знову заповнений зібраним конденсатом.
Необхідно мати у «сушарці» певну (обмежену) вільну поверхню води, яка поєднується з «океаном» як для проникнення піни і «океанічної» води в «сушарку», так і для видалення з неї змивних вод в "океан".

 Площа цієї поверхні визначає нижню межу кількості водяної пари, що генерується в "сушарці" в одиницю часу і, відповідно, мінімальну потужність холодильника "хмари" для конденсації цієї пари. Давайте оцінимо цю потужність для "сушарки" з відкритою площею поверхні води в ній, що дорівнює A.

Випаровування води з вільної водної поверхні - наприклад, з басейну або тому подібного - залежить від температури води, температури повітря, вологості та швидкості повітря над поверхнею води. Використання емпіричної формули [11] для такого процесу дає нам швидкість випаровування води при 300K в секунду з 1см² між 55 мг с (нульова швидкість повітря з вологістю 10%) і 76 мг/с для швидкості повітря з вологістю 10% для 0,5 м/с.

Беручи до уваги теплоту випаровування води 2454 кДж/кг необхідна мінімальна потужність охолодження холодильника 1 буде від 135 Вт до 186 Вт на кожний 1см² вільної поверхні води.

Це означає, що потрібно зменшити цю поверхню до розумного мінімуму (створивши злив у вигляді просто невеликого отвору), щоб забезпечити достатню «сушильну» потужність для випаровування води з піни і з твердих поверхонь зволожених мінералів. Цей порядок величини продуктивності сушарки (близько 60 мг/с) означає також 216 мл/год продуктивності генератора дощу RG.

Така потужність охолодження може бути забезпечена термоелектричними елементами Пельтьє [17]. Наприклад, TEC1-12715 відповідно до свого паспорту з температурою гарячої сторони 300K при 11В і 12А дає різницю температур 20 градусів, а охолоджувальну потужність близько 90 Вт, тому 3 таких елемента можна використовувати для сушарки з вільною поверхнею води менше 1 см² - якщо стаціонарна швидкість повітря біля поверхні води буде менше 0,5 м/с.

Давайте оцінимо цю швидкість також. Для балансу енергії при сумарній потужності охолодження сушарки 270 Вт буде потрібно близько 250 Вт нагрівача 4 (за умови, що різниця в 20 Вт буде компенсована "сонячним" випромінюванням в "сушарці").
  200 г води можна видалити за допомогою 1 кг (близько 1 м³) вологого повітря при температурі 65°С або 2 м³ при 53°С [12], тому ми повинні забезпечити витяг повітря 1-2 м³ на годину або 0,3-0,6 л/с.

Обсяг конвективного повітряного потоку на відстані l над джерелом тепла можна розрахувати як [13]
                                              Q = c₂(P/l)^1/3   (1)
 
де
 
Q - об'ємний потік повітря (м³/с)
      c₂ - константа, що характеризує фактичне застосування, її значення в діапазоні від 0,05 до 0,15 (зазвичай 0,06)
    P - потужність джерела тепла (кВт)
   l - відстань над джерелом тепла (м)
 Для P = 250 Вт і l = 1 м Q лежить між 31,5 і 94,5 л/с для різних значень c₂ або між 10 і 30 л/с для l=0,5 м.
 Це «верхня» оцінка, тому що вона враховує весь потік і не враховує опір труб. Більш точною може бути оцінка за формулою потоку димової труби [14]

  Q=C A sqrt[2gh(T_i-T₀/T_i)]         (2)

де

Q - потік повітря, м³/с,

А - площа поперечного перерізу труби, м²,
С - коефіцієнт тертя, зазвичай становить від 0,65 до 0,70,
g - прискорення сили тяжіння, 9,807 м / с?
h - висота труби, м
Ti - середня внутрішня температура, К
To - середня зовнішня температура, К
 Для A = 25 см², C = 0,7, h = 1 м, Ti = 350 К і To = 300 К це дає Q = 3 л/с, що означає середню швидкість повітря в трубі помірно v=1,2 м / с, що перевищує потік 1-2м³ на годину, необхідний для висушування 200 мл води за цей час. Якщо «Terra firma 1» має профіль, показаний на Fig. 1 (з поверхнею води, розташованою на дні свердловини), швидкість повітряного потоку поруч з нею буде значно нижче як 1,2 м/с, так і 0,5 м/с.
Ми припускаємо, що включення перелічених та інших (див. нижче) явищ, а також «вітру» (кулер 1 + нагрівач 3) і «течій» (кулер 2 + нагрівач 2) з різними не кратними періодами дасть дуже широке розмаїття комбінацій умов і градієнтів у різних частинах установки.
Отже, ще одна оцінка, яка повинна бути зроблена - характерні часи (типу тривалості "дня", середнього часу між виверженнями гейзерів / дощами / появами піни і т.д.). Ці проміжки часу можуть бути порядку часу установлення різних параметрів або релаксації системи, щоб встигли відбутися достатні зміни. Відповідно для градієнта концентрації

 

τ_D = L₂ /D                         (3),

для градієнта температури

τ_T = L₂ / k                       (4)

і для градієнта швидкості

τ_η = L₂ / η                    (5)
 

де L - характерний розмір системи, D - коефіцієнт дифузії, k - коефіцієнт температуропровідності і η - коефіцієнт кінематичної в'язкості середовища (у нас - води і повітря). Для L = 0.1м, T Oколо 300K, D газів (0,1 ... 0,7) см2 / с і для водних розчинів (0.04 ... 0,8) см2 / день отримуємо τD air - (138 ... 1000 ) с, τDwater в пределах (125 ... 2500) днів і для τT (з kair = 0.2см2 / с, kwater = 0.0015смm2 / с) τTair = 500С іτTwater = 1625с = 0.45час, а для τη з ηair = 0,16 см2 / с, і ηwater = 0.01 см2 / с τηair = 156сτηwater = 2500С = 0.69час.
 Слід зазначити, що формули (3), (4) і (5) справедливі швидше для стаціонарного випадку на зразок "розсмоктування" флуктуації, ніж для нашого варіанта з установлення для примусового перемішування середовищ, де всі три процеси відбуваються одночасно.
Генератор піни FG на малюнку може бути простим (що періодично вмикається і вимикається) електронагрівачем, поміщеним під лійкоподібної зігнутою трубкою, так щоби отримана піна могла потрапляти як на «Terra firma1» до «сухої кімнати», так і на мокру «Terra firma 2». «Терра фірма 3» є лід, що виробляється морозильником 1.
Для впливу на «Terra firma 1» на додаток до генератора дощу RG передбачений макет гейзера з окремим нагрівачем-бойлером для отримання у "сушарці" змочування поверхні мінералів як прісною, так і «океанічною» водою. Гейзер періодично включається, виливаючи частину океанської води для змішування з дощовою водою в озері і на поверхні «Terra firma 1». Різниця в періодах дощів і вивержень гейзерів забезпечує різні значення солоності води в озері з часом.
Оскільки комплекс сушарки значно послабить «сонячне» світло в ній, йому буде потрібно окреме джерело світла, позначене як «DR Sun» на малюнку 1.
Таким чином, пропонована експериментальна установка (назвемо її для стислості «світик» [10] , тобто "маленький світ") повинна включати в себе як мінімум «океан» з достатньою кількістю морської води, «твердь» в якості острова або островів , на додаток до «берегах» «океану» з рельєфом, що забезпечує простір для «озер» і «мілководь», що покривають різні мінерали, в тому числі, звичайно, сульфіди заліза, цинку і інші перспективні каталізатори та фотоелектричні підкладки, «темні кімнати» як у повітрі , так і під водою, а також різні види глин [15].
Під час експерименту концентрація будь-якого газу (або газів) в атмосфері може почати зменшуватися через його споживання у необоротних реакціях. Для підтримки початкової концентрації буде потрібен приплив цього газу (або газів) в систему. Ця обставина може бути використаною для введення в неї ще одного градієнта - рН. Це також дозволить дослідити роль гідротермальних джерел у виникненні життя шляхом моделювання цих «курців» у вигляді пористих насадок для сопел введення, виготовлених з відповідного мінералу і розміщених на кінцях труб подачі газу, поміщених в один з підводних нагрівачів (2 на малюнку 1).
Анізотропна форма і орієнтація, а також анізотропне розташування цього нагрівача (а також додаткового охолоджувача 2) змусять воду циркулювати навколо острова DR в одному напрямку (на малюнку 2 - проти годинникової стрілки). На тому ж малюнку градієнти pH також показані змінами кольору для можливого одночасного включення лужного і кислотного «курців».
У такій системі, «пронизаної» градієнтами і перемішуванням, існує безліч місць з різними комбінаціями умов для виникнення різних реакцій і для обміну їх продуктами, що поширюються по всьому обмеженому обсягу установки. Це обмеження обсягу в нашій «моделі Землі» за рахунок усунення розведення і збільшення градієнтів дає надію на «стискання» шкали часу на кілька (5-7? - звичайно, лінійні оцінки не можуть бути правильними у цьому досить нелінійному випадку), а також зменшення денного періоду і річних циклів, наприклад, до хвилин і годин (на 2-3 порядки), що в цілому може дати "перетворення" або "стискання" на необхідні 7-10 порядків, тобто перетворить 2-3 мільярди років у прийнятні кілька місяців або років.
На жаль, теорія подібних дійсно складних систем навіть не починає створюватися: немає чітких визначень як порогів (і умов - не тільки по кількості та порядку нелінійних диференціальних рівнянь для їх опису, а і за кількістю різних фізичних законів, речовин і їх фаз, що вимагають одночасного опису) складності, так і значень необхідних і достатніх градієнтів для створення нових структур. Тому нам доводиться мати справу в основному з якісними міркуваннями. Однак для експерименту абиогенеза, ймовірно, існує один виняток: при розробці установки ми повинні орієнтуватися на середній потік енергії через систему порядку не менше 340 Вт / м2 - значення сонячної сталої, яка не змінювалася суттєво за весь час формування життя на Землі.
Таким чином, ми можемо почати з того, що загальна максимальна потужність обох «сонць» повинна складати близько 340 Вт на квадратний метр горизонтальної поверхні установки, тобто, наприклад, для площі 0,25 квадратних метра - 85 Вт.
Таким чином, ми пропонуємо створити і упродовж тривалого часу протестувати паралельно 2-3 геометрично ідентичних блоків-«світиків» з різними складами заповнення та / або програмами циклічних впливів (освітлення, електричних розрядів, «дощів», піноутворення та ін.). Порівняння швидкостей змін, що відбуваються в установках та складності одержуваних структур може проводитися як шляхом періодичного підключення кожного з блоків до загальної лазерної спектрометрической системи та порівнянням багатства спектрів поглинання, люмінесценції і розсіяння для рідкої фази, так і за розміром і швидкістю росту наночастинок (великих біомолекул), і, звичайно ж, шляхом хімічного аналізу проб результуючого "бульйону".
 Після встановлення комбінації чинників, що забезпечують потрапляння в "зону 1", тобто в умови сталого зростання нових структур, ми зможемо перейти до з'ясування ролі кожного з них (просто «відключаючи» відповідний цикл або вплив), і тільки після цього зможемо спробувати почати писати рівняння.
Так, ми поки що не можемо сказати, як буде відбуватися робота по зменшенню структурної ентропії [16] хоча б тому, що, на відміну від комірок Бенара (де задіяні лише три сили), у абіогенезі, ймовірно, десятки реакцій повинні здійснюватися у трьох середовищах з безліччю різних граничних умов. Навіть у комірках Бенара неможливо чітко вказати «закон структурування», оскільки він проявляється у формі узгодженої взаємодії сил в'язкості, гравітації і теплового розширення, які «взаємодіють» при передачі потоку енергії. Рано чи пізно нам доведеться визнати, що «інертній» матерії просто «нудно» перетравлювати у досить складній системі надкритичні потоки енергії (і / або інформації) без утворення нових структур (прикладами чого є ми самі).
 висновок
Пропонована схема розширеного експерименту по абіогенезісу повинна включати (на додаток до лазерним спектрометрів та іншим засобам контролю) нагрівачі та охолоджувачі для підтримки конвекційних потоків в «атмосфері» і «океані», морозильник для створення «приполярної» області, генератори піни і дощу, «сушиарку» в формі додаткової пари нагрівача і холодильника для створення «сухої кімнати», джерела світла з максимально близьким до сонячного спектром випромінювання, електричні розрядники у повітрі та воді (останні можуть додати ударні хвилі в наше «Меню ефектів»), а також джерела неоднорідних електричного і магнітного полів, і системи датчиків температури, вологості і складу атмосфери. Всі ці пристрої повинні під’єднуватися до відповідних керованих комп'ютером джерел живлення. Тверді поверхні, у контакті з «атмосферою», «океаном» і піною, ймовірно, повинні включати широкий спектр мінералів, принаймні - оксиди і сульфіди заліза, цинку і інші, які тяжіють до каталітичного впливу на синтез природних органічних речовин. Проведені оцінки підтверджують можливість реалізації запропонованого експериментального проекту з урахуванням сучасного рівня техніки.
1) Цей закон (як причину гармонії навколишнього світу і щось, що протистоїть зростанню ентропії) люди звикли називати одним словом - бог. Підтвердження пропонованої гіпотези дозволить почати експериментальне дослідження цього закону

 

 

Свої коментарі щодо запропонованого експерименту із зародження життя можна спрямувати нам  або залишити прямо ТУТ: