Многие научные исследования посвящены абиогенному синтезу предбиологических систем в лабораториях. В этих экспериментах ученые получали биологически важные соединения, пропуская через смесь водяного пара, водорода, аммиака и метана электрические разряды или прогоняя ту же смесь газов через раскаленный (с температурой 1000 °C) песок. А что представляет собой пеплово-газовый вулканический столб во время извержения? В нем содержатся все необходимые для образования предбиологических систем газовые компоненты: водяной пар, водород, аммиак, углеводороды, окись и двуокись углерода. В эту смесь входят также соединения серы и галоидные соединения. Газ составляет несколько весовых процентов от взвешенных в нем пепловых частиц. Последние — это вулканическое стекло и кристаллики минералов. Так как они обычно мелки, их общая суммарная поверхность колоссальна. Так, например, у пеплов, извергнутых в 1975–1976 гг. вулканом Толбачик на Камчатке, она составила около 100 000 000 км. Такая поверхность может служить ареной для реакций между газовыми компонентами, а минеральные частицы — катализаторами этих реакций.
Взрывающаяся магма имеет температуру более 1000 °C. Такая же температура у пепловых частиц в момент их образования. Однако из этой температурной зоны они удаляются со скоростью сотен метров в секунду. Так как пепловые частицы мелки, они очень быстро приобретают температуру окружающей среды. Поэтому сохраняются образовавшиеся на них биологически важные соединения.
Давление газа в момент взрыва обычно равно сотням атмосфер. В пеплово-газовом столбе оно быстро падает до атмосферного. Этот перепад давлений и служит причиной быстрого движения пепловых частиц и газа в пеплово-газовом столбе.
Взаимное трение и столкновение частиц пепла приводит к его электризации. В пеплово-газовой туче возникают электрические разряды, молнии. Длина их достигает нескольких километров.
При извержении вулкана Тятя на Курильских островах в 1973 г. общее число подобных разрядов измерялось миллионами и десятками миллионов. Объем газа и взвешенного в нем пеплового материала, оказавшегося в каналах молний во время извержений, составляет сотни миллионов кубических метров.
Возможно, немалую роль в синтезе сложных органических соединений в вулканическом процессе играют ударные волны. Пеплово-газовые тучи — это по существу многокилометровые мощные природные химические реакторы, в которых образуются сложные органические соединения, в том числе биологически важные.
Это — теоретический вывод. Изучение продуктов извержений вулканов Тятя и Толбачик дало возможность проверить его. Извержение Тяти началось 14 июля 1973 г. и продолжалось с почти неизменной интенсивностью две недели. Все это время над новым кратером на высоту в несколько километров поднимался пеплово-газовый столб. Основная масса изверженного материала — тонкий вулканический пепел. Он покрыл площадь около 20 000 км. Масса его составила приблизительно 200 млн. т.
Извержение Толбачика началось 6 июля 1975 г. и продолжалось почти полтора года. С июля по сентябрь 1975 г. последовательно образовалось несколько шлаковых конусов. Мощный пепло-шлако-газовый столб выбрасывал крупные бомбы на высоту до 2–2,5 км. Общее количество изверженного материала около 2 км. Во время извержений обоих вулканов было взято несколько сотен проб пеплов, шлаков и бомб. Некоторые пробы отбирали еще горячими. Анализы показали, что в них содержатся абиогенные органические соединения, в том числе аминокислоты, нуклеотиды и сложные углеводороды.
Образование в ходе вулканического процесса сложных органических соединений, в том числе аминокислот и азотсодержащей части нуклеотидов — важнейших составляющих живого вещества, означает, что само вулканическое извержение можно считать первым шагом от неживой материи к живой. Отсюда следует, что фундаментальная биологическая проблема возникновения жизни требует специальных биовулканологических исследований.
Возникновение предбиологических систем, биологически важных соединений и первые этапы их эволюции, оказывается, самым тесным образом связаны с механизмом вулканических извержений, с протекающими при этом физическими и химическими процессами. Для изучения процесса возникновения природных предбиологических систем нужно исследовать состав вулканических газов, содержащих исходные компоненты для синтеза биологически важных соединений, а также изучить азот-, кислород-, фосфор- и серосодержащие соединения, сорбционные и каталитические свойства силикатных вулканических продуктов — пеплов, шлаков, пемз, «бомб», лавы.