Boreskov Institute of Catalysis of the Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

EMERGENT LIFE DRINKS ORDERLINESS FROM THE ENVIRONMENT 
Russell M.J. 
Jet Propulsion Laboratory, MS: 183‐601, California Institute of Technology,  
4800 Oak Grove Drive, Pasadena, CA, USA 
 
Microbes  both  at  the  bottom  of  the  evolutionary  tree  and  the  base  of  the  food  chain 
hydrogenate carbon dioxide. Four billion years ago our water‐world could do the same (as it 
does still)—abiotically generating methane like an inorganic methanogen, though not nearly 
so quickly. More rapid reduction appears to be life’s raison d’être. So how did life begin? We 
can  think  of  life’s  emergence  as  being,  in  part,  enabled  by  a  series  of  self‐organizing 
“negative” entropy traps with serpentinization the first “demon”, transferring energy from 
the  mafic  crust  to  open‐system  convecting  ocean  water  in  the  form  of  heat,  hydrogen, 
methane,  ammonia  as  well  as  hydroxyl  and  sulfide  ions  (Martin  et  al.,  2008,  Nature  Rev 
Microbiol,  6,  806).  The  initial  trap  would  be  set  across  the  inorganic  membrane,  formed 
spontaneously at the site of exhalation of the reduced alkaline fluid now differentiated and 
separated  from  its  mother  liquor—the  acidulous,  phosphate‐  and  ferrous  iron‐bearing 
carbonic ocean (Nitschke and Russell, 2010, J. Cosmol, 10, 3200; Simoncini et al. J. Cosmol, 
10,  3325).  Inorganic  transition  metal  sulfides  could  act  as  precursor  catalysts  to 
hydrogenase, nitric oxide reductase, carbon monoxide dehydrogenase and acetyl coenzyme‐
A synthase, while phosphate could be polymerized to pyrophosphate by protons streaming 
through  the  spontaneously  precipitated  inorganic  membrane,  in  turn  condensing  and 
polymerizing  the  first  organic  products  of  hydrogenation  and  amination.  Resulting  highly 
flexible uncoded and heterochiral peptides could locally also lower entropy by sequestering 
inorganic  sulfide  and  phosphate  clusters,  thereby  improving  and  tuning  their  catalytic  and 
energy‐storage  propensities.  Thus,  such  a  system  would  already  be  capable  of  evolution 
through  the  survival  of  those  peptides  that  nested  or  otherwise  interacted  with  the 
inorganic entities within the compartments (Milner‐White and Russell, 2010, J. Cosmol, 10, 
3217;  Kurland,  2010,  Bioessays  32,  866).  Products  not  taking  part  in  further  interactions 
would  tend  to  be  entrained  in  the  slowly  diffusing  effluent  and  be  lost  to  the  system.  In 
further conceptual steps Dieter Braun and collaborators (e.g., Baaske et al., 2007 PNAS, 104, 
9346)  have  demonstrated  how  convectively‐driven  polymerase  chain  reactions  whereby 
24 

25 
DNA  molecules  that  are  replicated,  albeit  with  the  involvement  of  taq  polymerase,  are 
concentrated  against  entropy  in  “cold  traps”  within  inorganic  compartments  through 
thermal diffusion driven by thermal gradients acting across the margins of a hydrothermal 
mound.  We  know  entropy  traps  are  also  required  for  the  onset  of  the  RNA  world.  For 
example,  Sievers  et  al.  (2004,  PNAS,  101,  7897)  show  that  the  peptide  bonding  rapidly 
effected in the ribosome is mainly a result of juxtaposing the substrates—perhaps aided by 
an unfolded peptide—to the partial exclusion water (and see Hsiao et al., 2009, Nucl Acids 
Res, 37, 3134; Wallin and Åqvist, 2010, PNAS, 107, 1888).  
 
[1].
 
Copyright 2011, California Institute of Technology. Government sponsorship acknowledged.  

 
PROTOBIOLOGICAL STRUCTURES, PREBIOLOGICAL AND BIOMINERAL 
COEVOLUTION 
Yushkin N.P. 
Institute of Geology of Ural Branch of Russian Academy of Sciences, 
54, Pervomaiskaya st., Syktyvkar, 167982, Russia 
Fax: [phone], 
[e-mail]
 
Abiogenic highly structured solid carboniferous substances and hydrocarbon molecular 
crystals, rather widely developed in terrestrial and extraterrestrial objects, possess structural 
and  functional  elements  of  protocell,  protogene,  contain  building  components  of 
protoprotein  and  represent  the  most  appropriate  prebiological  systems  for  creation  of 
information  genetic  apparatus  and  for  development  to  the  simplest  living  organisms.  They 
can  be  considered  as  models  of  protobiological  systems.  We  have  conducted  detailed 
researches  of  composition,  molecular  and  supramolecular  structure  of  various  natural 
carboniferous  substances  and  hydrocarbons,  their  comparative  analysis  with  biological 
materials and biomineral aggregates.  
Abiogenic  hydrocarbon  structures,  the  most  homological  to  bioorganisms,  are 
crystallized to relatively high thermal and high baric conditions in hydro‐gaseous mineralized 
environment  with  carbonate‐chloride‐sulphate  magnesium‐potassium‐sodium  composition 
in the presence of ammonia, sulphur gas, methane, carbon dioxide and other components, 
in reducing conditions. Biological life could be originated under similar conditions.  
The formation of biomolecules and other components of life began yet at astrophysical 
stage.  The  first  acts  of  biogeniesis  apparently  developed  not  on  the  Earth  surface,  but  in 
hydrothermal systems, pegmatites, volcanos, possibly even in gaseous cavities of hardening 
melts.  These  events  occurred  in  the  beginning  of  crustal  stage  (4.5‐4  Ga)  characterized  by 
melting of basalts and their granulite metamorphism.  
Not casual events, but certain geoecological and physical‐chemical conditions resulted in 
the  life  origin.  Life  formed  from  prebiological  material  as  single  integrated  whole,  not  as 
separate parts, casually united, or successive events.  
The simplest biological systems were hemoautotrophic. Prebiosphere was characterized 
by subsurface localization. The life was matured after protoorganisms were brought out to 
surface reservoirs, having changed to photoheterotrophic way, in warm water puddles and 
26 

27 
in ocean. The primary biosphere had local insular character, then archipelago, and complete 
biosphere cover was acquired by the Earth at about 3.8‐3.7 Ga. 
Thus, the biosphere history includes: a) period of subsurface prebiosphere characterized 
by nearly exploding origin and enaction of the simplest life, b) period of formation of surface 
and  near‐surface  biosphere,  c)  stagnation  procaryota‐eucaryota  period,  about  1.7  Ga,  d) 
period of exponential biosphere expansion from 2.3 Ga to present. 
On  the  basis  of  quantitative,  structural  and  event‐driven  analysis  of  development  of 
mineral  and  biological  systems  the  mechanisms  and  regularities  of  biomineral  coevolution 
were studied. 
During  prebiological  history  of  the  planet  the  number  of  minerals  increased  from  a 
dozen of nanosize phases in prestellar molecular matter to fifty in the primary preplanetary 
chondrite  matter  and  to  250  –  in  primary  planetary  (crustal)  one.  This  mineral  substrate 
resulted in the sources of life origin and development. Mineral formation processes of non‐
biological  nature  supported  mineral  diversity  in  about  1500  mineral  species,  about  100  of 
them  were  generated  by  granitoid  magmatism,  granitization  of  granulites  and  related 
hydrothermal processes.  
A  powerful  biogenic  factor  was  included  into  the  evolution  of  mineral  world  together 
with  life  appearance  on  the  Earth,  which  considerably  renewed  and  complicated  the 
evolution process. This factor became one of the leading in the formation of mineral pattern 
of near‐surface lithosphere, and as a consequence the number of mineral species increased 
at 3 times to 4500 known today. Oxidation processes are playing a great role in it.  
The  biomineral  evolution  is  characterized  by  precisely  directed  “loosening”  of  mineral 
matter expressed via decreasing total density of atomic array in minerals (PA) from 0.50 in 
preplanetary  chondrite material to 0.44 – in basalt minerals, 0.40 – crustal, 0.38 – in modern 
mineral world. The total symmetry index decreased the same way: 33.58  29.00  21.95. 
Thus,  biomineral  interactions  and  their  coevolution  resulted  in  cardinal  changes  of 
mineral world of lithosphere expressed in sharply increasing mineral diversity, complicating 
structure, decreasing structural density and total symmetry, accelerating rate of biomineral 
genetic  events.  They  promoted  formation  of  modern  appearance  of  lithosphere  and 
biosphere, creation of modern biological and mineral diversity.  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ORAL PRESENTATIONS 
 
 

OP‐1 
ROLE OF COMETS IN THE ORIGIN OF LIFE AND ITS EVOLUTION 
Adushkin V.V., Pechernikova G.V. and Vityazev A.V. 
Institute for Dynamics of Geospheres, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia 
E‐mail: 
[e-mail] 
I. A current standard scenario of the origin of the Solar System is presented [1, 2]. The 
results  of  research  of  the  earliest  evolution  stages  of  circumsolar  protoplanetary  disk  with 
the Sun before its exit on the main sequence Hertzsprung–Russell diagram is considered. We 
examined  the  evolution  of  ensembles  of  gas‐dust  clusters  and  planetesimals  both  in 
astrodynamical aspect and in terms of interiors thermal history of surviving in the collisions 
of bodies. The calculations take into account new data on the injection of 
60
Fe into the young 
Solar  system  and  the  new  value  of  a  half  life  (2.62  million  years  instead  of  1.5)  of  this 
nuclide.  Calculations  (ours  and  other  authors) have  shown  that  radionuclides 
26
Al  and 
60
Fe 
have provided heating and differentiation of the interiors of planetesimals early in the first 
3‐4 million years after formation of CAI. 
In the terrestrial planet zone early melting bodies with sizes ranging from tens to a few 
thousand  kilometers  makes  it  possible  to  explain  the  formation  of  differentiated  bodies  in 
the first 3‐4 million years of the Solar system existence and data on early differentiation of 
the planet's interior. In the zone of outer planets long before the formation of the planets 
themselves  into  planetesimals  with  sizes  ranging  from  tens  to  hundreds  of  kilometres, 
formed  from  the  gas‐dust  clusters,  the  ice  melting,  the  differentiation  into  the  shells  and 
cores descended from dust and its aggregates with organic matter occured.  
For  astrobiologists,  this  result  points  to  the  need  of  searching  for  traces  of  anaerobic 
forms  of  life  in  the  ice  bodies  of  the  Solar  system  or  their  fragments  –  comet  nuclei.  For 
geophysicists,  our  results  on  the  heating  of  bodies  of  lunar  size  by  short‐lived  isotopes 
remove the old problem of early heating of the central regions of the growing planets. 
II.  The  role  of  comets  is  important  not  only  in  the  formation  of  Earth,  but  also 
throughout its evolution. In a recent survey [3] it was noted, that neither hypothesis is not 
suitable  to  explain  the  mass  extinctions  of  biota  and  the  Glacials  (duration  about  30‐100 
million  years)  on  the  Earth.  Since  1960,  several  well‐known  geologists  (W.  Brian  Harland, 
Joseph Kirshvink – author of the term "Snowball Earth", Paul F. Hoffman and others) have 
29 

OP‐1 
30 
developed  a  theory  of  the  great  glaciations.  But  the  very  causes  of  the  fall  in  average 
temperatures by at least 2‐5 °C were not clear.  
Many authors attribute some of globally recurring events with the motion of the Solar 
system in the Galaxy. During this movement, the Solar system have repeatedly met with the 
giant molecular clouds, periodically crossed the galactic plane, passed through the branches 
of  the  spiral  structure,  i.e.  passed  through  the  area  of  increased  density  of  matter  in  the 
galaxy.  During  such  periods,  frequency  of  close  encounters  of  stars  with  Solar  system 
increased. This caused disturbance of comet orbits of the outer and inner parts of the Oort 
cloud, which, in turn, could lead to comet showers. Hundreds of comets were transferred to 
higher eccentric orbits and penetrated into the central regions of the Solar system, some of 
them  collided  with  the  Earth.  But  the  comet's  collision  with  Earth  couldn`t  lead  to  global 
catastrophe, it`s a local scale event. 
Vityazev  A.V.  [4]  proposed  a  new  mechanism  of  the  Galaxy  action  on  events  on  the 
Earth.  During  periods  of  comet  showers  stream  of  comets,  moving  in  the  direction  of  the 
Sun, crosses the asteroid belt. Cross section of collision of comets with numerous asteroids is 
on  orders  greater  than  their  cross  section  of  collision  with  the  Earth.  Calculations  showed 
that  the  collision  of  a  comet  with  an  asteroid  even  much  smaller  in  size  but  with  higher 
density  at  an  average  velocity  of  comets  in  the  asteroid  belt  about  30‐40  km/sec  leads  to 
complete  destruction  of  comet  and  ejection  of  dust  into  interplanetary  space.  Estimations 
have shown that during the periods of cometary showers of a dust can be formed enough 
that reduction of an insolation of the Earth has led to approach of the next glacial age. 
References 
[1].
 
Adushkin V.V., Vityazev A.V., Pechernikova G.V. In the development of the theory of the origin and early 
evolution of the Earth // Problems of the origin and evolution of the biosphere / Ed. E.M. Galimov. 
Moscow: Librokom, 2008. P. 275‐296 (in Russian).  
[2].
 
Vityazev A.V., Pechernikova G.V. Early Earth in close environment of young stars // Problems of origin of 
life. Russian Academy of Sciences. Moscow: PIN RAS, 2009. P. 131‐157 (in Russian).  
[3].
 
Coryn A.L. Bailer‐Jones The evidence for and against astronomical impacts on climate change and mass 
extinctions: A review. //International Journal of Astrobiology, 8, 213‐239. 
[4].
 
Vityazev A.V. Could be caused Great glacial ages by comet showers? // Doklady Earth Sciences, 2011 (in 
press). 

OP‐2 
GRAVITATIONAL INSTABILITY IN THE PROTO‐PLANET DISK 
Brushlinskii K.V., Pliner L.A., Zabrodina E.A., Menshov I.S., 
Zhukov V.T., Dolgoleva G.V., Legkostupov M.S. 
Keldysh Institute for Applied Mathematics, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia 
 
In spite of numerous studies, the main question of how the planetary system of the Sun 
has been formed remains still open. 
Large‐scale  gravitational  instability  of  the  proto‐planet  solar  disk  might  be  a  physical 
process that leads to the formation of planets. However in the scientific society there is no 
common opinion concerning this question. Some researches consider the proto‐planet disk 
in the gas phase to be stable [1, 2]. Other researchers keep the opposite point of view [3, 4].  
Thus, Pavlyuchenko and Friedman have found [4] existence of the gravitational ring‐shaped 
instabilities  in  the  proto‐planet  solar  disk,  which  can  lead  under  specific  conditions  to  the 
formation  of  the  solar  planetary  system.    In  calculations,  they  used  a  flat  disk  model  with 
sufficiently small thickness. 
The purpose of the present paper is to study large‐scale gravitational instabilities at the 
initial  stage  of  the  proto‐planet  solar  disk  evolution.  The  problem  of  the  proto‐planet  disk 
evolution in the general formulation is extremely difficult. In order to simplify this problem 
and make the treatment of the results obtained possibly unambiguous, several assumptions 
are  employed.  The  medium  of  the  disk  is  considered  to  be  single‐phase  and  ideal.  Of  all 
physical  processes,  which  occur  in  the  proto‐planet  disk,  we  leave  only  basic  ones  that 
influence the gravitational stability of the disk: gas‐dynamic processes, the Sun gravitational 
field, and the disk own gravitational field.  The initial state of the proto‐planet solar disk is 
set up in accordance with the analytical solution by Roche [5, 6]. 
In  this  formulation,  the  proto‐planet  disk  has  the  form  of  a  slim  torus,  whose  internal 
part becomes narrow, if we go towards to the center. Strong gravitational field of the Sun 
draws the gaseous medium of the proto‐planet disk to the center, and due to this effect the 
density of the gaseous medium reaches maximum values near the internal edge of the disk. 
This creates significant density gradients. 
The problem of the proto‐planet solar disk evolution is solved numerically.  A numerical 
two‐dimensional  axisymmetric  gasdynamic  model,  which  accounts  both  the  gravitational 
31 

OP‐2 
field of the Sun and the field of the disk has been developed. This model describes the basic 
processes at the initial stage of the evolution.  
The description of gasdynamic processes is carried out in the Eulerian coordinates. The 
governing equations represent the basic conservation laws. These equations are discretized 
with  the  numerical  method  proposed  by  S.  K.  Godunov  and  A.  V.  Zabrodin  [7]  for  solving 
gasdynamic equations in complex geometries on arbitrary moving grids.  
The  whole  computational  domain  is  divided  into  a  set  of  subdomains  separated  by 
moving  boundaries.  This  approach  allows  us  to  sufficiently  resolve  different  scales  of  the 
proto‐planet disk dynamics. The computational grid consists of 124800 cells in total. 
The  developed  numerical  model  simulates  the  initial  stage  of  the  disk  evolution  in  the 
Roche’s  approximation,  when  the  disc  inner  field  is  neglected,  and  also  with  taking  it  into 
account.  The  comparison  of  these  two  calculations  provides  data  on  how  the  disk  inner 
gravitational field influences on the process of the proto‐planet disk evolution.  
The  analysis  of  the  computational  results  shows  that  switching  on  the  disk  inner  field 
changes  the  flow  structure.  Ring‐shaped  domains  begin  to  form,  in  which  the  flow  so 
develops that it results in the mass concentration in certain radial cross‐sections of the disc. 
This  can  be  clear  seen  from  snapshots  of  instantaneous  streamlines.  When  the  inner 
gravitational field is switched on one can see the formation of several subdomains. The gas 
in each of these subdomains tends to move to a radial cross‐section, with the density being 
increased near this section. In comparison with the flow without the inner field, the flow in 
subdomains above the cross‐section lines oppositely changes the direction of motion. 
The contour lines of density in the proto‐planet disk are changed in accordance with the 
change  in  behavior  of  the  streamlines.  In  Figs.  1  and  2  density  contours  are  shown  at  two 
different  time  moments.  As  can  be  seen,  the  inner  gravitational  field  causes  the  flow 
instability  that  develops  in  the  form  of  the  rings  of  density  (Fig.  2).  Local  maximums  and 
typical  cross‐clamping  of  contour  lines  are  well‐defined  in  the  density  distribution  of  the 
proto‐planet  disk  at  the  moment  t=0.685  (non‐dimensional).    The  structure  of  rings  is 
physically intelligible: appearance of the Jeans instability (i.e.,  local increase in gas density) 
leads to local mass concentrations that begin to gravitationally attract surrounding masses of 
gas, in consequence of which local maximum and cross‐clamping in contour lines come out. 
This corresponds to local decrease in the thickness of the proto‐planet disk. 
32 

OP‐2 
33 
Typical sizes of gravitational instabilities are equal in order of magnitude to the distances 
between  the  planets.  The  masses  of  the  rings  of  the  local  maximums  of  density  comprise 
fractions of the masses of the corresponding planets.  
 
 
 
Fig. 1. Density iso‐contours at time=0.299. 
Fig. 2. Density iso‐contours at time=0.685. 
References 
[1].
 
V.S. Safronov. Accumulation of the planets. In: Origin of the solar system (Ed. G. Rivs), Publ.: Mir, Moscow, 
1976. 
[2].
 
A. V. Vityazev, G.V. Pechernikova, V.S. Safronov. Earth‐type planets:  Origin and the early evolution. Publ.: 
Mir, Moscow, 1990. 
[3].
 
Ebert R., Habilitationschrift, Un. f. Frankfurt‐am‐Main, 1964. 
[4].
 
V.L. Polyachenko, A.M. Fridman. J. of Astronomy. V.49, No 1, p.157, 1972. 
[5].
 
A.V. Zabrodin, E.A. Zabrodina, M.S. Legkostupov, L.A. Pliner, K.V. Manukovskii. Some models of the 
description of proto‐planet solar disk at the initial stage of its evolution. Preprint KIAM RAS, No 70, 2006. 
[6].
 
A.V. Zabrodin, E.A. Zabrodina, M.S. Legkostupov, L.A. Pliner, K.V. Manukovskii. Some models of the 
description of proto‐planet solar disk at the initial stage of its evolution. In: Problems of origin and 
evolution of the biosphere (Ed. E.M. Galimov), Publ.: Librokom, Moscow, 2008, p. 297. 
[7].
 
S.K. Godunov , A.V. Zabrodin, and et al. Numerical solution of multidimensional problems of gas dynamics. 
Publ: Nauka, Moscow, 1976.  

OP‐3 
34 
HOT ABIOGENESIS AND EARLY BIOSPHERIC EVOLUTION 
Helen Piontkivska
1
, Charles H. Lineweaver
2
 and David W. Schwartzman
3
 
1
Department of Biological Sciences, Kent State University, USA 
2
Planetary Science Institute, Australian National University, Australia 
3
Department of Biology, Howard University, USA,
 dschwartzman @gmail.com
  
We  argue  that  hyperthermophilic  abiogenesis  leading  to  a  hyperthermophilic  Last 
Universal Common Ancestor (LUCA) of life is supported by a wide range of recent research.  
If  the  ambient  ocean  during  abiogenesis  was  cold,  then  primitive  mesophiles  should  have 
emerged.  The  absence  of  deeply‐rooted  mesophiles  in  molecular  phylogenetic  trees 
suggests  that  either  primitive  mesophiles  did  not  survive  a  near  sterilizing  event  in  the 
Hadean or a hot Archean climate, or alternatively did not emerge because of a hot Hadean 
climate.  Drawing  on  a  plausible  scenario  of  hydrothermal  abiogenesis  near  the  seafloor 
((Russell and Hall 1997; Koonin and Martin 2005; Russell 2007), we propose that a spectrum 
of  Bacterial  and  Archaeal  protocells,  including  ancestors  of  extant  prokaryotes,  emerged 
simultaneously in the redox potentials of a thermal gradient between a hydrothermal source 
on  the  seafloor  and  the  ambient  climatic  oceanic  temperature  in  Hadean  time.  The 
transition  from  RNA  to  DNA  and  the  efficient  repair  of  single  and  double  strand  breaks  in 
DNA, rather than being the result of a mesophile to hyperthermophile transition could be a 
consequence  of  the  protocell  emergence  in  a  high  temperature  and  high  radiation 
environment  due  to  intracellular  K
40
  and  C
14
.  Therefore  the  early  accumulation  of  neutral 
‘‘clock‐like’’  substitutions  could  plausibly  be  driven  by  this  radiation  dose  as  a  function  of 
time, with the surviving record having the potential of providing the time of emergence of 
the  earliest  metabolisms.  The  strong  anti‐correlation  of  maximum  growth  temperatures 
(Tmax)  of  thermophiles  with  their  rRNA  and  tRNA  phylogenetic  distances  from  the  LCA 
supports  their  Tmax  being  close  to  the  environmental  temperature  of  each  organism  at 
emergence.  A  climatic  temperature  close  to  70‐  80  deg  C  in  the  late  Hadean/Archean  is 
consistent with paleotemperatures derived from oxygen isotopes in marine cherts ((Knauth, 
2005),  and  the  measurement  of  melting  temperatures  of  proteins  resurrected  from 
sequences inferred from robust molecular phylogenies (Gaucher et al., 2008). 
[1].
 
Gaucher, E.A., Govindarajan S. and O.K. Ganesh, 2008, Palaeotemperature trend for Precambrian life 
inferred from resurrected proteins. Nature 451: 704‐707. 
[2].
 
Knauth LP. 2005. Temperature and salinity history of the Precambrian ocean: implications for the course 
of microbial evolution. Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol. 219:53–69.  
[3].
 
Koonin EV, Martin W. 2005. On the origin of genomes and cells within inorganic compartments. TRENDS in 
Genetics Vol.21 No.12, 647‐654. 
[4].
 
Russell MJ, Hall AJ. 1997. The emergence of life from iron monosulphide bubbles at a submarine 
hydrothermal redox and pH front. Jour. Geol Soc. London.154: 377‐402. 
[5].
 
Russell MJ. 2007. The Alkaline Solution to the Emergence of Life: Energy, Entropy and Early Evolution. Acta 
Biotheoretica doi:10.1007/s10441‐007‐9018‐5.