Условия необходимые для развития жизни. Какие условия необходимы для жизни растений? Условия, необходимые для роста и развития растений

Страница 19 из 36

Условия, необходимые для появления жизни

История жизни и история Земли неотделимы друг от друга, так как именно в процессах развития нашей планеты закладывались физические и химические условия, необходимые для появления и развития жизни.

Жизнь может существовать в достаточно узком диапазоне температур, давлений, радиации. Для ее появления нужны были материальные основы – химические элементы-органогены и в первую очередь углерод, так как именно он лежит в основе жизни. Этот элемент обладает рядом свойств, делающих его незаменимым для образования живых систем. Прежде всего, углерод способен создавать разнообразные органические соединения, число которых достигает нескольких десятков миллионов. Среди них – насыщенные водой, подвижные, низкоэлектропроводные, скрученные в цепи структуры. Соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, фосфором, серой и железом обладают хорошими каталитическими, строительными, энергетическими, информационными и иными свойствами.

Наряду с углеродом к «кирпичикам» живого относятся кислород, водород и азот. Ведь живая клетка состоит на 70% из кислорода, углерода в ней 17%, водорода – 10%, азота – 3%. Перечисленные элементы-органогены принадлежат к наиболее устойчивым и распространенным во Вселенной химическим элементам. Они легко соединяются между собой, вступают в реакции и обладают малым атомным весом. Их соединения легко растворяются в воде. Эти элементы, очевидно, поступили из космической пыли, которая стала материалом для сложения планет в Солнечной системе. Еще на стадии формирования планет возникли углеводороды, соединения азота, и в первичных атмосферах планет было много метана, аммиака, водяного пара и водорода. Они-то и стали сырьем для получения сложных органических веществ, входящих в состав живых белков и нуклеиновых кислот (аминокислот и нуклеотидов).

Огромную роль в появлении и функционировании живых организмов играет вода, ведь они
на 90% состоят из нее. Поэтому вода выступает не только средой, но и обязательным участником всех биохимических процессов. Вода обеспечивает метаболизм клетки, терморегуляцию организмов. Кроме того, водная среда, как уникальная по своим упругим свойствам структура, позволяет всем определяющим жизнь молекулам реализовать свою пространственную организацию. Поэтому жизнь зародилась в воде, но даже выйди из моря на сушу, она сохранила внутри живой клетки океаническую среду.

Наша планета богата водой и расположена на таком расстоянии от Солнца, что необходимая для жизни основная масса воды находится в жидком, а не в твердом или газообразном состоянии, как на других планетах. На Земле поддерживается оптимальная температура для существования жизни, основанной на углероде.

Закономерно возникает вопрос, могла ли жизнь появиться где-либо еще во Вселенной. Все наши рассуждения на эту тему остаются лишь догадками. Пока у нас нет доказательств ни в пользу существования иных форм жизни, ни в пользу того, что жизнь на Земле является уникальным явлением. В принципе, условия для появления жизни могли возникнуть на многих планетах, образовавшихся возле звезд определенного типа. Не исключена вероятность появления жизни и в Космосе, вдали от планет. Но пока мы знаем только одно место во Вселенной, где есть жизнь – это наша планета Земля, являющая «золотой серединой» Солнечной системы.



Оглавление
Живые системы.
Дидактический план
Специфика и системность живого
Основные свойства живых систем
Уровни организации живых систем
Биохимические основы жизни
Становление клеточной теории
Строение и размножение клеток
Типы клеток и организмов
Происхождение и сущность жизни
История проблемы происхождения жизни и основные гипотезы происхождения жизни
Концепция креационизма
Концепция самозарождения жизни из неживого вещества
Концепция панспермии
Концепция стационарного состояния
Концепция случайного однократного появления жизни
Идея биохимической эволюции. Концепция А.И. Опарина
Современное состояние проблемы происхождения жизни

Вселенная, жизнь, разум Шкловский Иосиф Самуилович

11. Условия, необходимые для возникновения и развития жизни на планетах

Для эволюции живых организмов от простейших форм (вирусы, бактерии) к разумным существам необходимы огромные интервалы времени, так как «движущей силой» такой эволюции являются мутации и естественный отбор - процессы, носящие случайный, статистический характер. Именно через большое количество случайных процессов реализуется закономерное развитие от низших форм жизни к высшим. На примере нашей планеты Земли мы знаем, что этот интервал времени, по-видимому, превосходит 3,5 миллиарда лет. Поэтому только на планетах, обращающихся вокруг достаточно старых звезд, мы можем ожидать присутствия высокоорганизованных живых существ. Отсюда сразу же следует естественный вывод, что высокоорганизованная (в частности, разумная) жизнь может быть только на планетах, обращающихся вокруг звезд, спектральный класс которых более «поздний», чем F0 (см. табл. 2). С другой стороны, довольно ненадёжные аргументы, основанные на анализе особенностей вращения звезд вокруг своих осей и статистике кратных звездных систем, говорят о том, что только у звезд более «поздних» классов, чем F5, можно ожидать планетных систем. Здесь мы еще раз должны подчеркнуть, что при современном состоянии астрономии можно говорить только об аргументах в пользу гипотезы множественности планетных систем. Строгим доказательством этого важнейшего утверждения астрономия пока не располагает (см. гл. 10).

С этой весьма существенной оговоркой мы будем в дальнейшем считать, что некоторое, пока еще не известное нам количество звезд главной последовательности, спектральные классы которых более «поздние», чем F5, имеют планетные системы.

С другой стороны, имеются основания полагать, что у звезд «первого поколения» (субкарликов) планет типа Земли быть не может, так как среда, из которой они образовались, была весьма бедна тяжелыми элементами. На это обстоятельство обратил внимание Э. А. Дибай.

Для возникновения и развития жизни на планете необходимо, чтобы выполнялся ряд условий весьма общего характера. Совершенно очевидно, что далеко не на всякой планете может возникнуть жизнь. Хорошим примером является Луна, практически лишенная атмосферы и полностью лишенная водной оболочки - гидросферы. Конечно, при таких условиях говорить о какой бы то ни было жизни на Луне не приходится.

Жизнедеятельность любого организма есть прежде всего совокупность различных согласованных между собой сложных химических процессов. Жизнь может возникнуть только тогда, когда на планете уже имеются достаточно сложные молекулярные соединения. Само образование таких соединений, химические реакции между ними, в конечном итоге давшие начало живому веществу, и жизнедеятельность образовавшихся на планете организмов требуют, в частности, подходящих температурных условий. Слишком высокие и слишком низкие температуры исключают возможность возникновения и развития жизни. В равной степени губительны для возникновения и развития жизни очень резкие колебания температуры.

Мы можем представить себе вокруг каждой звезды, имеющей планетную систему, область или зону, где температурные условия на планетах не исключают возникновения и развития жизни. Ясно, что в достаточной близости от звезды температуры планет будут слишком высокими для возникновения жизни.

Хорошей иллюстрацией сказанному является Меркурий, температура обращенной к Солнцу части которого выше температуры плавления свинца. На достаточно большом удалении от звезды температура планет будет слишком низкой. Нелегко себе представить, например, жизнь на Уране и Нептуне, температура поверхностей которых –200 °C. Нельзя, однако, недооценивать огромную приспособляемость («адаптацию») живых организмов к неблагоприятным условиям внешней среды.

Следует еще заметить, что для жизнедеятельности организмов значительно «опаснее» очень высокие температуры, чем низкие, так как простейшие виды вирусов и бактерий могут, как известно, находиться в состоянии анабиоза при температуре, близкой к абсолютному нулю.

Температура планеты определяется прежде всего количеством излучения от звезды, падающим на единицу площади ее поверхности за единицу времени. По этой причине размеры «зон обитаемости» для разных звезд различны. Они тем больше, чем выше светимость звезды, т. е, чем более «ранним» является ее спектральный класс.

У красных карликов спектрального класса М, а также поздних подклассов К внешний радиус «зоны обитаемости» становится очень маленьким, меньше, например, радиуса орбиты «нашего» Меркурия. Поэтому вероятность того, что хотя бы одна из планет, обращающихся вокруг таких карликов красных звезд, находится в пределах «зоны обитаемости», как можно думать, невелика. Следует, однако, заметить, что планетные системы, окружающие звезды, могут по своим характеристикам значительно отличаться от единственной планетной системы, которую мы пока знаем, - нашей Солнечной системы. В частности, не исключено, что вокруг красных карликовых звезд планеты могут обращаться по сравнительно небольшим орбитам.

Если сделать весьма «оптимистическое» предположение, что планеты, на которых возможна жизнь, имеются у всех звезд главной последовательности, спектральные классы которых более «поздние», чем F5, и более «ранние», чем К5, то окажется, что лишь 1–2 % всех звезд в Галактике могут быть «обитаемы».

Учитывая, что число всех звезд в нашей звездной системе около 150 млрд, мы приходим к довольно «утешительному» выводу: по крайней мере у миллиарда звезд нашей Галактики могут быть планетные системы, на которых в принципе возможна жизнь.

Нужно, впрочем, считаться с еще одним обстоятельством. Как известно, около половины всех звезд входит в состав кратных систем. Представим себе планету в системе двойной звезды. Вообще говоря, ее орбита будет довольно сложной незамкнутой кривой. Вычисление характеристик такой орбиты представляет достаточно трудную математическую задачу. Это так называемая «ограниченная» задача трех тел. По сравнению с общей задачей о движении трех тел, взаимно притягивающихся по закону Ньютона, «ограниченная» задача проще, так как масса планеты ничтожна по сравнению со звездами и не оказывает влияния на движение звезд.

Двигаясь по своей сложной орбите, планета временами может приближаться к одной из звезд на небольшие расстояния, а временами удаляться от звезд очень далеко. В соответствии с этим температура поверхности планеты будет меняться в недопустимых для возникновения и развития жизни пределах. Поэтому вначале считали, что около кратных звезд не могут быть обитаемые планеты. Но свыше 30 лет назад Су Шухуанг пересмотрел этот вопрос и показал, что в отдельных случаях может быть такое движение планет по периодическим орбитам, при котором температура их поверхностей меняется в допустимых для развития жизни пределах. Для этого нужно, чтобы относительные орбиты звезд были близки к круговым. На рис. 50 приведены сечения плоскостью некоторых «критических поверхностей» в ограниченной задаче трех тел. Периодические орбиты планет, допускающие развитие жизни, лежат либо внутри поверхности, проходящей через L 1 ; либо снаружи поверхности, проходящей через L 2 . Если массы обеих звезд одинаковы, то внутри поверхности, проходящей через L 1 ; орбиты, подходящие для развития жизни, будут существовать при условии, что расстояние между звездами а >2l 1/2 (а выражено в астрономических единицах), где l - светимость каждой из звезд (в единицах светимости Солнца). Когда а станет больше 13l 1/2 , каждую из компонент двойной системы можно рассматривать для интересующей нас задачи как одиночную звезду.

Заметим, что у многих двойных систем расстояние между компонентами превосходит это «критическое» значение. Следовательно, в принципе вокруг достаточно удаленных друг от друга компонент двойной системы, движущихся по почти круговой орбите, возможно наличие обитаемых планет. В случае, когда компоненты двойной системы достаточно близки друг к другу, подходящие периодические орбиты могут быть вне поверхности, проходящей через L 2 (рис. 50). Как показывают вычисления Су Шухуанга, при равных массах компонент двойной системы орбиты, подходящие для возникновения и развития жизни, могут быть при условии, что а < 0,4l 1/2 . Таким образом, в области значений 2l 1/2 > а > 0,4l 1/2 исключается возможность существования обитаемых планет.

Аналогичные результаты можно получить путем вычисления и для более общего случая, когда массы компонент двойной системы не равны. Таким образом, мы должны сделать вывод, что и в кратных звездных системах, в принципе могут быть планеты, температурные условия на которых не исключают возможности возникновения и развития жизни. Следует, однако, отметить, что вероятность существования таких планет около одиночных звезд значительно выше. Впрочем, возможно, что образование кратных звезд и планет суть процессы, взаимно исключающие друг друга.

Для оценки количества звезд в Галактике, вокруг которых, как можно полагать, обращаются обитаемые планеты, учет кратных звезд не имеет, конечно, серьезного значения, так как мы едва можем грубо оценить только порядок этой величины. При таких расчетах коэффициент 1,5–2 не играет роли. Другое дело, когда речь идет о вероятности существования обитаемых планет в какой-нибудь совершенно определенной кратной системе, по тем или иным причинам представляющей для нас интерес. Например, одна из ближайших звезд - а Центавра - кратная система. Естественно, что вопрос о возможном наличии в этой системе обитаемых планет представляет для нас особый интерес. а Центавра является тройной системой. Относительная орбита двух наиболее массивных компонент этой системы - эллипс с большой полуосью, равной 23,4 астрономической единицы, и с довольно значительным эксцентриситетом: 0,52. Таким образом, расстояние между двумя главными компонентами достаточно велико, чтобы вокруг каждой из них могли существовать подходящие планетные периодические орбиты (см. выше). Однако большая величина эксцентриситета звездных орбит требует для этого случая специального рассмотрения (напомним, что приведенные результаты вычислений Су Шухуанга относятся к случаю круговых орбит компонент двойной системы). Нужно, впрочем, заметить, что система а Центавра, по-видимому, сравнительно молодая. Входящие в нее звезды, возможно, еще не «сели» на главную последовательность. Поэтому маловероятно, что там могут быть планеты даже с примитивными формами жизни.

На рис. 51 приведена фотография пространственной модели ближайших окрестностей Солнечной системы. В соответствующем масштабе изображена сфера радиусом в 5 пк (16,3 светового года), причем Солнце находится в ее центре.

Каждый темный шарик этой сферы представляет собой звезду. Относительное пространственное расположение звезд соответствует действительному. Сфера выполнена из плексигласа и имеет диаметр около 130 см, так что в этом масштабе один световой год равен 4 см. Размеры шариков, сделанных из дерева, приблизительно соответствуют светимостям соответствующих звезд. Всего внутри этой сферы находятся 53 звезды (считая звезды, входящие в состав кратных систем). Справа внизу от Солнца находится самая яркая звезда на небе - Сириус. Рядом с ним виден его крохотный спутник - белый карлик. Справа вверху от Солнца видна другая яркая звезда - Процион. У нее спутник - также белый карлик. Яркая звезда слева от центра - Альтаир. Все эти звезды имеют спектральные классы, более ранние, чем F5.

Поэтому, согласно нашей основной гипотезе, вокруг них нельзя ожидать обитаемых планетных систем. Большинство звезд внутри этой сферы - красные карлики низкой светимости. Не считая нашего Солнца, только три звезды из 53 удовлетворяют сформулированным условиям (т. е. они имеют спектральные классы между F5 и К5 и являются одиночными). Это звезды e Эридана, t Кита и e Индейца.

Проведенный сейчас анализ модели, изображенной на рис. 51, наглядно демонстрирует, что только несколько процентов звезд могут иметь (но, конечно, отнюдь не обязательно должны иметь) обитаемые планеты. Следует, однако, еще раз подчеркнуть, что в настоящее время мы не можем исключить красные карликовые звезды (которые составляют подавляющее большинство всех звезд) из числа возможных очагов жизни во Вселенной (см. выше).

Как уже подчеркивалось, для развития жизни на какой-нибудь планете необходимо, чтобы температура последней находилась в определенных допустимых пределах. Этим требованием определяются размеры и само наличие «зон обитаемости». Кроме того, необходимо, чтобы излучение звезды на протяжении многих сот миллионов и даже миллиардов лет оставалось приблизительно постоянным. Например, обширный класс переменных звезд, светимости которых сильно меняются со временем (часто периодически), должен быть исключен из рассмотрения.

Однако подавляющее большинство звезд главной последовательности излучает с удивительным постоянством. Например, согласно геологическим данным, светимость нашего Солнца за последние несколько миллиардов лет оставалась постоянной с точностью до нескольких десятков процентов. По-видимому, такое постоянство светимости есть общее свойство большинства звезд главной последовательности. Таким образом, важное условие постоянства светимости звезды - центра планетной системы - почти во всех случаях удовлетворяется, во всяком случае, если речь идет о звездах с массой, близкой к солнечной.

Мы довольно подробно рассмотрели температурные условия, при которых возможно возникновение и развитие жизни на той или иной планете, но эти условия, конечно, не единственные. Очень важное значение для рассматриваемой нами проблемы имеют масса образовавшейся каким-либо способом планеты и химический состав ее атмосферы. По-видимому, эти две первоначальные характеристики планеты не являются независимыми. Рассмотрим сперва случай, когда масса образовавшейся планеты невелика. Молекулы и атомы в верхних слоях атмосферы, где ее плотность низка, двигаются с различными скоростями. Часть из них имеет скорость, превышающую «вторую космическую скорость» (астрономы называют эту скорость «параболической»), и будет беспрепятственно уходить за пределы планеты.

Этот процесс, до некоторой степени напоминающий испарение, называется «диссипацией». Очевидно, эффективная диссипация может происходить там, где плотность атмосферы настолько низка, что «ускользающие» атомы уже не испытывают столкновений с другими атомами. Если бы такие столкновения имели место, то они могли бы изменить величину и направление скорости ускользающих атомов, что препятствовало бы диссипации.

Диссипация планетных атмосфер происходит непрерывно, так как всегда найдется некоторое количество молекул (атомов), которые при данной температуре атмосферы имеют скорости, направленные «вверх» и превосходящие параболическую.

Однако для разных газов доля диссипирующих частиц будет различной. Больше всего она для легких газов - водорода и гелия. Само собой разумеется, что количество диссипирующих частиц зависит, и притом очень чувствительно, от температуры атмосферы на тех высотах, - где происходит диссипация.

Математическая теория диссипации планетных атмосфер впервые была развита в начале этого века английским астрономом Джинсом (автором известной космологической гипотезы, см. гл. 9). В дальнейшем она была усовершенствована трудами ряда ученых, в частности, американским астрофизиком Лайманом Спитцером и автором этой книги. Количество атомов, ускользающих из атмосферы за 1 с, дается следующей формулой:

где R0 - радиус планеты, G = 6.1·10 8 - известная постоянная в законе всемирного тяготения, Т - температура атмосферы на уровне, где диссипация становится существенной, m - масса атома, М - масса планеты, е = 2,718… - основание натуральных логарифмов, k - постоянная Больцмана, n c - плотность на уровне убегания.

Из этой формулы следует, что весь водород, находящийся в настоящее время в земной атмосфере, должен «ускользнуть» в межпланетное пространство за очень малое время - порядка нескольких лет. Если бы не постоянное поступление водорода в атмосферу, главным образом из-за испарения мирового океана, водорода в атмосфере нашей планеты не было бы совсем.

Из формулы видно, что скорость диссипации сильно зависит от массы планеты. Это и понятно. Ведь при малой массе параболическая скорость будет невелика, поэтому значительная часть атомов и молекул будет иметь скорость, превышающую параболическую. Например, у Луны, масса которой в 81 раз меньше земной, а радиус близок к 1700 км, параболическая скорость составляет всего лишь 2,4 км/с. Поэтому даже сравнительно тяжелые газы Луна на протяжении своей «космической» истории удержать не могла. Это объясняет отсутствие атмосферы на нашем спутнике. Меркурий также лишен сколько-нибудь плотной атмосферы.

<> Впрочем, недавно при наблюдениях спектра Меркурия с высоким разрежением обнаружили, что он имеет чрезвычайно разреженную атмосферу, состоящую главным образом из атомов натрия. <>

Таким образом, чтобы на планете могла возникнуть и развиваться жизнь, ее масса не должна быть слишком маленькой. С другой стороны, слишком большая масса планеты также является неблагоприятным фактором. Планеты, массы которых достаточно велики (например, близки к массам планет-гигантов Юпитера и Сатурна), полностью удерживают свою первоначальную атмосферу. Эта «первобытная» атмосфера должна быть очень богата водородом, так как первоначальная среда, из которой образовались планеты, имела примерно тот же химический состав, что и звезды, которые в основном состоят из водорода и гелия. Если планега сохранила «первоначальный» состав среды, из которой она образовалась, ее водородно-гелиевая атмосфера должна быть очень плотной. Исключительно плотной водородно-гелиевой атмосферой обладают планеты-гиганты Юпитер и Сатурн.

Мы уже подчеркивали в гл. 8, что если бы массы планет были в 5–10 раз больше, чем у Юпитера, они уже принципиально не отличались бы от карликовых звезд.

Ряд авторов (например, академик В. Г. Фесенков) считали, что при большом обилии водорода образовавшиеся на его основе химические соединения: аммиак, метан и другие - исключают возможность образования живой субстанции, так как это довольно ядовитые газы. Впрочем, такое утверждение не является бесспорным, и в настоящее время возможность существования примитивных форм жизни на больших планетах Солнечной системы, в принципе нельзя полностью исключать (см. гл. 17). Так или иначе, для того чтобы на планетах могла возникнуть и развиваться жизнь, их массы должны быть ограничены как сверху, так и снизу. По-видимому, нижняя граница возможной массы такой планеты близка к нескольким сотым массы Земли, а верхняя в десятки раз превосходит земную. Как видим, пределы возможных масс планет, пригодных для жизни, достаточно широки.

Те вопросы, которые мы сейчас затронули, тесно переплетаются с основными проблемами планетной космогонии и прежде всего с пониманием самого раннего периода Земли и планет. Мы уже подчеркивали в гл. 10, что пока состояние планетной космогонии таково, что еще не существует определенных ответов на все возникающие важные вопросы. Можно высказать только несколько замечаний самого общего характера. Нельзя считать, что первоначальный сгусток материи, удерживаемый силой взаимного тяготения составляющих его атомов и молекул, из которого впоследствии образовалась Земля, имел химический состав такой же, как Солнце и звезды, т. е. был так же богат водородом и гелием. Можно показать, что никакая диссипация не в состоянии «отсортировать» из такого сгустка водород и гелий. Коль скоро это так, мы должны сделать вывод, что Земля, так же как и другие «внутренние» планеты, образовалась из вещества, бедного водородом и гелием. Таким веществом могли быть пылинки и молекулярные агрегаты, образовавшиеся в первоначальной туманности. Вместе с тем на сравнительно больших расстояниях от Солнца условия были благоприятны для образования довольно массивных водородно-гелиевых конденсаций, которые впоследствии превратились в большие планеты. Для этой схемы трудностью является объяснение химического состава Урана и Нептуна, которые сравнительно бедны водородом и гелием. Об этом мы уже говорили в гл. 10.

Во всяком случае, по-видимому, не случайна сравнительная близость к Солнцу планет земной группы и значительная удаленность от него больших планет. Отсюда мы можем сделать важный вывод: то обстоятельство, что планеты, атмосферы которых в принципе пригодны для возникновения и развития жизни, находятся в сравнительной близости от Солнца, т. е. в «зоне обитаемости», является закономерным следствием процесса, приводящего к формированию планетных систем.

Это, конечно, повышает вероятность того, что на некоторых планетах данной планетной системы может возникнуть и развиваться жизнь. Итак, разные условия (положение планеты в «зоне обитаемости», подходящая масса ее и «благоприятный» химический состав атмосферы) могут выполняться одновременно, т. е. не являются независимыми.

В этой главе мы рассмотрели некоторые условия, необходимые для возникновения и развития жизни на планетах. Они носят самый общий характер и являются, если можно так выразиться, «астрономическими». Разумеется, чтобы на какой-нибудь планете возникла жизнь, необходимо выполнение ряда других условий. Так, например, очень важно, чтобы на поверхности планеты образовалась жидкая оболочка - гидросфера. Имеются все основания полагать, что первоначальные формы жизни скорее всего могли возникнуть в воде. Но для образования на планете достаточно мощной гидросферы нужно, чтобы существенная часть водорода, находящегося в том первоначальном материале, из которого образовалась планета, не успела диссипировать, а соединилась с кислородом. Это, конечно, накладывает дополнительное, и притом довольно жесткое, условие на массу планеты, ее радиус и расстояние от планеты до звезды. На другом важном условии (уровень жесткой радиации) мы немного остановимся в гл. 13.

Из книги Очевидность сотворения мира: Происхождение планеты земля автора Маклин Глен

6. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РАЗВИТИЯ ЖИЗНИ Глядя на мир живых организмов, ученый–эволюционист видит, что одни из них относительно просты, тогда как другие весьма сложны. Тогда он классифицирует живые существа в определенном порядке - от простого к сложному.Эта идея развития,

Из книги О духовной жизни современной Америки автора Гамсун Кнут

УСЛОВИЯ ДУХОВНОЙ ЖИЗНИ

Из книги Историческое подготовление Октября. Часть I: От Февраля до Октября автора Троцкий Лев Давидович

НЕОБХОДИМЫЕ ПОЯСНЕНИЯ Опубликование документов, касающихся моего месячного пленения англичанами, представляется мне сейчас делом политической необходимости. Буржуазная печать – та самая, что распространяла самые черносотенные клеветы против политических

Из книги Понять Россию умом автора Калюжный Дмитрий Витальевич

Необходимые поправки Если в хозяйстве сложился перекос – одного вида капитала много, другого мало – то можно заняться обменом, но нельзя менять капитал на потребительские товары! Капитал можно менять только на капитал!Следовало бы внести поправку в Конституцию

Из книги Экзамен на разумность автора Хохлов Сергей Олегович

Часть 6 ТБС-поселения на других планетах Первая цель на большом пути Выше было сказано, что ТБС-поселения могут обеспечить нормальные условия для существования человеческих обществ в очень широком диапазоне возможных условий. Они должны стать тем средством, что

Из книги Ликвидация неграмотности и малограмотности. Школы взрослых. Самообразование автора Крупская Надежда Константиновна

ПРИОБРЕСТИ НЕОБХОДИМЫЕ НАВЫКИ Чтобы работа шла успешно, необходимо овладеть определенными навыками, без которых нельзя работать с книгой.К числу таких навыков относится умение читать, писать, обращаться с цифровым материалом, умение читать географическую карту и

Из книги Потреблятство [Болезнь, угрожающая миру] автора Ванн Дэвид

Необходимость в других планетах На наш взгляд, корни эпидемии синдрома потреблятства - в настойчивом, почти религиозном стремлении к экономическому росту, которое стало главным принципом того, что принято называть «американской мечтой». Ее корни - в том факте, что

Из книги Завтра будет война автора Буровский Андрей Михайлович

Необходимые инструменты Китайцы придумали компас, это чистая правда. Но европейцы первыми придумали, как использовать его в открытом море… И не только компас, но астролябию, подзорную трубу и многое, многое другое. С помощью астролябии и подзорной трубы они могли

Из книги Духовная жизнь Америки автора Гамсун Кнут

Условия духовной жизни

Из книги Путь России в начале третьего тысячелетия (моё мировоззрение) автора Приз Николай Васильевич

1. Взгляд на историю развития человечества через призму преодоления противоречий исторического развития История развития человечества - это история войн между государствами и борьба класса малоимущих за улучшение своего положения.1. Если рассмотреть первый аспект

Из книги Порядок в культуре автора Кокшенева Капитолина

Из книги Дело «Норильский никель» автора Коростелёв Александр

3.1. Природно-климатические условия, история создания и развития Норильского промышленного района По объёму производства товарной продукции, а также по многоотраслевому характеру хозяйственной деятельности из шести предприятий, входивших в состав Российского

Из книги По обе стороны экватора автора Фесуненко Игорь Сергеевич

Необходимые пояснения Это книга воспоминаний. Рассказ о двадцати годах работы в разных городах и странах по обе стороны экватора.Начинается она с того момента, когда автор отправился в свою первую и, пожалуй, самую трудную командировку - в Бразилию. Почему самую трудную?

Из книги Красный дракон. Китай и Россия в XXI веке автора Девятов Андрей Петрович

Необходимые пояснения Так получилось, что вся практика моей работы и жизни: 23 года службы в советской военной разведке и 7 лет самостоятельного предпринимательства - до сих пор была связана с Китаем. В 1976 году молодым разведчиком я начал изучать эту страну, разъезжая по

Из книги Национально-освободительное движение России. Русский код развития автора Фёдоров Евгений Алексеевич

Борьба технологий развития. Коды развития

Из книги Кибервойны ХХI века [О чем умолчал Эдвард Сноуден] автора Ларина Елена Сергеевна

8.7. Третья производственная революция. Необходимые и достаточные условия Необходимым условием решительного, а главное, результативного развертывания Третьей производственной революции в России является скорейшее освоение и практическое использование ее


Часто приходится сталкиваться с утверждением, будто Пастер опроверг теорию самопроизвольного зарождения. Между тем сам Пастер заметил однажды, что его двадцатилетние безуспешные попытки выявить хотя бы один случай самопроизвольного зарождения отнюдь не убедили его в том, что самопроизвольное зарождение невозможно. В сущности Пастер лишь доказал, что жизнь в его колбах за то время, пока длился опыт, и в тех условиях, которые были для этого выбраны (стерильная питательная среда, чистый воздух), действительно не зарождалась. Однако он вовсе не доказал, что жизнь не могла возникнуть из неживой материи никогда, ни при каком сочетании условий.
Действительно, в наше время ученые полагают, что жизнь возникла из неживой материи, но только в условиях, резко отличающихся от нынешних, и на протяжении периода, длившегося сотни миллионов лет. Многие считают появление жизни обязательным этапом эволюции материи и допускают, что это событие происходило неоднократно и в разных частях Вселенной.
При каких условиях может возникнуть жизнь? Есть, видимо, четыре главных условия, а именно: наличие определенных химических веществ, наличие источника энергии, отсутствие газообразного кислорода (02) и безгранично долгое время. Из необходимых химических веществ вода имеется на Земле в изобилии, а прочие неорганические соединения присутствуют в горных породах, в газообразных продуктах извержений вулканов и в атмосфере. Но, прежде чем говорить о том, как из этих простых соединений могли бы за счет различных источников энергии образоваться органические молекулы (в отсутствие живых организмов, которые производят их теперь), обсудим третье и четвертое условия.
Время. В гл. 9 мы видели, что если при наличии фермента то или иное превращение данного количества вещества завершается за одну-две секунды, то в отсутствие фермента для того же превращения могли бы потребоваться миллионы лет. Разумеется, и до появления ферментов химические реакции ускорялись в присутствии источников энергии или различных других катализаторов, но все же они протекали крайне медленно. После того как простые органические молекулы появились, они должны были еще объединяться во. все более крупные и сложные структуры, а вероятность того, что это произойдет, да еще и при надлежащих условиях, кажется поистине ничтожной.
Однако при наличии достаточного времени даже и самые маловероятные события должны рано или поздно произойти. Если, например, вероятность того, что какое-нибудь событие произойдет в течение одного года, составляет 0,001, то вероятность того, что оно не произойдет в течение одного года равна 0,999, в течение двух лет-(0,999)2, а в течение трех-(0,999)3. Из табл. 13.1 видно, сколь мала вероятность того, что это событие не произойдет хотя бы однажды за 8128 лет. И наоборот, чрезвычайно велика вероятность (0,9997) того, что оно произойдет за этот срок хотя бы однажды, а это могло бы уже оказаться достаточным для возникновения жизни на Земле. Вероятность событий, от которых зависело возникновение жизни, была, очевидно, гораздо ниже, чем 0,001, но зато и времени для этого было неизмеримо больше. Земля, как полагают, образовалась приблизительно 4,6 млрд, лет назад, а первые известные нам остатки прокариотических клеток обнаружены в горных породах, сформировавшихся на 1,1 млрд, лет позднее. Таким образом, сколь ни маловероятным представляется появление живых систем, времени для этого было настолько много, что оно, по-видимому, было неизбежным!
Отсутствие газообразного кислорода. Жизнь, несомненно, могла возникнуть лишь в то время, когда в земной атмосфере не было или почти не было 02. Кислород взаимодействует с органическими веществами и разрушает их или лишает их тех свойств, которые делали бы их полезными для предбиологических систем. Это происходит медленно, но все же гораздо быстрее, чем протекали реакции, в результате которых должно было происходить образование органических веществ на первобытной Земле до появления жизни. Поэтому если бы органические молекулы на первобытной Земле соприкасались с 02, то они существовали бы недолго и не успевали бы образовать более сложные структуры. В этом одна из причин того, что самопроизвольное зарождение жизни из органического вещества в наше время невозможно. (Вторая причина в том, что в наши дни свободные органические вещества поглощаются бактериями и грибами еще до того, как их успевает разрушить кислород.)
Геология учит нас, что древнейшие породы образовались на Земле в то время, когда ее атмосфера еще не содержала 02. Атмосферы самых больших планет нашей Солнечной системы, Юпитера и Сатурна, состоят главным образом из газообразного водорода (Н2), воды (Н20) и аммиака (NH3). Первичная земная атмосфера могла иметь такой же состав, но водород, будучи очень легким, вырывался, вероятно, из сферы притяжения Земли и рассеивался
Таблица 13.1. Вероятность того, что данное событие не произойдет
Если вероятность того, что данное событие не произойдет в течение одного года, равна 0,999

в космическом пространстве. Солнечное излучение, гораздо более интенсивное на Земле, чем на внешних планетах, должно было вызывать разложение аммиака на Н2 (тоже ускользавший в космическое пространство) и газообразный азот (N2). В то время когда на Земле зарождалась жизнь, земная атмосфера состояла, вероятно, главным образом из водяных паров, двуокиси углерода и азота с небольшой примесью других газов при почти полном отсутствии Практически весь кислород, содержащийся в атмосфере в настоящее время,-это продукт фотосинтеза, происходящего в живых растениях.

Для того чтобы правильно представить процесс возникновения жизни, необходимо кратко рассмотреть современные взгляды на образование Солнечной системы и положение Земли среди ее планет. Эти представления очень важны, так как, несмотря на общность происхождения планет, окружающих Солнце, только на Земле появилась жизнь и достигла исключительного разнообразия.

| 3. ПРЕДПОСЫЛКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ жизни

В астрономии считается принятым, что Земля и другие планеты Солнечной системы образовались из газово-пылевого облака около 4,5 млрд, лет тому назад. Такая газово-пылевая материя встречается в межзвездном пространстве и в настоящее время. Водород - преобладающий элемент Вселенной. Путем реакции ядерного синтеза из него возникает гелий, из которого, в свою очередь, образуется углерод. На рис. 1 представлен ряд таких превращений. Ядерные процессы внутри облака продол­жались длительное время (сотни миллионов лет). Ядра гелия объединялись с ядрами углерода и формировали ядра кислорода, затем неона, магния, кремния, серы и т.д. Возникновение и развитие Солнечной системы схематически показано на рис. 2.


гравитационного сжатия, обусловленного вращением облака вокруг своей оси, возникают различные химические элементы, составля­ющие основную массу звезд, планет и их атмосферы. Образование химических элементов при возникновении звездных систем, в том числе и таких, как наша Солнечная система,- закономерное явление в эволюции материи. Однако для ее дальнейшего развития на пути к возникновению жизни необходимы были некоторые космические и планетарные условия. Одно из таких условий - размеры планеты. Масса ее не должна была быть слишком большой, так как энергия атомного распада природных радиоактивных веществ может привести к перегреванию планеты или, что еще более важно, к радиоактивному загрязнению среды, несовместимому с жизнью. Маленькие планеты не способны удерживать около себя атмосферу, потому что Сила притяжения 18 их невелика. Это обстоятельство исключает возможность развития жизни. Примером таких планет может служить спутница Земли - Луна. Второе, не менее важное условие - движение планеты вокруг звезды по круговой или близкой к круговой орбите, позволяющее постоянно и равномерно получать необходимое количество энергии. Наконец, третье необходимое условие для развития материи и возникновения живых организмов - постоян­ная интенсивность излучения светила. Последнее условие также очень важно, потому что в противном случае поток лучистой энергии, поступающий на планету, не будет равномерным.

Неравномерность потока энергии, приводя к резким колебаниям температуры, неизбежно препятствовала бы возникновению и развитию жизни, так как существование живых организмов возможно в пределах весьма жестких температурных рамок. Стоит вспомнить, что живые существа на 80-90 % состоят из воды, причем не газообразной (пар) и не твердой (лед), а жидкой. Следовательно, температурные границы жизни определяются еще и жидким состоянием воды.

Всем этим условиям удовлетворяла наша планета - Земля. Итак, около 4,5 млрд, лет назад на Земле создались космические, планетарные и химические условия для развития материи в направлении возникновения жизни.

Вопросы для повторения и задания

Изложите современные представления о возникновении и развитии Солнечной Системы.

Каковы космические и планетарные предпосылки возникновения жизни на нашей планете?

В 4. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ВОЗНИКНОВЕНИИ жизни

На первых этапах своего формирования Земля имела очень высокую температуру. По мере остывания планеты тяжелые элементы перемещались к ее центру, а более легкие соединения (Ш, СОг. СН4 и др.) оставались на поверхности. Металлы и другие способные к окислению элеаенты соединялись с кислоро­дом, и в атмосфере Земли свободного кислорода не было. Атмосфера состояла из свободного водорода и его соединений (Н2О, СН4, ("Шз. НСЫ) и поэтому носила восстановительный характер. По мнению акад. А.И. Опарина, это служило важной предпосылкой возникновения органических молекул небиологическим путем. Несмотря на то что еще в первой трети XIX в. немецкий ученый Ф. Вёлер доказал возможность синтеза органических соединений в лабораторных условиях, многие ученые считали, что эти соединения могут возникать только в живом

организме. В связи с этим их назвали органическими соединениями в противопо­ложность веществам неодушевленной природы, названным неорганическими со­единениями. Однако простейшие углерод- ’ содержащие соединения - углеводороды,-

с=4 как оказалось, могут образовываться даже

в космическом пространстве. Астрономы обнаружили метан в составе атмосферы, Юпитера, Сатурна и во многих туманно-

стях Вселенной. Углеводороды могли 1 л входить и в состав атмосферы Земли.

Вместе с другими компонентами газовой оболочки нашей планеты - водородом, «д* - парами воды, аммиаком, синильной кисло-

Л}-р-той и другими веществами - они подвер­гались воздействию различных источников энергии: жесткому, близкому к рентгенов­скому, ультрафиолетовому излучению Солнца, высокой температуре в области грозовых разрядов и в районах активной вулканической деятельности и т.д. В результате этого простейшие компоненты атмосферы вступали во взаимодействие, многократно изменяясь и усложняясь. Возникали молекулы сахаров, аминокислот, азотистые основания, органические кислоты и другие органические соединения.

В 1953 г. американский ученый С- Миллер эксперименталь­но доказал возможность таких превращений. Пропуская электрический разряд через смесь Нг, НгО, СН4 и ГШз, он получил набор из нескольких аминокислот и органических кислот {рис. 3).

В дальнейшем подобные эксперименты проводились во многих странах, при этом использовались различные источники энергии, все более точно воссоздавались условия первобытной Земли. Было установлено, что абиогенным путем в отсутствие кислорода могут быть синтезированы очень многие простые органические со­единения, входящие в состав биологических полимеров - белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов.

Возможность абиогенного синтеза органических соединений доказывается и тем, что они обнаружены в космическом пространстве. Речь идет о цианистом водороде (НСИ), формаль­дегиде, муравьиной кислоте, этиловом спирте и других веществах. В некоторых метеоритах обнаружены жирные кислоты, сахара, аминокислоты. Все это свидетельствует о том, что достаточно 20

сложные органические соединения могли возникать чисто химическим путем в условиях, существовавших на Земле примерно 4-4,5 млрд, лет назад.

Теперь вновь возвратимся к рассмотрению процессов, проте­кавших на Земле в те времена, когда колбой Миллера был весь Земной шар. Земля находилась во власти могучих стихий. Извергались вулканы, вздымая в небо огненные столбы. С гор и вулканов текли потоки раскаленной лавы, огромные клубы пара окутывали Землю, сверкали молнии, гремели раскаты грома. По мере остывания планеты водяные пары, находившиеся в атмос­фере, также остывали, конденсировались и обрушивались ливнями. Образовывались огромные водные пространства. Поскольку Земля была еще достаточно горячей, вода испарялась, а затем, охлаждаясь в верхних слоях атмосферы, вновь выпадала на поверхность планеты в виде дождей. Это продолжалось в течение многих миллионов лет. В водах первичного океана были растворены компоненты атмосферы, различные соли. Кроме того, туда постоянно попадали и непрерывно образующиеся в атмосфере простейшие органические соединения - те самые компоненты, из которых возникали более сложные молекулы. В водной среде они конденсировались, в результате чего появились первичные полиме­ры - полипептиды и полинуклеотиды. Надо заметить, что для образования более сложных органических веществ требуются значительно менее жесткие условия, чем для возникновения простых молекул. Например, синтез аминокислот из смеси газов, входивших в состав атмосферы древней Земли, происходит при

* - 1000 °С, а конденсация их в полипептид - всего лишь при

Следовательно, образование разнообразных органических со­единений из неорганических веществ в тех условиях было закономерным процессом химической эволюции.

Таким образом, условиями для абиогенного возникновения органических соединений были восстановительный характер ат­мосферы Земли (соединения, обладающие восстановительными свойствами, легко вступают во взаимодействия между собой и с веществами-окислителями), высокая температура, грозовые разря­ды и мощное ультрафиолетовое излучение Солнца, которое в то время еще не задерживалось озоновым экраном.

Итак, первичный океан, по-видимому, содержал в растворен­ном виде различные органические и неорганические молекулы, попадающие в него из атмосферы и вымываемые из поверхностных слоев Земли. Концентрация органических соединений постоянно увеличивалась, и в конце концов вода океана стала «бульоном» из белковоподобных веществ - пептидов, а также нуклеиновых кислот и других органических соединений.

Молекулы различных веществ могут объединяться, образуя многомолекулярные комплексы - коацерваты (рис. 4, 5). В первичном океане коацерваты, или коацерватные капли, обладали способностью поглощать различные вещества, растворенные в водах первичного океана. В результате этого внутреннее строение коацервата претерпевало изменения, что вело или к его распаду, или к накоплению веществ, т.е. к росту и к изменению химического состава, повышающих устойчивость коацерватной капли в постоянно меняющихся условиях. Судьба капли опреде­лялась преобладанием одного из процессов Акад. А.И. Опарин отмечал, что в массе коацерватных капель должен был идти отбор наиболее устойчивых в данных конкретных условиях. Достигнув определенных размеров, материнская коацерватная капля могла распадаться на дочерние. Дочерние коацерваты, структура которых мало отличалась от материнской, продолжали свой рост, а резко отличавшиеся капли распадались. Естественно, что продолжали существовать только те коацерватные капли, которые, вступая в какие-то элементарные формы обмена со средой, сохраняли относительное постоянство своего состава. В дальнейшем они приобрели способность поглощать из окружающей среды лишь те вещества, которые обеспечивали их устойчивость, а также выделять наружу продукты обмена. Параллельно увеличивались различия между химическим составом капли и окружающей среды. В процессе длительного отбора (его называют химической эволюцией) сохранились лишь те капли, которые при распаде на дочерние не утрачивали особенностей своей структуры, т.е. приобрели способность к самовоспроизведению.

По-видимому, это важнейшее свойство возникло вместе со способностью к синтезу органических веществ внутри коацерват­ных капель, важнейшими составными частями которых уже в то время были полипептиды и полинуклеотиды. Способность к самовоспроизведению неразрывно связана с присущими им свой- 22
ствами. В ходе эволюции появились полипептиды, обладающие каталитической активностью, т.е. способностью значительно ус­корять течение химических реакций.

Полинуклеотиды в силу своих химических особенностей способны связываться друг с другом по принципу дополнения, или комплементарности, и, следовательно, осуществлять нефер­ментативный синтез дочерних нуклеотидных цепей.

Следующий важный шаг небиологической эволюции - объединение способности полинуклеотидов к самовоспроизведению с возможностью полипептидов ускорять течение химических реакций, так как удвоение молекул ДНК эффективнее осущест­вляется с помощью белков, обладающих каталитической активно­стью. В то же время стабильность «удачных» комбинаций аминокислот в полипептидах может обеспечиваться только сох­ранением информации о них в нуклеиновых кислотах. Связь белковых молекул и нуклеиновых кислот в конце концов привела к возникновению генетического кода, т.е. такой организации молекул ДНК, в которой последовательность нуклеотидов стала служить информацией для построения конкретной последователь­ности аминокислот в белках.

Дальнейшее усложнение обмена веществ у предбиологических структур могло происходить только в условиях пространственного разделения различных синтетических и энергетических процессов внутри коацервата, а также более прочной изоляции внутренней среды от внешних воздействий по сравнению с той, которую могла обеспечить водная оболочка. Такую изоляцию могла осуществить лишь мембрана. Вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои жиров, или липидов, отделившие коацерват от окружающей водной среды и преобразовавшиеся в ходе дальнейшей эволюции в наружную мембрану. Появление биологической мембраны, отделяющей содержимое коацервата от окружающей среды и обладающей способностью к избирательной проницаемости, предопределило напрааление дальнейшей химиче­ской эволюции по пути развития все более совершенных саморегулирующихся систем, вплоть до возникновения первых примитивно (т.е. очень просто) устроенных клеток.

Образование первых клеточных организмов положило начало биологической эволюции.

Эволюция структур, предшествовавших биологическим, таких, как коацерваты, началась очень рано и протекала в течение длительного времени.

Более сорока лет назад академик Б.С. Соколов, говоря о времени существования жизни на Земле, назвал цифру 4 млрд. 250 млн. лет. Именно здесь, по современным научным данным,


прослеживается граница между «нежиэнью* и «жизнью*. Эта цифра очень важна. Оказалось, что самое главное событие в истории жизни - возникновение ее молекулярно-генетических основ - произошло, по геологическим масштабам, прямо-таки мгновенно: всего через 250 млн. лет после рождения самой планеты и, по-видимому, одновременно с образованием океанов. Дальнейшие исследования показали, что первые клеточные организмы появились на нашей планете значительно позже - понадобилось около миллиарда лет, чтобы из структур, подобных коацерватам, возникли первые простейшие клеточные организмы. Их удалось обнаружить в породах, имеющих возраст около 3-3,5 млрд, лет

Первые обитатели нашей планеты оказались совсем крохот­ными «пылинками*: их длина всего 0,7, а ширина 0,2 мкм (рис. 6). Разработка идеи химической предбиологической эволюции, приведшей к возникновению клеточных форм жизни, раскрыла роль разнообразных факторов среды в этом процессе. В частности, Дж. Бернал обосновал участие глинистых отложений на дне водоемов в концентрировании органических веществ абиогенного происхождения. Считают также, что на ранних этапах формирования планеты Земля проходила в межзвездном прост­ранстве через пылевые облака и могла захватить вместе с космической пылью большое количество образованных в космосе органических молекул. По приблизительным оценкам, количество это соизмеримо с биомассой современной Земли.

Вопросы для постороння н задания

Какие химические элементы и их соединения были в первичной атмосфере Земли.’ Укажите условия, н обходимые для абиогенного образования органических со­единений.

Какими опытами можно доказать возможность абиогенного синтеза органических соединений?

Какие соединения были растворены в водах первичного океана?

Что такое коацерваты?

В чем сущность химической эволюции на ранних этапах существования Земли? Изложите теорию возникновения жизни Опарина.

Какое событие положило начало биологической эволюции?

Когда на Земле появились первые клеточные организмы?

| 5. НАЧАЛЬНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЖИЗНИ

Отбор коацерватов и пограничный этап химической и биологической эволюции продолжался около 750 млн. лет. В конце этого периода появились прокариоты - первые простейшие организмы, у которых ядерный материал не окружен мембраной, а находится прямо в цитоплазме. Первые живые организмы были гетеротрофами, т.е. использовали в качестве источника энергии (пищи) готовые органические соединения, находящиеся в раство­ренном виде в водах первичного океана. Поскольку в атмосфере Земли свободного кислорода не было, они имели анаэробный (бескислородный) тип обмена, эффективность которого невелика. Появление все большего количества гетеротрофов приводило к истощению вод первичного океана, в нем все меньше оставалось готовых органических веществ, которые можно было использовать в пищу.

По этой причине в преимущественном положении оказались организмы, приобретшие способность использовать для синтеза органических веществ из неорганических энергию света. Таким образом возник фотосинтез. Это привело к появлению принципиально нового источника питания. Так, существующие ныне анаэробные серные пурпурные бактерии на свету окисляют сероводород до сульфатов. Высвобождающийся в результате реакции окисления водород используется для восстановления диоксида углерода до углеводов С п (НгО)т с образованием воды. Источником, или донором, водорода могут быть и органические соединения. Так появились автотрофные организмы. Кислород в процессе фотосинтеза такого типа не выделяется. Фотосинтез развился у анаэробных бактерий на очень раннем этапе истории жизни. Фотосинтезирующие бактерии долгое время существовали в бескислородной среде. Следующим шагом эволюции было приобретение фотосинтезирующими организмами способности использовать воду в качестве источника водорода. Автотрофное


усвоение СОг такими организмами сопровождалось выделением 02- С тех пор в атмосфере Земли постепенно накапливался кислород. По геологическим данным, уже 2,7 млрд, лет назад в атмосфере Земли в небольшом количестве имелся свободный кислород. Первыми фотосинтезирующими организмами, выделя­ющими в атмосферу 02» были цианобактерии (цианеи). Переход от первичной восстановительной атмосферы к среде, содержащей кислород, представляет собой важнейшее событие как в эволюции живых существ, так и в преобразовании минералов. Во-первых, кислород, выделяющийся в атмосферу, в верхних ее СЛОЯХ под действием мощного ультрафиолетового излучения Солнца превра­щается в активный озон (Оз), который способен поглощать большую часть жестких - коротковолновых ультрафиолетовых лучей, разрушительно действующих на сложные органические соединения. Во-вторых, в присутствии свободного кислорода возникает возможность появления энергетически более выгодного кислородного типа обмена веществ, т.е. аэробных бактерий. Таким образом, два фактора обусловленных образованием на Земле

свободного кислорода, вызвали к жизни многочисленные новые формы живых организмов и более широкое использование ими окружающей среды.

Затем в результате взаимополезного сосуществования (симбиоза) различных прокариот возникли эукариоты, группа организмов (рис. 7), у которых имелось настоящее ядро, окруженное ядерной оболочкой.

Сущность гипотезы симбиоза заключается в следующем. Основой для симбиогенеза была, по-видимому, довольно крупная амебоподобная клетка-хищник. Пищей ей служили более мелкие клетки. Видимо, одним из объектов питания такой клетки могли стать дышащие кислородом аэробные бактерии. Такие бактерии были способны функционировать и внутри клетки-хозяина, производя энергию. Те крупные амебоподобные хищники, в теле которых аэробные бактерии оставались невредимыми, оказались в более выгодном положении, чем клетки, продолжавшие получать энергию анаэробным путем - брожением. В дальнейшем бактерии- симбионты превратились в митохондрии. Когда к поверхности клетки-хозяина прикрепилась вторая группа симбионтов - жгутикоподобных бактерий, сходных с современными спирохетами, - подвижность и способность к успешным поискам пищи у такого агрегата резко возросли. Так возникли примитивные животные клетки - предшественники ныне живущих жгутиковых про­стейших.

Образовавшиеся подвижные эукариоты путем симбиоза с фотосинтезирующими прокариотами (возможно, цианобактериями) дали водоросль, или растение. Очень важно то обстоятельство, что строение пигментного комплекса у фотосинтезирующих анаэробных бактерий поразительно сходно с пигментами зеленых растений. Такое сходство не случайно и указывает на возможность эволюционного преобразования фотосинтезирующего аппарата анаэробных бактерий в аналогичный аппарат зеленых растений.

Эукариоты, обладающие ограниченным оболочкой ядром, имеют диплоидный, или двойной, набор всех наследственных задатков - генов, т.е. каждый из них представлен в двух вариантах. Появление двойного набора генов сделало возможным обмен копиями генов между разными организмами, принадле­жащими к одному виду,- возник половой процесс. На рубеже архейской и протерозойской эр (см. табл. 6) половой процесс привел к значительному увеличению разнообразия живых организмов благодаря созданию новых многочисленных комбинаций генов. Одноклеточные организмы быстро разм­ножились на планете. Однако их возможности в освоении среды обитания ограничены. Они не могут и расти беспредельно. Объясняется это тем, что дыхание одноклеточных организмов

осуществляется через поверхность тела. При увеличении размеров одноклеточного организма его поверхность возрастает в квад­ратичной зависимости, а объем - в кубической, в связи с чем биологическая мембрана, окружа­ющая клетку, не способна обес­печить кислородом СЛИШКОМ большой организм. Иной эво­люционный путь осуществился позже, около 2,6 млрд, лет тому назад, когда появились многокле­точные организмы, эволюционные возможности которых значитель­но шире.

Основу современных представ­лений о возникновении многокле­точных организмов составляет гипотеза И.И. Мечникова - гипотеза фагоцителлы. По предположению ученого, многокле­точные произошли от колонивльных простейших - жгутиковых.

Пример такой организации - ныне существующие колониаль­ные жгутиковые типа вольвокса (рис. 8).

Среди клеток колонии выделяются: движущие, снабженные жгутиками; питающие, фагоцитирующие добычу и уносящие ее внутрь колонии; половые, функцией которых является размно­жение. Первичным способом питания таких примитивных колоний был фагоцитоз. Клетки, захватившие добычу, перемещались внутрь колонии. Затем из них образовывалась ткань - энтодерма, выполняющая пищеварительную функцию. Клетки, оставшиеся снаружи, выполняли функцию восприятия внешних раздражений, защиты и функцию движения. Из подобных клеток развивалась покровная ткань - эктодерма. Специализирующиеся на выпол­нении функции размножения клетки стали половыми. Так колония превратилась в примитивный, но целостный многоклеточный организм. Дальнейшая эволюция многоклеточных организмов животных и растений привела к увеличению многообразия форм живого. Основные этапы химической и биологической эволюции представлены на рис. 9.

Таким образом, возникновение жизни на Земле носит закономерный характер, а ее появление связано с длительным процессом химической эволюции, происходившей на нашей планете. Формирование мембраны - структуры, отграничивающей организм ш окружающей среды, с присущими ей свойствами способствовало появлению живых организмов и ознаменовало


начало биологической эволюции. Как простейшие живые организмы, возникшие около 3 млрд, лет назад, так и более сложно устроенные в основе своей структурной организации имеют клетку. Следовательно, клетка является единицей строения всех живых организмов вне зависимости от уровня их организации.

Таковы основные черты возникновения и начальные этапы развития жизни на Земле.

Вопросы для повторения н задания

Какой способ питания был у первых живых организм тн?

Что такое фотосинтез?

Какие организмы впервые стали выделять в атмосферу свободный кислород?

Какую роль в развитии жизни на Земле сыграло появление фотосинтеза?

На каком этапе развития живых организмов возни» половой процесс?

Какое значение для эволюции жизни имело появление полового процесса?

Каким путем возникли многоклеточные организмы?

Вопрос 1. Какие условия необходимы для возникновения живых организмов, по мнению древнегреческих философов?
Древнегреческие философы считали, что живые организмы возникают из неживых путем самозарождения. По мнению Аристотеля, должно существовать некое «активное начало», которое способно, используя неживую материю, создать живой организм. Он считал, что такое активное начало присутствует в оплодотворенном яйце, солнечном свете и гниющем мясе.

Вопрос 2. В чем заключается смысл опытов Ф. Реди?
В начале XVII в. было распространено убеждение, что личинки мух самопроизвольно зарождаются из гнилого мяса. Франческо Реди (1626-1698) в своих опытах решил опровергнуть это заблуждение. Он помещал мясо в сосуды и часть из них закрывал марлей. В сосудах, закрытых марлей, куда не могли попасть мухи, личинки не появлялись, а в открытых через несколько дней обнаруживалось множество личинок. Опыты Ф. Реди нанесли серьезный удар по теории самозарождения и подтвердили концепцию биогенеза, согласно которой жизнь может возникнуть только из уже существующей жизни.

Вопрос 3. Опишите опыты Л. Пастера, доказывающие невозможность самозарождения жизни в обычных условиях.
Сторонники теории абиогенеза («виталисты», лат. вита - жизнь) считали, что существует «жизненная сила», с помощью которой неживое может стать живым. Опровержением этой точки зрения послужили опыты Луи Пастера, доказавшие невозможность самопроизвольного зарождения жизни; в 1862 г. Пастер за эти опыты получил премию Французской Академии наук.
Луи Пастер в своих опытах пользовался колбами собственного изобретения с длинным тонким горлышком в форме буквы S. Он наливал в колбу питательный бульон и кипятил его на огне, оставляя горлышко открытым. Это было важно, поскольку считалось, что причиной отсутствия самозарождения жизни в закрытых сосудах является невозможность проникновения в них «жизненной силы», необходимой для самозарождения. Пастер в своих опытах не препятствовал возможному проникновению «жизненной силы» в колбу, однако не давал попасть туда микроорганизмам (они оседали на изгибах трубки). В итоге бульон мог храниться долгое время, оставаясь стерильным. Если же горлышко отламывали, то бульон очень быстро мутнел из-за появления в нем бактерий.

Вопрос 4. Что вам известно о гипотезе вечности жизни?
Гипотеза вечности жизни, или гипотеза стационарного состояния, утверждает, что жизнь на Земле никто не создавал, поскольку она существует вечно. Виды тоже никогда не возникали, они были и есть, а эволюции не существует. Может происходить лишь изменение численности видов или их вымирание. Гипотеза вечности жизни была выдвинута немецким ученым В. Прейером в 1880 г. Он предполагал, что даже раскаленные области внутри земного шара могут являться скоплением живых организмов со своим обменом веществ.

Вопрос 5. Какие вы знаете материалистические теории возникновения жизни?
Существует несколько основных концепций возникновения жизни:
жизнь была создана Творцом в определенное время (креационизм);
жизнь возникла самопроизвольно из неживого вещества (этой точки зрения придерживался, в частности, Аристотель);
жизнь существовала всегда - концепция стационарного состояния (выдвинута немецким ученым В. Прейером в 1880 г.);
концепция панспермии - внеземного происхождения жизни (была выдвинута шведским физиком и химиком, создателем теории электролитической диссоциации и гипотезы о парниковом эффекте Сванте Аррениусом (1859-1927).);
концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.
Полностью идеалистической является только первая из этих концепций, полностью материалистической - только последняя. Правильность ее основных положений была подтверждена в дальнейшем многими учеными.

Вопрос 6. Что вы думаете о гипотезе занесения жизни на Землю из космоса?
Гипотеза панспермии, или занесения жизни извне, была выдвинута шведским физиком и химиком, создателем теории электролитической диссоциации и гипотезы о парниковом эффекте Сванте Аррениусом (1859-1927). Он утверждал, что жизнь попала на нашу планету из космоса вместе с метеоритами или космической пылью, перемещающимися под давлением лучей света. Примером, свидетельствующим в пользу этой гипотезы, является способность некоторых организмов переносить крайне неблагоприятные условия. Споры и семена растений способны длительное время находиться в жидком кислороде и азоте и при этом не терять всхожести. Сперматозоиды, находившиеся десятки лет в замороженном состоянии, сохраняют способность к оплодотворению. Споры бактерий выдерживают колебания температур от -273 до +140 o С. Данная гипотеза не лишена права на существование, однако она не решает проблему собственно возникновения жизни.