Размещено на http://allbest.ru

1.Общие фундаментальные принципы и законы

биосфера экологический жизнь эволюция

Для понятия законов экологии, взаимодействие и сосуществования человека с природой, необходимо понять, что такое жизнь, как она возникла, какова ее цель, есть ли общие принципы и законы Космоса. Сегодня известно, что все физические поля имеют единую электродинамическую природу. С естественнонаучных, позиций учения В.И. Вернадского можно говорить о единстве живой и неживой природы, о едином поле, связывающем в общее целое мелкие объекты (микромир), очень крупные и наиболее сложные. В микромире в роли фундаментальных частиц Мироздания выступают: нейтрон, электрон, протон и биологическая клетка. В качестве крупного объекта рассмотрим Вселенную. Для нас это планеты Солнечной системы, звезды, рассеянные скопления, межгалактическое пространство, галактики. Процессы в микромире измеряются секундами, процессы во десятками и сотнями миллиардов лет. Но физические процессы в этих системах одинаковы. Существуют три основополагающих принципа Вселенной:

· Первый космологический принцип гласит, что Вселенная пространственно однородна и изотропна.

· Второй космологический принцип утверждает, что характеризующие Вселенную константы не зависят от времени. (Джордано Бруно)

· Третий принцип утверждает, что законы природы не меняются с ходом времени. (принцип актуализма Лайеля)

Другой фундаментальный принцип Мироздания - Закон сохранения энергии формулируется также как первый закон термодинамики. Необходимо совершенно чётко представлять, что закон сохранения энергии имеет всеобщей характер и распространяется на все процессы на Земле, включая общественные и иные отношения человечества. И другой закон, как следствие первого - Второй закон термодинамики. Он определяет, что при любом энергетическом процессе, текущем самопроизвольно, происходит переход энергии из концентрированной формы в рассеянную. То есть всегда есть потери энергии, а стопроцентный переход из одного вида энергии в другой невозможен. Характерно действие этого закона при переходе из одной формы в другую в живых системах: солнечная энергия химическая при фотосинтезе и далее в пище консументов превращение в движение мышц, работу мозга и другие проявления жизни. В открытых системах энтропия, то есть мера неупорядоченности системы, в определённом смысле - свойство энергии переходить не в полезную работу, а в тепло и рассеиваться в пространстве, может, как увеличиваться, так и снижаться, до определённой минимальной величины, но всегда большей нуля.

Важно ещё иметь в виду, что всякое взаимодействие имеет материальный носитель физических взаимодействий.

Аналогию между взаимодействием в физическом мире и живой природе можно проследить на примере знаменитых экологических законов Б. Коммонера:

· ничто не дается даром (принцип сохранения);

· все должно куда-то деваться (принцип сохранения);

· все связано со всем (отсутствие изолированных систем);

· природа знает лучше (первенство природы).

Биологии позволяет нам увидеть способность живых систем реагировать на изменения внешних и внутренних условий и динамически возобновлять структуру, электрохимический состав, свойства. В масштабах пространства и времени существует равновесие между процессами прироста и убыли жизненных сил.

Немецкий биолог Вирхов обосновал фундаментальное положение биологии. Он доказал, что новая клетка образуется в результате деления на двое исходной материнской. Жизнь в самом простом виде можно рассматривать как процесс воспроизводства частиц-клеток. В биологии применима пространственная классификация. Это деление живых существ на одноклеточные и многоклеточные организмы. Для своей жизнедеятельности организмы используют вещество, энергию и информацию, как наследственную, так и получаемую в течение их жизни. Главным принципом в биологии является принцип Пастера-Реди - живое от живого. Ни одна попытка «самозарождения» биологической клетки не увенчалась успехом.

Как физические условия влияют на жизнь на Земле. Теории происхождение жизни.

Генетический код любого организма, любого биологического вида состоит из сходных органических соединений. Из чего можно сделать вывод, что жизнь на земле имеет общность происхождения. Несмотря на это сходство, жизнь на Земле удивительно разнообразна. Ученым известно сегодня около 2 млн биологических видов, из них 20% - растения, 80% - животные.

Жизнь нельзя ни понять, ни описать в рамках чисто физических представлений. Потому что живые организмы обладают генетической информацией, дошедшей из бесконечного прошлого и обращенной в бесконечное будущее, рассчитанной на вечную жизнь в вечной Вселенной. Кибернетические аналоги не обладают ни извечной целью, ни генетической информацией.

Одно из свойств генетического кода - универсальность. Из-за этого разнообразие жизни на Земле связано с разнообразием физических условий, в которых существует жизнь. На многие процессы в живой природе действуют физические условия, например вращение Земли вокруг своей оси, вокруг Солнца, циклы солнечной активности. Живые организмы способны изменяться. Материалом для изменчивости являются мутации. Они могут быть вызваны радиацией, химическими и температурными воздействиями на клетки, несущие генетическую информацию. Подавляющее большинство мутаций губительно действует на организм.

Вопрос происхождения жизни на Земле -- один из самых сложных вопросов современного естествознания, на который до настоящего времени нет однозначного ответа.

Существует несколько теорий происхождения жизни на Земле, наиболее известные из которых:

· теория самопроизвольного (спонтанного) зарождения;

· теория креационизма (или сотворения);

· теория стационарного состояния;

· теория панспермии;

· теория биохимической эволюции (теория А.И. Опарина).

Рассмотрим основные положения этих теорий.

Самозарождение жизни. Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Древнем Египте. Аристотель (384--322 гг. до н. э.) придерживался теории спонтанного зарождения жизни. Согласно этой гипотезе, определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Аристотель был прав, считая, что это активное начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно полагал, что оно присутствует также в солнечном свете, тине и гниющем мясе. С распространением христианства теория спонтанного зарождения жизни оказалась не в чести, но эта идея все продолжала существовать где-то на заднем плане в течение ещё многих веков. Известный ученый Ван Гельмонт описал эксперимент, в котором он за три недели якобы создал мышей. Для этого нужны были грязная рубашка, тёмный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом в процессе зарождения мыши Ван Гельмонт считал человеческий пот. В 1688 году итальянский биолог и врач Франческо Реди подошел к проблеме возникновения жизни более строго и подверг сомнению теорию спонтанного зарождения. Реди установил, что маленькие белые червячки, появляющиеся на гниющем мясе, -- это личинки мух. Проведя ряд экспериментов, он получил данные, подтверждающие мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни. Эти эксперименты, однако, не привели к отказу от идеи самозарождения, и хотя эта идея несколько отошла на задний план, она продолжала оставаться главной версией зарождения жизни. В 1860 году проблемой происхождения жизни занялся французский химик Луи Пастер. Своими опытами он доказал, что бактерии вездесущи и что неживые материалы легко могут быть заражены живыми существами, если их не стерилизовать должным образом. Учёный кипятил в воде различные среды, в которых могли бы образоваться микроорганизмы. При дополнительном кипячении микроорганизмы и их споры погибали. Пастер присоединил к S-образной трубке запаянную колбу со свободным концом. Споры микроорганизмов оседали на изогнутой трубке и не могли проникнуть в питательную среду. Хорошо прокипяченная питательная среда оставалась стерильной, в ней не обнаруживалось зарождения жизни, несмотря на то, что доступ воздуха был обеспечен. В результате ряда экспериментов Пастер доказал справедливость теории биогенеза, основной формулировкой которого является - «все живое -- от живого», и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения.

Рис. 2.1.1. Пастеровская колба

Теория креационизма

Она предполагает, что все живые организмы (либо только простейшие их формы) были в определенный период времени сотворены («сконструированы») неким сверхъестественным существом (божеством, абсолютной идеей, сверхразумом, сверхцивилизацией и т.п.). Очевидно, что именно этой точки зрения с глубокой древности придерживались последователи большинства ведущих религий мира, в частности христианской религии.

Теория креационизма и в настоящее время достаточно широко распространена, причем не только в религиозных, но и в научных кругах. Обычно ее используют для объяснения наиболее сложных, не имеющих на сегодняшний день решения вопросов биохимической и биологической эволюции, связанных с возникновением белков и нуклеиновых кислот, формированием механизма взаимодействия между ними, возникновением и формированием отдельных сложных органелл или органов (таких, как рибосома, глаз или мозг). Актами периодическою «сотворения» объясняется и отсутствие четких переходных звеньев от одного типа животных к другому, например от червей к членистоногим, от обезьяны к человеку и т.п..

Теории Панспермии

Согласно теории Панспермии, предложенной в 1865 году немецким ученым Г. Рихтером и окончательно сформулированной шведским ученым Аррениусом в 1895 году, жизнь могла быть занесена на Землю из космоса. Наиболее вероятно попадание живых организмов внеземного происхождения с метеоритами и космической пылью. Это предположение основывается на данных о высокой устойчивости некоторых организмов и их спор к радиации, глубокому вакууму, низким температурам и другим воздействиям. Однако до сих пор нет достоверных фактов, подтверждающих внеземное происхождение микроорганизмов, найденных в метеоритах. Но если бы даже они попали на Землю и дали начало жизни на нашей планете, вопрос об изначальном возникновении жизни оставался бы без ответа.

Теория биохимической эволюции (теория А.И. Опарина) В 1924 году будущий академик Опарин опубликовал статью «Происхождение жизни». Он предположил, что в растворах высокомолекулярных соединений могут самопроизвольно образовываться зоны повышенной концентрации, которые относительно отделены от внешней среды и могут поддерживать обмен с ней. Он назвал их Коацерватные капли, или просто коацерваты. Согласно его теории процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделён на три этапа:

· Возникновение органических веществ

· Возникновение белков

· Возникновение белковых тел

Условия для начала процесса формирования белковых структур установились с момента появления первичного океана. В водной среде производные углеводородов могли подвергаться сложным химическим изменениям и превращениям. В результате такого усложнения молекул могли образоваться более сложные органические вещества, а именно углеводы. Согласно теории Опарина, дальнейшим шагом по пути к возникновению белковых тел могло явиться образование коацерватных капель. При определённых условиях водная оболочка органических молекул приобретала чёткие границы и отделяла молекулу от окружающего раствора. Молекулы, окружённые водной оболочкой, объединялись, образуя многомолекулярные комплексы -- коацерваты. Капли были способны поглощать извне вещества по типу открытых систем. При включении в коацерватные капли различных катализаторов (в том числе и ферментов) в них происходили различные реакции, в частности полимеризация поступающих из внешней среды мономеров. За счёт этого капли могли увеличиваться в объёме и весе, а затем дробиться на дочерние образования. Таким образом, коацерваты могли расти, размножаться, осуществлять обмен веществ. Далее коацерватные капли подвергались естественному отбору, что обеспечило их эволюцию.

Теория стационарного состояния Согласно теории стационарного состояния, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень незначительно. Согласно этой версии, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности -- либо изменение численности, либо вымирание. Однако гипотеза стационарного состояния в корне противоречит данным современной астрономии, которые указывают на конечное время существования любых звёзд и, соответственно, планетных систем вокруг звёзд. По современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада, возраст Земли, Солнца и Солнечной системы исчисляется ~4,6 млрд лет. Поэтому эта гипотеза обычно не рассматривается академической наукой.

Теория эволюции. Дарвиновская теория

До настоящего времени в научной и общеобразовательной среде основной теорией возникновения жизни на Земле во всём её многообразии считалась теория эволюции. Эта теория возникла благодаря трудам Чарльза Дарвина, опубликовавшего в 1859 году свою теперь знаменитую книгу "О происхождении видов путём естественного отбора или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь". Теория эволюции, которую часто называют Дарвиновской теорией или дарвинизмом, возникла не на пустом месте. Ко времени Дарвина общепризнанной стала космологическая теория Эммануила Канта, с его бесконечной в пространстве и во времени Вселенной, подчинённой законам механики, описанным Исааком Ньютоном.

Таким образом был создан фундамент теории эволюции, на котором Чарльз Дарвин создал стройное здание своей теории публикацией книг: "Происхождение видов", "Изменение домашних животных и культурных растений", "Происхождение человека и половой отбор" и других. По Дарвину эволюция, т.е. история развития органического мира Земли, осуществляется в результате взаимодействия трёх основных факторов: изменчивости, наследственности и естественного отбора. Благодаря _ этим факторам организмы в процессе развития накапливают всё новые приспособительные признаки, что в конечном итоге ведёт к образованию новых видов. В поддержку теории Дарвина сразу же было предложено 2 аргумента: рудиментарные органы и теория эмбриональной рекапитуляции. Так был составлен список из 180 человеческих рудиментов - органов, утративших своё назначение в процессе его развития из низших форм, т.е. органов которые человеку уже не нужны и их можно удалить. Обобщая всё вышесказанное, следует сказать, что принято считать, что жизнь на Земле возникла в результате благоприятного стечения обстоятельств. Сегодня преобладает точка зрения, что жизнь - явление не земное, а космическое. Эту мысль еще в XVII в. высказал известный голландский ученый Христиан Гюйгенс: «Жизнь есть космическое явление, в чем-то резко отличное от косной материи». Говоря о космическом явлении, не надо думать, что жизнь в виде зародышей занесена из Космоса. Вопрос значительно глубже. Возможно, что зародыши жизни, ее потенциал, ее носители, возможности ее возникновения содержатся в некой субстанции, пронизывающей Вселенную. В той части Вселенной, где имеются необходимые физико-химические условия, жизнь вспыхивает, как костер из сухих веток. Но эта субстанция, содержащая программу жизни, едина для всей Вселенной.

Мы привыкли считать, что жизнь как-то развивалась от простейшего к сложному. Но сценарий возникновения жизни был другой. Эта мысль содержится в работах В.И. Вернадского. Он писал: «Неизбежно допустить, что, может быть, и менее сложная в основных чертах, чем теперешняя, но все же очень сложная жизненная среда сразу создалась на нашей планете как нечто целое в догеологический ее период. Создался целый монолит жизни (жизненная среда), а не отдельный вид животных организмов, к какому нас ложно приводит экстраполяция, исходящая из эволюционного процесса». Он здесь же добавляет очень знаменательное: «...все живое представляет неразрывное целое, закономерно связанное не только между собой, но и с окружающей средой биосферы. Но наши современные знания недостаточны для получения яркой единой картины. Это дело будущего...».

Мы не должны искать начало жизни во Вселенной, как не ищем начала энергии или материи. Вместе с принципом Пастера-Реди В.И. Вернадский добавил очень важный принцип неизменности жизни: «Жизнь остается в главных своих чертах в течение геологического времени постоянной, меняется только ее форма ...Само живое вещество не является случайным созданием... Мы начинаем видеть в биосфере не единичное планетное или земное явление, а проявление строения атомов и их положения в космосе, их изменения в космической истории».Таким образом, В.И. Вернадский, как и многие другие ученые, высказывает мысль, что Земля - не единственный очаг жизни во Вселенной.

Пока обнаружить другие цивилизации, другую жизнь не удается. Но существование единственного очага жизни противоречит первому космологическому принципу. Существование жизни лишь на определенном временном отрезке, «этапе развития» Вселенной (на Земле) противоречит второму космологическому принципу. Имеются шансы встречи с высокоразвитой цивилизацией. Человек всего лишь один из 2 млн видов животных организмов на Земле, а жизнь на Земле - всего лишь жизнь на одном из миллиардов обитаемых миров. Гибель человека на Земле и даже гибель жизни в результате экологической катастрофы не противоречит ни одному из высказанных ранее глубоких научных принципов.

Предбиологическая (химическая) эволюция

По мнению большинства ученых, Земля сформировалась около 5 млрд лет т.н. путем конденсации частиц вращавшегося вокруг Солнца газопылевого облака. Под влиянием сил сжатия частицы, из которых формируется Земля, выделяют огромное количество тепла. В недрах Земли начинаются термоядерные реакции. В результате Земля сильно разогревается. Таким образом, 5 млрд лет т.н. Земля представляла собой несущийся в космическом пространстве раскаленный шар, температура поверхности которою достигала 4000-8000°С.

Постепенно, за счет излучения тепловой энергии в космическое пространство, Земля начинает остывать. Около 4 млрд лет т.н. Земля остывает настолько, что на ее поверхности формируется твердая кора. В это же время из её недр из ее недр вырываются легкие, газообразные вещества, которые формируют первичную атмосферу. По составу она существенно отличалась от современной. Свободный кислород в атмосфере древней Земли отсутствовал, а в ее состав входили вещества в восстановленном состоянии, такие, как водород (Н₂), метан (СН₄), аммиак (NH₃), пары воды (Н₂О), а возможно, также азот (N₂), окись и двуокись углерода (СО и С0₂).

Восстановительный характер первичной атмосферы Земли чрезвычайно важен для зарождения жизни, поскольку вещества в восстановленном состоянии обладают высокой реакционной способностью и в определенных условиях способны взаимодействовать друг с другом, образуя органические молекулы. Отсутствие в атмосфере первичной Земли свободного кислорода (практически весь кислород Земли был связан в виде окислов) также является важной предпосылкой возникновения жизни, поскольку кислород легко окисляет и тем самым разрушает органические соединения. Поэтому при наличии в атмосфере свободного кислорода накопление на древней Земле значительного количества органических веществ было бы невозможно.

Таким образом можно выбелить основные этапы химической эволюции:

Около 5 млрд лет т.п. -- возникновение Земли как небесного тела; температура поверхности -- 4000-8000°С

Около 4 млрд лет т.н. - формирование земной коры и первичной атмосферы

При температуре 1000°С -- в первичной атмосфере начинается синтез простых органических молекул.

Из простых органических молекул синтезируются сложные органические молекулы -- биополимеры.

· простые органические молекулы -- мономеры

· сложные органические молекулы -- биополимеры

Когда температура первичной атмосферы достигает 1000°С, в ней начинается синтез простых органических молекул, таких, как аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты, простые сахара, многоатомные спирты, органические кислоты и др. Энергию для синтеза поставляют грозовые разряды, вулканическая деятельность, жесткое космическое излучение и ультрафиолетовое излучение Солнца, от которого Земля еще не защищена озоновым экраном, причем именно ультрафиолетовое излучение ученые считают основным источником энергии для абиогенного синтеза органических веществ.

Возможность синтеза органических веществ из неорганических была известна с начала 19 в.. Уже в 1828 г. выдающийся немецкий химик Ф. Вёлер синтезировал органическое вещество -- мочевину из неорганическою -- циановокислого аммония. Однако возможность абиогенного синтеза органических веществ в условиях, близких к условиям древней Земли, была впервые показана в опыте С. Миллера.

В 1953 г. молодой американский исследователь, студент- дипломник Чикагского университета Стенли Миллер воспроизвел в стеклянной колбе с впаянными в неё электродами первичную атмосферу Земли, которая, по мнению ученых того времени, состояла из водорода метана СН₄, аммиака NH, и паров воды Н₂0.

Через эту газовую смесь С. Миллер в течение недели пропускал электрические разряды, имитирующие грозовые. По окончании эксперимента в колбе были обнаружены б-аминокислоты: глицин, аланин, аспарагин, глутамин; органические кислоты: янтарная, молочная, уксусная, гликоколовая; у-оксимасляная кислота и мочевина. При повторении опыта С. Миллеру удалось получить отдельные нуклеотиды и короткие полинуклеотидные цепочки из пяти-шести звеньев.

Рис. 2.4.1.2. Установка С. Миллера

В дальнейших опытах по абиогенному синтезу, проводимых различными исследователями, использовались не только электрические разряды, но и другие виды энергии, характерные для древней Земли, -- космическое, ультрафиолетовое и радиоактивное излучения, высокие температуры, присущие вулканической деятельности, а также разнообразные варианты газовых смеси, имитирующих первичную атмосферу. В результате был получен практически весь спектр органических молекул, характерных для живого: аминокислоты, нуклеотиды, жироподобные вещества, простые сахара, органические кислоты.

Абиогенный синтез органических молекул может происходить на Земле и в настоящее время, например, в процессе вулканической деятельности. При этом в вулканических выбросах можно обнаружить не только синильную кислоту HCN, являющуюся предшественником аминокислот и нуклеотидов, но и отдельные аминокислоты, нуклеотиды и даже такие сложные по строению органические вещества. Абиогенный синтез органических веществ возможен не только на Земле, но и в космическом пространстве. Простейшие аминокислоты обнаружены в составе метеоритов и комет.

Когда температура первичной атмосферы опустилась ниже 100°С, на Землю обрушились горячие дожди и появился первичный океан. С потоками дождя в первичный океан поступали абиогенно синтезированные органические вещества, что превратило его, но образному выражению английского биохимика Джона Холдейна, в разбавленный «первичный бульон». Именно в первичном океане начинаются процессы образования из простых органических молекул сложных органических молекул -- биополимеров.

Образование биополимеров, в частности белков из аминокислот, могло происходить в атмосфере при температуре около 180°С, откуда они смывались в первичный океан с атмосферными осадками. Кроме того, возможно, на древней Земле аминокислоты концентрировались в пересыхающих водоемах и полимеризовались в сухом виде под действием ультрафиолетового света и тепла лавовых потоков.

Несмотря на то, что вода способствует гидролизу биополимеров, в живой клетке синтез биополимеров осуществляется именно в водной среде. Этот процесс ускоряют особые белки-катализаторы -- ферменты, а необходимая для синтеза энергия выделяется при распаде АТФ. Возможно, синтез биополимеров в водной среде первичного океана катализировался поверхностью некоторых минералов. Экспериментально показано, что раствор аминокислоты аланина может полимеризоваться в водной среде в присутствии особого вида глинозема. При этом образуется пептид полиаланин. Реакция полимеризации аланина сопровождается распадом АТФ.

Жизнь всех современных живых существ -- это процесс непрерывного взаимодействия важнейших биополимеров живой клетки -- белков и нуклеиновых кислот. Белки -- это «молекулы-рабочие», «молекулы-инженеры» живой клетки. Важнейшая функция белков- каталитическая. Катализаторы -- это вещества, которые ускоряют химические реакции, но сами в конечные продукты реакции не входят. Ферменты в сотни и тысячи раз ускоряют реакции обмена веществ. Следовательно, жизнь без них невозможна.

Нуклеиновые кислоты -- молекулы -- хранители наследственной информации. Они хранят информацию не обо всех веществах живой клетки, а только о белках. Достаточно воспроизвести в дочерней клетке белки, свойственные материнской клетке, чтобы они точно воссоздали все химические и структурные особенности материнской клетки. Сами нуклеиновые кислоты также воспроизводятся благодаря каталитической активности белков.

Таким образом, тайна зарождения жизни -- это тайна возникновения механизма взаимодействия белков и нуклеиновых кислот. Ученые полагают, что несмотря на ключевую роль белков в обмене веществ современных живых организмов, первыми «живыми» молекулами были не белки, а нуклеиновые кислоты, а именно рибонуклеиновые кислоты (РНК).

В 1982 г. американский биохимик Томас Чек открыл автокаталитические свойства РНК. Он экспериментально показал, что в среде, содержащей в высокой концентрации минеральные соли, рибонуклеотиды самопроизвольно полимеризуются, образуя полинуклеотиды -- молекулы РНК. На исходных полинуклеотидных цепях РНК, как на матрице, путем спаривания комплементарных азотистых оснований образуются РНК-копии. При самосборке молекул РНК неизбежно возникают неточности, ошибки. Содержащие ошибки копии РНК снова копируются. В результате популяция молекул РНК на определенном участке первичного океана будет неоднородна. На некоторых молекулах РНК, как на матрице, может происходить самосборка небольших белковых фрагментов -- пептидов, которые защищают белок. Наряду с автокаталитическими функциями Томас Чек обнаружил у молекул РНК и явление самосплайсинга. В результате самосплайсинга участки РНК, не защищенные пептидами, самопроизвольно удаляются из РНК, а оставшиеся участки РНК, кодирующие белковые фрагменты самопроизвольно объединяются в единую молекулу. Эта новая молекула РНК уже будет кодировать большой сложный белок. По-видимому, первоначально пептиды выполняли в первую очередь, защитную функцию, предохраняя РНК от разрушения и повышая тем самым ее стабильность в растворе. Такова их функция и у простейших современных вирусов. Очевидно, что на определенном этапе биохимической эволюции преимущество получили молекулы РНК, кодирующие не только защитные белки, но и белки-катализаторы (ферменты). Возможно именно таким образом и возник процесс взаимодействия белков и нуклеиновых кислот, который мы в настоящее время называем жизнью.

В процессе дальнейшего развития, благодаря появлению белка с функциями фермента -- обратной транскриптазы, на одно- цепочечных молекулах РНК стали синтезироваться состоящие из двух цепей молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Отсутствие у дезоксирибозы ОН-группы в 2' положении делает молекулы ДНК более стабильными по отношению к гидролитическому расщеплению в слабощелочных растворах, а именно слабощелочной была реакция среды в первичных водоемах. Эта реакция среды сохранилась и в цитоплазме современных клеток. В результате свойственного молекулам РНК самосплайсинга незащищенные пептидами участки молекулы РНК разрушаются, а оставшиеся «срастаются» в единую молекулу, кодирующую крупный белок.

По теории А.И. Опарина, местом зарождения жизни стали так называемые коацерватные капли. Явление коацервации состоит в том, что в некоторых условиях высокомолекулярные вещества отделяются от раствора, но не в форме осадка, а в виде более концентрированного раствора -- коацервата. Возникшие в результате концентрирования белковых растворов коацерватные капли в процессе перемешивания под действием волн и ветра могут покрываться оболочкой из липидов: одинарной, либо двойной, напоминающей клеточную мембрану. Процессы возникновения коацерватных капель, их роста и «почкования», а также «одевания» их мембраной из двойного липидного слоя легко моделируются в лабораторных условиях. Для коацерватных капель также существует процесс «естественного отбора», при котором в растворе сохраняются наиболее стабильные капли.

Несмотря на внешнее сходство коацерватных капель с живыми клетками, у коацерватных капель отсутствует главный признак живого -- способность к точному самовоспроизведению, самокопированию. Очевидно, предшественниками живых клеток явились такие коацерватные капли, в состав которых вошли комплексы молекул-репликаторов (РНК или ДНК) и кодируемых ими белков. Возможно, комплексы РНК-белок длительное время существовали вне коацерватных капель в виде так называемого «свободноживущего гена», а возможно, их формирование проходило непосредственно внутри некоторых коацерватных капель.

Возможный путь перехода от коацерватных капель к примитивным клешам:

а) образование коацсрвата;

б) стабилизация коацерватных капель в водном растворе;

в) -- формирование вокруг капли двойного липидного слоя, похожего на клеточную мембрану: 1 -- коацерватная капля; 2 -- мономолекулярный слой липида на поверхности водоема; 3 -- формирование вокруг капли одинарного липидного слоя; 4 -- формирование вокруг капли двойного липидного слоя, похожего на клеточную мембрану;

г) -- коацерватная капля, окруженная двойным липидным слоем, с вошедшим в ее состав белково-нуклеотидным комплексом -- прообраз первой живой клетки

Исключительно сложный, не до конца понятный современной науке процесс возникновения жизни на Земле прошел с исторической точки зрения чрезвычайно быстро. Уже 3,5 млрд лет т.н. химическая эволюция завершилась появлением первых живых клеток и началась биологическая эволюция.

2. Влияние Солнца на экологические процессы Земли

Солнце играет очень большую роль в жизни нашей планеты. Оно источник света и тепла на Земле. Испарение воды, выпадение осадков, течение рек, бури, грозы, засуши и все другие явления, обусловливающие климат и погоду на Земле, зависят от нагревания Земли Солнцем и изменяются в зависимости от изменений, происходящих на Солнце.

Так, по В.И. Вернадскому, самая существенная особенность биосферы - это биогенная миграция атомов химических элементов, вызываемая лучистой энергией Солнца и проявляющаяся в процессе обмена веществ, росте и размножении организмов.

К своеобразной разновидности круговоротов в биосфере относятся ее ритмические изменения. Ритмикой называется повторяемость во времени комплекса процессов, которые каждый раз развиваются в одном направлении

Солнце излучает вокруг мощное электромагнитное излучение. Всего одна двухмиллиардная его доля попадает в верхние слои атмосферы Земли. Далеко не весь энергетический поток достигает поверхности Земли. Большая его часть отбрасывается планетой в мировое пространство. Земля отражает атаку тех лучей, которые губительны для живого вещества планеты. На дальнейшем пути к Земле солнечные лучи встречают препятствие в виде наполняющих атмосферу водяного пара, молекул углекислого газа и частичек пыли, взвешенных в воздухе. Атмосферный «фильтр» поглощает значительную часть лучей, рассеивает их, отражает. Особенно велика отражательная способность облаков. В результате непосредственно земная поверхность получает лишь 2/3 той радиации, которая пропускается озоновым экраном, но и из этой части многое отражается в соответствии с отражательной способностью различных поверхностей.

Из всех элементов электромагнитного излучения для биосферы наиболее опасно ультрафиолетовое излучение, поскольку, воздействуя на живое на Земле, подвергает его опасности уничтожения. Биологическое действие ультрафиолетового излучения, обусловленное химическими изменениями поглощающих его молекул нуклеиновых кислот и белков, выражается в нарушениях деления, возникновении мутаций и гибели клеток. Задерживается ультрафиолетовое излучение слоем озона. В стратосфере озон образуется из кислорода. Распределение озона над поверхностью Земли неравномерно. Озон разрушается окислами азота, образующимися в камерах сгорания твердотопливных ракет, а также фреонами, которые в стратосфере выделяют активный хлор, вступающий в реакцию с озоном. Выведение каждой тонны груза ракеты сопровождается потерями 8 млн т озона.

Кроме волнового излучения на Землю поступает корпускулярное излучение Солнца. Если электромагнитное излучение стабильно, то корпускулярное излучение очень изменчиво, его энергия меньше электромагнитного. Но от корпускулярного излучения сильно зависят процессы в биосфере. Энергия этих частиц возрастает с увеличением площади пятен на Солнце. Количество солнечных пятен меняется циклически, длина цикла 11 лет. Хроники сообщают, что, когда на Солнце были видны огромные пятна, на Земле происходили колоссальные катастрофы: засухи, землетрясения, извержения вулканов и другие бедствия. Они сопровождались гигантскими эпидемиями и пандемиями, уносящими сотни тысяч жизней. Солнечные пятна являются феноменом, влияющим на биосферу Земли.

Земля защищена от воздействия корпускулярной радиации своим электромагнитным полем. Если у планеты нет электромагнитного поля, то существование атмосферы и жизни там невозможно. Магнитное поле защищает биосферу Земли от потоков заряженных частиц, т.е. корпускулярной радиации. Если бы радиация достигла бы поверхности Земли, то она разложила бы все атомы и молекулы атмосферы на ионы и электроны, т.е. уничтожила бы ее. В экологическом плане для существования биосферы магнитное поле Земли довольно стабильно и неизменно.

Важнейшим физико-биологическим процессом на Земле, поддерживающим живое, является фотосинтез. Это синтез органических веществ (глюкозы) из неорганических (углекислого газа и воды) с использованием энергии Солнца, которая превращается в энергию химических связей органических веществ. Данный процесс протекает в хлоропластах. Световая энергия, поглощаемая зеленым пигментом (хлорофиллом) растений, поддерживает процесс их углеродного питания. В процессе фотосинтеза растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Реакции, в которых поглощается световая энергия, называются эндотермическими. Энергия Солнечного света аккумулируется в форме энергии химических связей. Благодаря процессу фотосинтеза на Земле ежегодно образуеттся 150 млрд т органического вещества, усваивается 300 млрд т углекислого газа и выделяется около 200 млрд т свободного кислорода.

Наша планета располагается третьей от Солнца. Она пятая по размеру среди всех планет Солнечной системы и является крупнейшей по диаметру, массе и плотности среди планет земной группы. Земля - единственное известное человеку на данный момент тело Солнечной системы в частности и Вселенной вообще, населённое живыми организмами.

Научные данные указывают на то, что Земля образовалась из солнечной туманности и вскоре после этого приобрела свой единственный естественный спутник -- Луну. Предполагается, что жизнь появилась на Земле примерно 3,9 млрд лет назад. С тех пор биосфера Земли значительно изменила атмосферу и прочие абиотические факторы, что привело в увеличению количества аэробных организмов и также формирование озонового слоя, который вместе с магнитным полем Земли ослабляет вредную для жизни солнечную радиацию. Это позволяет сохранять условия существования жизни на Земле. Радиация, обусловленная самой земной корой, со времён её образования значительно снизилась благодаря постепенному распаду радионуклидов в ней. Существует представление о том, что Земля состоит из ядра, мантии и коры, которые характеризуются различными мощностями, физическими свойствами пород, энергетическим и тепловым режимами, петрохимическим составом вещества и т.д. Кора Земли разделена на несколько сегментов, или тектонических плит, которые движутся по поверхности со скоростями порядка нескольких сантиметров в год.

Приблизительно 70,8 % поверхности планеты занимает Мировой океан, остальную часть поверхности занимают континенты и острова. На материках расположены реки, озёра, подземные воды и льды, вместе с Мировым океаном они составляют гидросферу. Жидкая вода, необходимая для всех известных жизненных форм. Полюсы Земли покрыты ледяным панцирем, который включает в себя морской лёд Арктики и антарктический ледяной щит.

Внутренние области Земли достаточно активны и состоят из толстого, очень вязкого слоя, называемого мантией, которая покрывает жидкое внешнее ядро, являющееся источником магнитного поля Земли, и внутреннее твёрдое ядро, предположительно, состоящее из железа и никеля. Физические характеристики Земли и её орбитального движения позволили жизни сохраниться на протяжении последних 3,5 млрд лет.

Земля взаимодействует (притягивается гравитационными силами) с другими объектами в космосе, включая Солнце и Луну. Она обращается вокруг Солнца и делает вокруг него полный оборот примерно за 365,26 солнечных суток -- сидерический год. Сутки сейчас составляют примерно 24 часа. Луна начала своё обращение на орбите вокруг Земли примерно 4,53 миллиарда лет назад. Гравитационное воздействие Луны на Землю является причиной возникновения океанских приливов. Также Луна стабилизирует наклон земной оси и постепенно замедляет вращение Земли.

3. Биосфера Земли

Биосфера, по определению В. И. Вернадского, - наружная оболочка Земли, область распространения жизни (bios -жизнь). По последним данным, толщина биосферы 40 - 50 км. Она включает нижнюю часть атмосферы (до высоты 25 - 30 км, до озонового слоя), практически всю гидросферу (реки, моря и океаны) и верхнюю часть земной коры - литосферу (до глубины 3 км). Важнейшими компонентами биосферы являются: живое вещество (растения, животные и микроорганизмы); биогенное вещество (органические и органоминеральные продукты, созданные живыми организмами на протяжении геологической истории - каменный уголь, нефть, торф и др.); косное вещество (горные породы неорганического происхождения и вода); биокосное вещество (продукт синтеза живого и неживого, т. е. осадочные породы, почвы, илы).

Определяющая особенность биосферы состоит в ее целостности и населенности жизнью. Живое вещество Земли представляет собой самую мощную силу в биосфере, материально и энергетически определяющую ее функции. В результате непрерывного взаимодействия между компонентами биосферы под влиянием живого вещества изменяются как населяющие биосферу организмы, так и среда, в которой они живут. Благодаря живому веществу поддерживаются взаимосвязь и взаимообусловленность всех компонентов в биосфере. Эта многосторонняя и разнообразная связь определяет биосферу как гигантскую экологическую систему, в которой человек является, с одной стороны, биологической частицей всей системы, а с другой - активным ее преобразователем. Представление о жизни как о сплошной «пленке» живого вещества, покрывающего Землю, сформировал в XVIII в. Ламарк, а в 1920-х годах советский биохимик В.И. Вернадский предложил научное обоснование биосферы. Он доказал, что все три оболочки Земли связаны с живым веществом, которое непрерывно воздействует на неживую природу.

Основной особенностью всего живого является, кроме клеточной деятельности и передачи информации, способность использовать энергию. Живые существа улавливают энергию космоса в виде солнечного света, удерживают ее в виде энергии сложных органических соединений (биомасса), передают ее друг другу и трансформируют в другие виды энергии (механическую, электрическую, тепловую). Неживые вещества преимущественно рассеивают энергию. Живое вещество преобразует энергию Солнца в свободную энергию, способную совершать работу. Работа, производимая жизнью, состоит в переносе и перераспределении химических элементов в биосфере. Преобразование энергии в организмах основано на разнице температуры и других принципах. Живые существа следует рассматривать как химические машины, где химическая энергия преобразуется в другие виды энергии.

Таким образом, к особенным функциям живых существ относятся:

· способность к самовоспроизведению;

· способность образования полимерных оболочек, ограждающих живое вещество от косной среды;

· способность аккумулировать и передавать химическую энергию, а также осуществлять химические реакции в нормальных условиях температуры и давления без образования побочных продуктов.

В заключение остановимся на эволюции биосферы - самой большой экосистемы Земли. Биосфера представляет собой единый организм. В жизни природы, в Космосе не человек является главной целью мироздания. В мире нет человека и природы, нет человека и Космоса, человека и Вселенной. Есть природа, Космос, Вселенная, а человек - только их маленькая частица, единственная возможность для человека выжить - это подчиняться законам Вселенной. Неуправляемо возрастающая техническая и энергетическая вооруженность человека отрицательно влияет на сбалансированность процессов в биосфере. Поэтому сегодня глобальной задачей человечества является определение и осуществление допустимых пределов воздействия на биосферу в целях предотвращения экологической катастрофы. Биосфера - гигантская экологическая система, в которой человек выступает и как ее частица и как ее преобразователь. Конечная цель человека - управление всеми процессами в биосфере, преобразование ее в ноосферу - сферу разума.

4. Причины и характер загрязнения биосферы

Экология (от греч. уikos -- жилище, местопребывание и ...логия), биологическая наука, изучающая организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, видов, биоценозов (сообществ), экосистем, биогеоценозов и биосферы. Часто экологию определяют также как науку о взаимоотношениях организмов между собой и с окружающей средой. Современная экология интенсивно изучает также проблемы взаимодействия человека и биосферы.

Наблюдаемый в обществе на протяжении последних десятилетий рост внимания к экологическим проблемам вполне закономерен. В то же время обострение проблем перенаселения планеты, исчерпания природных ресурсов, загрязнения среды обитания человека отходами промышленного и сельскохозяйственного производства, разрушения естественных ландшафтов, сокращения видового многообразия способствовало росту заинтересованности общественности в получении сведений экологического характера.

Перечислим глобальные экологические проблемы и разберемся в их принах.

Почвы. Важнейшим свойством почвы является плодородие - способность обеспечивать рост и развитие растений. Почва - важнейший и незаменимый источник пищевых ресурсов, главное богатство, от которого зависит жизнь людей.

Современное состояние почвенного покрова определяется в первую очередь деятельностью человеческого общества. Природные силы при этом не перестают действовать на почву, характер их влияния существенно меняется. В результате развития хозяйственной деятельности человека происходит деградация почвы, ее загрязнение и изменение химического соства из-за широкого использования удобрений, ядов для борьбы с вредителями и сорняками приводит к накоплению в почве несвойственных ей веществ.

Значительный ущерб природным экосистемам наносит процесс урбанизации. Осушение водно-болотных угодий, изменение гидрологического режима рек, загрязнение природных сред.

Основными загрязнителями почв выступают металлы и их соединения, радиоактивные элементы, а также удобрения и пестициды, применяемые в сельском хозяйстве. К наиболее опасным химическим загрязнителям почв относятся свинец, ртуть и их соединения.

Минеральное сырье. Оно играет огромную роль в народном хозяйтве. Полезные ископаемые дают около 75% сырья для химической промышленности, на продукции недр работают почти все виды транспорта, разнообразные отрасли промышленного производства. При этом темпы использования запасов полезных ископаемых продолжают нарастать. Соответственно с ростом добычи общие запасы минерального сырья на Земле неизбежно уменьшаются. Это обстоятельство вызывает необходимость охраны недр, более разумного, комплексного использования минеральных богатств.

Энергетические ресурсы. Потребность в энергии - одна из основных жизненных потребностей человека. Около десяти процентов потребной энергии человеку обеспечивают продукты питания, остальную - промышленная энергетика.

Долгое время энергетической базой служило ископаемое топливо, запасы которого неизменно сокращались. Поэтому в последнее время задача поиска новых источников энергии - одна из наиболее актуальных задач современности.

Теплоэнергетика. Нефть, а также ее тяжелые фракции (мазут) широко использу­ются в качестве топлива. Однако применение данного вида не даст положительных результатов по двум причинам. Во-первых, не может быть отнесена к разряду «экологически чистых» источников энергии. Во-вторых, ее запасы ограничены. Газ как топливо используется также очень широко. Запасы его хотя и велики, но тоже не бесконечны. Сегодня известны способы извлечения из газа некоторых химических веществ, в том числе во­дорода, который в будущем может быть использован как универ­сальное «чистое» топливо, не дающее какого-либо загрязнения. Уголь имеет не меньшее значение в тепловой энергетике, чем нефть и газ. Он используется так же как топливо в виде кокса, получаемого в результате нагревания каменного угля без доступа воздуха до температуры 950-1050°С. В настоящее время у нас в стране разработан способ наиболее полного использования угля путем его ожижения.

Гидроэнергетика. Энергия гидроэлектростанций безвредна для окружающей среды. Однако само по себе строительство водохранилищ на равнинах чревато отрицательными последствиями, наиболее существенным из которых является затопление обширных полезных земельных угодий.

Факторы агрессивности среды.

Среди важнейших факторов повышения агрессивности среды по отношению к человеку следует прежде всего отметить загрязнение атмосферного воздуха и вод, а также возрастание патогенности болезнетворных организмов. Влияние этих факторов на здоровье человека подробно проанализировано.

Загрязнение воздуха. Оно связано с расширением промышленных зон, с усиленной технизацией жизни. Вредное воздействие веществ, попадающих в воздух, может усиливаться их взаимными реакциями между собой, особыми метеоусловиями. Особую опасность для человека представляют выхлопные газы автомобилей, в которых содержатся окислы свинца. Последствиями могут быть нарушения синтеза гемоглобина, мышечная слабость вплоть до паралича, нарушение структуры и функций печени и мозга. Кислотообразующие осадки увеличивают агрессивность поверхностных вод, в которых увеличивается содержание фтора и металлов, в том числе стронция. Это вызывает респираторные заболевания, астматические явления, разрушает легочную ткань.

Загрязнение вод. Вода - вещество, жизненно необходимое для человека, может стать для него чрезвычайно опасной. Зачастую качество воды настолько низкое, что ее употребление может стать причиной развития ряда заболеваний. Основными факторами, вызывающими загрязнение питьевой воды, являются:

1) большое количество промышленных сбросов;

2) отравление воды веществами, загрязняющими воздух,которые стекающей в водоемы с дождевой водой;

3) просачивание в водоемы вредных веществ, употребляемых в сельском хозяйстве;

4) недостаточное развитие канализационной сети.

Изменение генофонда. Изменение среды обитания, происходящее в результате деятельности человека, оказывает на человеческие популяции воздействие, которое по большей части вредоносно, приводит к росту заболеваемости и сокращению продолжительности жизни. Более глубокая проблема заключается в незаметном постепенном изменении генофонда, которое приобретает глобальные масштабы.

Генофонд обычно определяют как совокупность генов, имеющихся у особей данной популяции, группы популяций или вида, в пределах которых они характеризуются определенной частотой встречаемости.

О воздействии на генофонд чаще всего говорят в связи с радиационным загрязнением, хотя это далеко не единственный фактор, влияющий на генофонд.

Вместе с тем продолжается действие и естественных факторов изменения генофонда - мутации, дрейф генов и естественный отбор. Загрязнение среды влияет на каждый из них. Появление новых болезней - реакция биосферы на вмешательство человека.

По характеру возникновения загрязнения подразделяют на естественные и антропогенные. Естественные загрязнения возникают в результате природных, как правило, катастрофических процессов, вне всякого влияния человека на эти процессы, антропогенные - в результате хозяйственной деятельности человека. Интенсивность антропогенных загрязнений непосредственно связана с ростом численности населения земного шара и в первую очередь с развитием крупных промышленных центров.

Загрязнение космического пространства - общее засорение околоземного и ближнего космического пространства космическими объектами. Наиболее опасно радиоактивное загрязнение из-за вывода на орбиты и разрушения ядерных реакторов, кроме того «космического мусора», который вносит помехи в нормальное функционирование наземных радиотехнических и астрономических приборов. По характеру воздействия загрязнения подразделяют на первичные и вторичные. Первичное загрязнение - поступление в окружающую среду непосредственно загрязнителей, образуемых в ходе естественных природно-антропогенных и чисто антропогенных процессов. Вторичное загрязнение - образование опасных загрязнителей в ходе физико-химических процессов, идущих непосредственно в окружающей среде. Так, из нетоксичных составляющих в некоторых условиях образуются ядовитые газы - фосген, фреоны, химически инертные у поверхности Земли, вступают в стратосфере в фотохимические реакции, вырабатывая ионы хлора, служащие катализатором при разрушении озонового слоя планеты. Отдельные реагенты такого взаимодействия могут быть неопасными.

По механизму воздействия загрязнения подразделяются на механические, физические (тепловые, световые, акустические, электромагнитные), химические, радиационные, биологические.

Механические загрязнения - засорение среды агентами, оказывающими главным образом неблагоприятное механическое воздействие на естественные и искусственные объекты.