Современные представления о возникновении жизни на Земле

1. Современные представления о возникновении жизни на Земле

По современным упрощенным модельным представлениям Земля образовалась из рассеянного газопылевого облака в результате гравитационной конденсации отдельных частиц, которые притягивались друг к другу, укрупнялись и объединялись в небесное тело.

Под действием сил сжатия и теплоты распада радиоактивных элементов происходил разогрев ее глубоких слоев и разделение вещества Земли на несколько сфер -- образовались центральное ядро, мантия, земная кора. С помощью радиоизотопного анализа установлено, что наиболее древние породы земной коры возникли 3,4--3,8 млрд. лет назад. Процесс формирования земной коры, по оценкам ученых, длился около 1 млрд. лет, так что возраст Земли составляет примерно 4,5 млрд. лет.

Определение абсолютного возраста горных пород, следов человеческой цивилизации и в целом Земли может осуществляться методом изотопной хронологии, учитывающей накопление в изучаемом объекте продуктов распада радионуклидов. Изотопная хронология учитывает, что радиоактивный распад каждого радионуклида идет с постоянной скоростью и приводит к накоплению стабильных нуклидов, содержание D которых связано с возрастом t исследуемого объекта соотношением: /) = Р (ея''-- 1), где Р -- число ядер радионуклида, X -- постоянная распада. Отсюда t = -- In 1н--

По мере остывания планеты тяжелые элементы перемещались к ее центру, а более легкие оставались на поверхности. Атмосфера состояла из свободного водорода и его соединений (Н2О, СН4, NH3, HCN) и поэтому носила восстановительный характер. Это обстоятельство послужило важной предпосылкой возникновения органических молекул небиологическим путем. Соединения, являющиеся восстановителями, легко вступают в химические реакции, отдавая водород, и при этом сами окисляются. Компоненты атмосферы подвергались воздействию различных видов энергии: радиоактивному, рентгеновскому, коротковолновому излучению Солнца, грозовым разрядам, действию высокой температуры и др.

В результате этих воздействий химически простые компоненты атмосферы вступали во взаимодействие, изменяясь и усложняясь. Возникли молекулы Сахаров, аминокислот, азотистые основания, органические кислоты и другие простые органические соединения.

Важное свойство образующихся органических молекул -- способность объединяться, создавая капельки более концентрированного раствора, чем окружающая среда. Такие концентрированные капельки -- коацерваты -- способны поглощать из окружающего раствора различные вещества, увеличиваясь при этом в размерах. Это уже отдаленно похоже на процессы питания и роста организмов. Опытным путем установлено, что коацерватные капли взаимодействуют между собой, вещества капель вступают в реакции, а некоторые продукты реакций выделяются из коацервата во внешнюю среду. Это напоминает известный биологический процесс обмена веществ.

В настоящее время определена основная совокупность характеристик, позволяющих отнести объект к живому организму:

* общность биогенных химических элементов (Н, С, О, Р, N, S), из которых построены биоорганические соединения: белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты;

* поглощение из внешней среды необходимых для жизнедеятельности веществ, извлечение из них энергии и выделение продуктов распада;

* способность к самовоспроизведению (наследственность);1

* изменчивость;

* способность к саморегуляции (поддержание постоянства химического состава);

* клеточное строение;

* раздражимость;

* системность и дискретность (живые системы состоят из отдельных (дискретных) взаимодействующих элементов);

* иерархичность структурной организации: менее сложные уровни являются необходимой основой для возникновения более сложных уровней организации живой материи.

Первые живые организмы в качестве источника энергии (пищи) использовали органические соединения, находящиеся в растворенном виде в водах первичного океана. Поскольку в атмосфере Земли свободного кислорода не было, организмы имели анаэробный (бескислородный) тип обмена, эффективность которого невелика. Энергию, необходимую для синтеза, они получали путем химических реакций окисления и восстановления (хемосинтез). Появление все большего количества анаэробных организмов приводило к истощению вод первичного океана, в нем все меньше оставалось готовых органических веществ, которые можно было использовать в пищу. В этих условиях в преимущественном положении оказались организмы, приобретшие способность использовать энергию света для синтеза органических веществ из неорганических, а именно из диоксида углерода СО2 и молекулярного азота N2 атмосферы. Но СО2 и N2 в атмосфере находятся в инертном окисленном состоянии, а для того, чтобы они были способны участвовать в химических реакциях, их надо восстановить, то есть передать им электроны от других соединений.

Дальнейшим и особенно крупным усовершенствованием жизни стал кислородный фотосинтез:

СО2 + Н20 + hv -> (СН2)О + О2 + 470

В результате появился свободный кислород, сначала в воде, а потом и в атмосфере, что привело к ее качественному изменению, в частности к появлению озонового слоя.

Постепенное увеличение количества кислорода в воде, его диффузия в атмосферу начались около 2 млрд. лет назад. Это сделало возможным быстрое развитие клеток -- структурных единиц всех живых организмов вне зависимости от уровня их организации. Появление клетки в свою очередь привело к эволюции более крупных и сложных живых организмов: растений, животных, человека.

В частности, согласно современной теории космических катастроф, Земле пришлось пережить ряд столкновений с астероидами, при которых жизнь на ней уничтожалась в результате возникновения высоких температур (до 300 °С), несовместимых с биологической точки зрения с процессом жизнедеятельности. Однако при этих условиях могут выжить некоторые термостойкие микроорганизмы (например, бактерии в глубине грунта). После таких космических ударов Земля постепенно остывала, и начинался новый эволюционный этап развития жизни, причем совершенно не обязательно по рассмотренной выше схеме.

С другой стороны, взрывы «близлежащих» к Земле сверхновых звезд способны уничтожить или сдуть большую часть озонового слоя, и тогда на все живое обрушится поток ионизирующего излучения, что также может привести к уничтожению жизни на Земле.

В начале 80-х годов прошлого века в пробах высотных метеозондов на высоте около 20 км обнаружены микроорганизмы, не встречающиеся на Земле. Возможность жизнедеятельности этих микроорганизмов можно объяснить наличием защитной оболочки, оберегающей их от губительного действия ионизирующего солнечного излучения. В ходе последующих космических испытаний на станции «Мир» установлено, что наиболее устойчивыми из земных бактерий являются сенные палочки, которые в комочках грунта выживали при действии электромагнитного излучения в открытом космосе, а бактерии, лишенные этой защитной оболочки, погибали. Если «защищенные» споры способны перемещаться как минимум по Солнечной системе, то, следовательно, не исключен механизм космического начала жизни на Земле.

2. Экологические системы. Энергия в экосистемах

Понятие экологии очень обширно, поэтому в зависимости от акцента на той или иной ее задаче меняется и сама формулировка.

Для «долгосрочного употребления» лучшим определением может быть, например, следующее.

Экология (греч. oikos -- дом и logos -- учение) -- наука, охватывающая изучение всесторонней взаимосвязи между организмами и окружающей средой. Под всесторонней взаимосвязью обычно понимают биологический, физический, химический, социальный, экономический и другие факторы. Изначально экология -- биологическая наука, поэтому мы довольно часто будем останавливаться на биологических аспектах экологии.

Экосистема -- функциональная основная единица в экологии, единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания (атмосфера, почва, водоемы), в которой живые и неживые компоненты связаны между собой обменом веществ и энергии.

Любой живой организм зависит от спектра солнечного приземного излучения, температуры, влажности окружающей среды, химического состава воздуха, пищи и других факторов. С другой стороны, свободный кислород в атмосфере появляется в результате жизнедеятельности растений, плодородный слой почвы -- это сложный продукт взаимодействия климата, влаги, живых организмов с верхними слоями горных пород. Биогенное происхождение (то есть связанное с жизнедеятельностью растений, животных, микроорганизмов) имеют каменный уголь, торф, мел и др.

В.И. Вернадский подчеркивал, что «биосфера -- это наружная оболочка Земли, область распространения жизни, включающая в себя все живые организмы, а также всю неживую среду их обитания, при этом между косными природными телами и живыми веществами идет непрерывный материальный и энергетический обмен, выражающийся в движении атомов, вызванном живым веществом. Этот обмен в ходе времени выражается закономерно меняющимся, непрерывно стремящимся к устойчивости равновесием». Далее в основном рассматриваются общие закономерности взаимоотношений природы и человеческого общества.

Сегодня человеческое общество находится на пороге того этапа эволюции нашей планеты, который называют периодом ноосферы. Ноосфера представляет собой связующее звено между космосом и Землей, которое, используя приходящую на Землю энергию, трансформирует мертвое вещество, создает новые формы материального мира, ускоряя все процессы, протекающие на Земле. Появление жизни -- это естественный этап развития, который ознаменовал качественное изменение эволюции Земли как космического тела.

Переход биосферы в ноосферу предусматривает управление развитием, как общества, так и биосферы. Это должно не только исключить всякие отрицательные последствия природопользования, но и исправить те, что уже имели место. Для этого необходимы:

1) текущий учет изменений в окружающей среде и предотвращение ухудшения качества окружающей среды;

2) прогноз изменений в окружающей среде и связанных с ними экологических последствий.

Для того чтобы управлять природопользованием, необходимо располагать данными о том, какая именно среда оптимальна для нормальных условий жизни человека.

Экологические факторы среды, с которыми связан любой организм, делятся на две категории:

* факторы неживой природы (абиотические);

* факторы живой природы (биотические).

Приспособительная реакция организмов к тем или иным факторам среды определяется степенью постоянства (периодичностью) воздействия этих факторов.

А.С. Мончадский выделяет три основных фактора.

1. Относящиеся к явлениям Солнечной системы, и в частности связанные с вращением Земли (смена времен года, суточная смена). Здесь имеется строгая периодичность, действовавшая еще до появления жизни на Земле, возникающие живые организмы должны сразу адаптироваться к этим факторам.

2. Факторы, являющиеся следствием первичных: влажность, температура, давление, динамика растительной пищи, содержание растворенных газов в воде и др.

3. Факторы, не имеющие правильной цикличности, например стихийные явления. К этим факторам относятся и антропогенные (производимые человеком) воздействия на окружающую среду, например появление примесей в воде, почве, воздухе, связанное с деятельностью промышленных предприятий. Для того чтобы адаптация живых организмов к новым условиям могла наследственно закрепиться, требуется длительное эволюционное время, за которое сменятся сотни поколений. Живые организмы, как правило, не успевают выработать приспособительные реакции, то есть адаптация к непериодическим факторам у организмов невозможна.

Ядовитые и вредные вещества, например неочищенные сточные воды, отбросы, выхлопные газы, радиоактивные вещества, биоциды и др., попав в экосистему, не исчезают бесследно. Даже низкие их концентрации, действуя долгое время, могут повредить человеку, животным и растениям. Как показали наблюдения, некоторые яды могут передаваться по пищевым цепочкам и сетям.

Так, тяжелые металлы (например, свинец) передаются из растений корове, оттуда в молоко, а с молоком -- человеку. Инсектициды поступают с отравленными насекомыми в насекомоядную рыбу, а затем к человеку или птице, съевшей эту рыбу.

В отдельных звеньях пищевой цепи может происходить нарастающее накопление ядов. Если они не разлагаются и не выводятся из организмов, то нарушается равновесие химического круговорота веществ. В жизнестойкой экологической системе все время должно поддерживаться равновесие, исключающее необратимое уничтожение тех или иных «каналов» обмена информацией (энергетической, химической, генетической и др.).

Жизнедеятельность всех живых организмов, включая человека, представляет собой работу, для осуществления которой требуется энергия. Энергия солнечной радиации первична на Земле и имеет преимущественное значение для жизни в инфракрасной и ультрафиолетовой области спектра.

Непрерывный поток солнечной энергии, воспринимаясь молекулами живых клеток, преобразуется в энергию химических связей. Химические вещества последовательно переходят от одних организмов к другим, то есть происходит последовательный упорядоченный поток вещества и энергии.

Продукция фотосинтеза обеспечивает человека пищей, одеждой, энергией. Например, каменный уголь -- это солнечная энергия, аккумулированная в продуктах фотосинтеза растений прошлых геологических эпох.

Экология, по сути дела, изучает связь между излучением и экологическими системами и способы превращения энергии внутри системы. Отношения между растениями и животными, между хищниками и жертвами, не говоря уже о численности и видовом составе организмов в каждом их местообитании, лимитируются и управляются потоком энергии, превращающейся из ее концентрированных (конкретных) форм в рассеянные (невосстанавливаемые).

Существует два основных механизма удержания, перераспределения и накопления энергии на Земле.

1. Механизм, характеризующий среду обитания: испарение, конденсация, градиенты плотности в атмосфере и в океане, геохимические реакции, эрозия и др. (геохимический круговорот веществ).

2. Механизм, характеризующий жизнедеятельность биообъектов: фотосинтез, дыхание и др.

Все типы экосистем регулируются теми же основными законами, которые управляют и неживыми системами, например техническими установками, машинами. Различие заключается в том, что живые системы, используя часть имеющейся внутри них энергии, способны самовосстанавливаться, а машины приходится чинить, используя при этом внешнюю энергию.

Когда излучение поглощается каким-либо предметом, последний нагревается, то есть энергия излучения переходит в энергию движения молекул, из которых состоит тело, причем, это касается любых физических полей и сред, взаимодействующих с ними. В частности, солнечное излучение сушей и водой поглощается по-разному, в результате возникают теплые и холодные области, что в свою очередь служит причиной образования воздушных потоков, которые, например, могут вращать ветряные двигатели и выполнять другую работу. Таким образом, «потребленная» энергия на самом деле не расходуется, она только переводится из состояния, в котором ее легко превратить в работу, в состояние с малой возможностью использования.

Если температура какого-либо тела выше температуры окружающего воздуха, то тело будет отдавать тепло до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой окружающей среды, после чего наступает состояние термодинамического равновесия и дальнейшее рассеяние энергии в тепловой форме прекращается.

Такая система находится в состоянии максимальной энтропии.

Энтропия отражает возможности превращения энергии и рассматривается как мера неупорядоченности системы.

Энтропия -- фундаментальное понятие термодинамики. Если молекулярная система обладает энергией Е и имеет N(E) доступных состояний в пределах от Ело Е + АД то качественной мерой молекулярного беспорядка в системе будет энтропия

Понятие энтропии как показателя термодинамической искаженной энергии имеет большое значение не только в физике, химии, биологии, но и в экологии для решения проблем, связанных с изменением состояния окружающей среды. Энтропия показывает, что тот или иной процесс может происходить в системе с определенной вероятностью. При этом, если система стремится к равновесному состоянию, энтропия увеличивается и стремится к максимуму.

С термодинамических позиций энтропию можно выразить другим соотношением, связывающим теплоту Q и температуру Т.

Если система получает приращение теплоты AQ, то энтропия изменяется на AS энтропию можно определить с помощью измерения теплоты и температуры.

Применяя положения термодинамики к процессу жизнедеятельности, можно отметить, что живой организм извлекает энергию из пищи, используя упорядоченность ее химических связей.

Часть энергии идет на поддержание жизненных процессов, часть передается организмам последующих пищевых уровней. В начале этого процесса находится фотосинтез, при котором повышается Упорядоченность деградировавших органических и минеральных веществ. При этом энтропия уменьшается за счет поступления энергии от Солнца.

Само существование биосферы можно рассматривать как стационарный процесс, реализуемый на фоне грандиозного необратимого процесса охлаждения Солнца. Если возникновение биологической структуры можно представить двумя стадиями: биосинтезом составляющих элементов (макромолекул, клеток) и сборкой из них организованной системы, то процесс сборки находится в значительной степени под термодинамическим контролем, поскольку на молекулярном уровне система стремится к состоянию с наименьшим химическим потенциалом. Самоорганизация и эволюция биологических систем на всех уровнях, начиная с клетки и кончая биосферой в целом, происходят вследствие оттока энтропии в окружающую среду.

Земля получает энергию от Солнца в виде излучения. При этом достигающий Земли поток энергии за секунду равен 1,2 * 1017 Вт.

Согласно второму началу термодинамики, энергия любой системы стремится к уменьшению, то есть к термодинамическому равновесию, что равнозначно максимальной энтропии. В такое состояние живой организм перейдет, если лишить его возможности извлекать упорядоченность (энергию) из окружающей среды.

Закон энтропии универсален и безграничен и гласит, что утратившая чувство гармонии любая структура немедленно поглощается живой природой.

Методы термодинамики применимы только к макроскопическим системам, состоящим из большого числа частиц. Система, которая не может обмениваться со средой ни энергией, ни веществом, является изолированной (камни, шлаки); если происходит обмен только энергией, то система называется замкнутой (теплообменники); а если и энергией, и веществами -- открытой.

При применении термодинамики к биологическим системам необходимо учитывать особенности организации живых систем:

1) биологические системы открыты для потоков вещества и энергии;

2) процессы в живых системах, в конечном счете, имеют необратимый характер;

3) живые системы далеки от равновесия;

4) биологические системы гетерофазны и структурированы.

Для описания свойств биологических систем целесообразно применение термодинамики необратимых процессов, которая рассматривает ход процессов во времени (основатели -- лауреаты Нобелевской премии по химии Л. Онзегер и И. Пригожий). Фундаментальным понятием термодинамики необратимых процессов является стационарное состояние системы. Процесс жизнедеятельности биообъектов сопровождается непрерывно идущими биологическими процессами, выделяя в определенный период времени доминирующий (или тот же, измененный по времени) процесс.

Таким образом, процесс жизнедеятельности есть множественная последовательность различных стационарных состояний.

В общем случае основным свойством живых систем является наличие разности потенциалов на мембранах клеток. Незначительные изменения потенциала сопровождаются четко выраженными физиологическими изменениями: нервным импульсом, транспортом ионов через мембрану, сокращением мышечной ткани и др. Длительное нарушение целостности мембраны всегда ведет к патологии, а выравнивание потенциала означает смерть клетки.