Предыдущая страница реферата | 1  2  3 | Следующая страница реферата

2.3Зоны жизни

Биологи не видят иной основы для жизни, кроме органических молекул — биополимеров. Если для некоторых из них, например молекулы ДНК, важнейшей является последовательность звеньев-мономеров, то для большинства других молекул — белков и в особенности ферментов — важнейшей является их пространственная форма, которая очень чувствительна к окружающей температуре. Стоит повыситься температуре, как белок денатурируется — теряет свою пространственную конфигурацию, а вместе с ней и биологические свойства. У земных организмов это происходит при температуре около 60 °С. При 100—120 °С разрушаются практически все земные формы жизни. К тому же универсальный растворитель — вода — при таких условиях превращается в атмосфере Земли в пар, а при температуре менее 0 °С — в лёд. Следовательно, можно считать, что благоприятный для возникновения диапазон температур — 0—100 °С.

Температура на поверхности планеты в основном зависит от светимости родительской звезды и расстояния до неё. В конце 50-х гг. американский астрофизик, китаец по рождению, Су-Шу Хуанг исследовал эту проблему детально: он рассчитал. На каком расстоянии от звёзд разного типа могут находиться обитаемые планеты, если средняя температура на их поверхности лежит в пределах 0—100 °С. Ясно, что вокруг любой звезды существует определённая область — зона жизни, за границы которой орбиты этих планет не должны выходить. У звёзд-карликов она близка к звезде и неширока. При случайном формировании планет вероятность, что какая-нибудь из них попадёт в эту область, мала. У звёзд высокой светимости зона жизни находится далеко от звезды и очень обширна. Это хорошо, но продолжительность их жизни так мала, что трудно ожидать появления на их планетах разумных веществ (земной биосфере для этого понадобилось более 2 млрд. лет).

Таким образом, по мнению Су-Шу Хуанга, для обитаемых планет наиболее подходят звёзды главной последовательности спектральных классов от F5 до К5. Годятся не любые из них, а лишь звёзды второго поколения, богатые теми химическими элементами, которые необходимы для биосинтеза, — углеродом, кислородом, азотом, серой, фосфором. Солнце как раз и является такой звездой, а наша Земля движется в середине его зоны жизни. Венера и Марс находятся вблизи краёв этой зоны. В результат жизни на них нет.

Итак, можно надеяться, что у любой солнцеподобной звезды, обладающей планетной системой, найдётся хотя бы одна планета с условиями, пригодными для развития на ней жизни.

К сожалению, осталось мало шансов обнаружить активную биосферу в Солнечной системе и совершенно непонятно, как искать её и в других планетных системах. Но если где-то жизнь достигла разумной формы и создала техническую цивилизацию, подобную земной, то можно попытаться вступить с ней в контакт; для созданной людьми техники это уже реальная задача.

2.4 Зарождение жизни на планетах

В конце 50-х гг. XX столетия американские биофизики Стэнли Миллер, Хуан Оро, Лесли Оргел в лабораторных условиях имитировали первичную атмосферу планет (водород, метан, аммиак, сероводород, вода). Колбы с газовой смесью они освещали ультрафиолетовыми лучами и возбуждали искровыми разрядами (на молодых планетах активная вулканическая деятельность должна сопровождаться сильными грозами). В результате из простейших веществ очень быстро формировались любопытные соединения, например 12 из 20 аминокислот, образующих все белки земных организмов, и 4 из 5 оснований, образующих молекулы РНК и ДНК. Разумеется, это лишь самые элементарные «кирпичики», из которых по очень сложным правилам построены земные организмы. До сих пор непонятно, как эти правила были выработаны и закреплены природой в молекулах РНК и ДНК.

III. Происхождение жизни. Эволюция

3.1 Начало

Итак, перед нами планета Земля. Она имеет океан. Представим его себе. Реки, впадающие в него, сначала текут по склонам гор, по пути кроша горные породы, и все, что могут, выносят с собой в океан. Атмосфера над океаном насыщена вулканическими газами, пылью, пеплом. Волны, разлетаясь брызгами, захватывают всё это в свои глубины. В результате вода в первозданном океане горько-соленая, мутная. Она - настоящий "бульон", столько здесь всего перемешано и растворено. Здесь можно встретить почти все элементы таблицы Менделеева. Особенно много тех элементов, которые необходимы для создания живых существ. Теплая вода обеспечивает молекулам и атомам хорошую подвижность, перемешивание, контакты между собой в самых разных сочетаниях. Но для химических реакций этого мало. Для них часто бывает нужна "внешняя" сила. Толчок извне может помочь атомам и молекулам соединиться, может разбить молекулы на части. Химики для ускорения реакций часто применяют нагрев. Подобным же образом действует и природа. Для этого работают не только частички света - фотоны, но и "космические лучи" - осколки атомов, выброшенные далекими звездами, которые круглые сутки проносятся сквозь атмосферу и вонзаются в толщу океана. Их удары особенно сильны и больше годятся для разбивания молекул.

3.2 Молния

Небо заволокли черные тучи. В них и вводе накапливаются электрические разряды. Они рванулись навстречу друг другу. Ослепительная вспышка молнии озарила волны и прибрежные скалы. А в толще воды при этом резко метнулись молекулы, столкнулись друг с другом. Некоторые от ударов развалились. Зато другие, наоборот, соединились. Стихла гроза. Наступила ночь. Далеко от берега на дне океана пробудился дремавший вулкан. Горячие газы, вырвавшись из его жерла, растворились в воде, насытив её новыми порциями углекислоты, метана, аммиака, сернистого газа. Из недр планеты пошла в чёрную пучину огненная лава. Вспыхнула красным заревом, закипела вода. Тучи ослепительно сверкающих пузырей устремились вверх. Забурлили, засветились изнутри во мраке ночи черные волны. Густые облака пара накрыли их. "Бульон" над вулканом стал горячей и гуще. Целыми кучами поплыли новые, причудливые "комки" атомов - только что возникшие крупные молекулы...

3.3 Естественный отбор

Океанские волны без конца перемешивают, переставляют атомы, по-разному комбинируют их. Молекулы создаются и распадаются. Снова и снова в каждой капле океана повторяются миллиарды раз уже испробованные и не оправдавшие себя сочетания. Неужели в таких условиях возможна хоть какая-то эволюция? Возможна. Сами собой, без всякого плана или системы, создаются разные, какие получатся, варианты молекул. А потом испытываются. Наверху, в небе, разыгралась гроза. И мы видим, как при вспышке молний, шарахнувшись, разваливаются, рассыпаются все слабо связанные молекулы. А те, что выдержали эту проверку на прочность, остаются. Уже на этом этапе химической эволюции вещества работает своеобразный "естественный отбор". Эволюция идёт в направлении создания всё более сложных и при этом прочных молекул, обладающих все новыми и новыми свойствами.

А это приближает возможность нащупать в дальнейшем такие формы и свойства молекул, которые сделают вещество существом. В химической эволюции вещества главную роль играют атомы углерода. Это особый, незаменимый элемент. Его атомы обладают поистине неисчерпаемыми "потенциальными возможностями". Они четырехвалентны (т.е. очень высокая способность присоединять атомы и молекулы др. химических элементов), что в атомном мире редкость. Цепляясь друг за друга, они могут образовывать молекулы в виде колец или цепочек, при этом прихватывая другие атомы или молекулы. И тогда кольца и цепочки обрастают "гроздьями", создаются грандиозные, сложнейшие молекулы в виде ветвящихся деревьев, насчитывающие в своем составе многие тысячи атомов самых различных элементов. Сегодня таких молекул в природе бесчисленное множество вариантов. Но пока они еще не создались. В первозданном океане идут эксперименты. Фронт работы широчайший - весь океан. Атомов - сколько угодно. Времени - сотни миллионов лет. И вот нет-нет, где-то получается что-то интересное. Возникает совершенно случайно какая-нибудь новая комбинация атомов, обладающих прогрессивными свойствами. И значит, крохотный шаг к появлению жизни сделан. Делая, может быть, всего по одному такому шагу за тысячи лет, природа за миллиард лет все же дошла до возникновения жизни. Попробуем мысленно представить себе главные из этих шагов. Пропустим несколько миллионов лет и снова вернемся в первозданный океан. Кроме исходных, крохотных и примитивных, молекул, вроде метана, аммиака и углекислого газа, с которых всё началось, перед нами теперь плавает в воде множество совершенно новых, незнакомых комбинаций атомов. Появились, например, полимеры - длинные цепочки из молекул. Иногда одинаковых, иногда разных . Появились катализаторы. Это молекулы-помощники, молекулы-посредники, облегчающие перестройку других молекул. Через много миллионов лет мы видим, что простенькие полимеры стали полипептидами. Плывут длинные, сложные, ветвистые нити, состоящие из аминокислот. Их тысячи вариантов. Но самое поразительное - появился процесс копирования молекул - репликация. Это форменная эволюция. Раньше случайно возникшая комбинация атомов, существуя в одном экземпляре, не влияла на ход химической эволюции в целом. К тому же она могла в любой момент быть разбита шальной космической частицей и "изобретение" безвозвратно терялось. Теперь, при тиражировании молекул, "опыт" распространяется, а гибель некоторых экземпляров не представляет опасности.

3.4 Мутация

Репликация не тормозит прогресс, как это может показаться ,заполняя океан однотипными молекулами. Дело в том, что при копировании иногда происходит сбой. Исходную молекулу или её матрицу может что-либо повредить. Например, блеснувшая вблизи молния. Получится "мутация", и травма начинает печататься во всех следующих копиях, дав начало новой серии молекул. "Мутанты" вовсе не всегда являются браком. Случается, что среди них находят ценные находки, обладающие преимуществами перед оригиналами. Поэтому внешние силы не калечат молекулы, а вносят в них небольшие изменения, как бы с целью посмотреть: что получится? Результаты этих стихийных экспериментов природы оценивает практика. Естественный отбор беспощадно перечеркивает все миллионы "глупых" вариантов, оставляя лишь единицы "умных". В итоге мутации способствуют увеличению разнообразия молекул и этим помогают идти химической эволюции вещества.

3.5 Новый уровень эволюции

Проходят ещё миллионы лет. Природа "нащупала" наилучшие последовательности аминокислот в цепочках полипептидов - появились белковые молекулы - будущие кирпичи живых организмов. Усложнилась и стала совершеннее репликация. Матрица теперь уже не механическая форма, а условная, химическая "запись" порядка аминокислот в белковой молекуле. Запись в виде портативной цепочки особых молекул - нуклеотидов. Эволюция вещества поднимается на новый уровень. Длинные, причудливо изогнутые нити разных белковых молекул цепляются друг за друга и понемногу собираются. Сначала в небольшие комочки, потом в более крупные комки, похожие на клубки или капли. У молекул, тесно соприкоснувшихся в комке, разные свойства. Иногда это приводит к возможности своеобразного их сотрудничества. Например, катализаторы, оказавшиеся в гуще молекул, могут способствовать реакциям, полезным для комка в целом. Иначе говоря, комки белковых молекул оказываются в ряде случаев "системами", способными к какой-то внутренней деятельности. Но система системе рознь. И конечно, начинается долгий путь поисков наиболее удачных сочетаний молекул в них. Удачнее, например, те, в которых снаружи расположились особо прочные молекулы. Они служат механической защитой остальным. Удачнее те, в которых включены молекулы, способные реагировать на опасные примеси в воде. Они служат химической защитой. Но наиболее интересны те варианты, в которых оказался хороший набор катализаторов. Теперь, правда, их нужно называть ферментами. В этих комках начинается более или менее активный "обмен веществ" с окружающей средой. Идет захват материала, расщепление молекул, иногда даже с выделением энергии, выбрасывание отходов, восстановление поврежденных молекул. Даже репликация - синтез белковых цепочек. Обмен веществ - свойство очень прогрессивное. Такой комок оказывается очень устойчивым перед разными разрушающими внешними воздействиями, независимым, прочным, долговечным. При большой сложности он становится очень живучим - то, к чему стремится химическая эволюция. Вещество в нем, в сущности, приобрело некоторые свойства живого! Эволюция белковых молекул приводит к их специализации. В одних, например, лучше идут реакции с получением энергии, другие чётко реагируют на изменения температуры, в третьих - хорошо налажена репликация. И если мы снова пропустим миллионы лет, то обнаружим в океане ещё более "гигантские" сооружения, в каждом из которых миллионы молекул. Разные типы комков вошли в них в виде отдельных деталей. Сейчас биологи называют эти детали органеллами, а всё сооружение в целом - одноклеточным организмом.

Атомы - молекулы - полимеры - органеллы - одноклеточные существа. Всё идет в направлении от простого к сложному, к разнообразию структур, форм ,свойств. В живых организмах добавилось важнейшее новое - могучее стремление к самосохранению, к долговечности. Нужна улучшенная защищенность и более хорошая вооруженность в борьбе за существование. Объединяясь, клетки этого достигают. Борьба за существование, в частности, способствует увеличению разнообразия форм в животном мире. Иногда куда выгоднее не вступать в бой с врагом, а просто уйти в другую "экологическую нишу", переменить образ жизни так, чтобы, даже оставаясь на том же участке земли, никогда и не в чём не соприкасаться с врагом. Перестать соперничать с ним. Не иметь с ним ничего общего. Противопоставить сопернику не силу, а какое-то совершенно особое качество, которое даёт новые возможности к существованию. Пройдет ещё очень много времени и на Земле появится человек. Появится, и изменит мир в котором живет. Он научится наблюдать за звёздами, за планетами Солнечной системы, строить космические аппараты и запускать их в космос. Многие из этих аппаратов садятся на поверхности планет и возвращаются обратно.

4. Поиски жизни в солнечной системе

Луна - единственное небесное тело, где смогли побывать земляне и грунт которого подробно исследован в лаборатории. Никаких следов органической жизни на Луне не найдено.

Дело в том, что Луна не имеет и никогда не имела атмосферы: её слабое поле тяготения не может удерживать газ вблизи поверхности. По этой же причине на Луне нет океанов - они бы испарились. Не прикрытая атмосферой поверхность Луны днём нагревается до 130 °С, а ночью остывает до –170 °С. К тому же на лунную поверхность беспрепятственно проникают губительные для жизни ультрафиолетовые и рентгеновские лучи Солнца, от которых Землю защищает атмосфера. В общем, на поверхности Луны для жизни условий нет. Правда, под верхним слоем грунта, уже на глубине 1 м, колебания температуры почти не ощущаются: там постоянно около –40 °С. Но всё равно в таких условиях жизнь, вероятно, не может зародиться.

На ближайшей к Солнцу маленькой планете Меркурий ещё не побывали ни космонавты, ни автоматические станции. Но люди кое-что знают о ней благодаря исследованиям с Земли и с пролетавшего вблизи Меркурия американского аппарата «Маринер–10» (1974 и 1975 гг.). Условия там ещё хуже, чем на Луне. Атмосферы нет, а температура поверхности меняется от –170 до 450 °С. Под грунтом температура в среднем составляет около 80 °С, причём с глубиной она, естественно, возрастает.

Венеру в недавнем прошлом астрономы считали почти точной копией молодой Земли. Строились догадки, что скрывается под её облачным слоем: тёплые океаны, папоротники, динозавры? Увы, из-за близости к Солнцу Венера совсем не похожа на Землю: давление атмосферы у поверхности этой планеты в 90 раз больше земного, а температура и днём, и ночью около 460 °С. Ходя на Венеру опустилось несколько автоматических зондов, поиском жизни они не занимались: трудно представить себе жизнь в таких условиях. Над поверхностью Венеры уже не так жарко: на высоте 55 км давление и температура такие же, как на Земле. Но атмосфера Венеры состоит из углекислого газа, к тому же в ней плавают облака из серной кислоты. Словом, тоже не лучшее место для жизни.

Марс не без оснований считался пригодной для жизни планетой. Хотя климат там очень суровый (летним днём температура составляет около 0 °С, ночью –80 °С, а зимой доходит до –120 °С), но всё же это не безнадёжно плохо для жизни: существует же она в Антарктиде и на вершинах Гималаев. Однако на Марсе есть ещё одна проблема — крайне разряжённая атмосфера, в 100 раз менее плотная, чем на Земле. Она не спасает поверхность Марса от губительных ультрафиолетовых лучей Солнца и не позволяет воде находиться в жидком состоянии. На Марсе вода может существовать только в виде пара и льда. И она действительно там есть, во всяком случае, в полярных шапках планеты. Поэтому с большим нетерпением все ждали результатов поисков марсианской жизни, предпринятых сразу же после первой удачной посадки на Марс в 1976 г. автоматических станций «Викинг–1 и –2». Но они всех разочаровали: жизнь не была обнаружена. Правда, это был лишь первый эксперимент. Поиски продолжаются.

Климат Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна совершенно не соответствует нашим представлениям о комфорте: очень холодно, ужасный газовый состав (метан, аммиак, водород и т. д.), практически нет твёрдой поверхности - лишь плотная атмосфера и океан жидких газов. Всё это очень непохоже на Землю. Однако в эпоху зарождения жизни и Земля была совсем не такой, как сейчас. Её атмосфера скорее напоминала венерианскую и юпитерианскую, разве что была теплее. Поэтому в ближайшее время непременно будет осуществлён поиск органических соединений в атмосфере планет-гигантов.

Семейство спутников, астероидов и ядер комет очень разнообразно по своему составу. В него, с одной стороны, входит огромный спутник Сатурна Титан с плотной азотной атмосферой, а с другой - мелкие ледяные глыбы кометных ядер, большую часть времени проводящие на далёкой периферии Солнечной системы. Серьёзной надежды обнаружить жизнь на этих телах не было никогда, хотя исследование на них органических соединений как предшественников жизни представляет особый интерес. В последнее время внимание экзобиологов (специалистов по внеземной жизни) привлекает спутник Юпитера Европа. Под ледяной корой этого спутника должен быть океан жидкой воды. А где вода — там жизнь.

В упавших на землю метеоритах иногда обнаруживают сложные органические молекулы. Сначала было подозрение, что они попадают в метеориты из земной почвы, но теперь их внеземное происхождение вполне надёжно доказано. Например, упавший в Австралии в 1972 г. метеорит Мерчисон был подобран уже на следующее утро. В его веществе нашли 16 аминокислот - основных строительных блоков животных и растительных белков, причём лишь 5 из них присутствуют в земных организмах, а остальные 11 на Земле редки. К тому же среди аминокислот метеорита Мерчисон в равных долях присутствуют левые и правые молекулы (зеркально симметричные друг другу), тогда как в земных организмах — в основном левые. Кроме того, в молекулах метеорита изотопы углерода 12С и 13С представлены в иной пропорции, чем на Земле. Это, бесспорно, доказывает, что аминокислоты, а также гуанин и аденин - составные части молекул ДНК и РНК, могут самостоятельно формироваться в космосе.

Итак, пока в Солнечной системе нигде кроме Земли, жизнь не обнаружена. Учёные не питают на этот счёт больших надежд; скорее всего Земля окажется единственной живой планетой. Например, климат Марса в прошлом был более мягким, чем сейчас. Жизнь могла там зародиться и продвинуться до определённой ступени. Есть подозрение, что среди попавших на Землю метеоритов некоторые являются древними осколками Марса; в одном из них обнаружены странные следы, возможно принадлежащие бактериям. Это ещё предварительные результаты, но даже они привлекают интерес к Марсу.

Заключение

В определенных условиях, благоприятных для создания жизни, первозданные химические атомы и молекулы перемешались и были «испытаны» природой.

Эволюция шла в направлении создания новых, всё более сложных и при этом прочных молекул.

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: реферат деловой, п реферат.





Предыдущая страница реферата | 1  2  3 | Следующая страница реферата