Реферат з навчальної дисципліни "Концепція сучасного природознавства" виконав: студент 3 курсу факультету МЕВ очно-заочного відділення групи ЕС-2 Торшина Ганна Володимирівна
Інститут світової економіки та інформатизації
Факультет Міжнародних економічних відносин
Москва, 2001
Введення
Як з'явилася Життя? Що є першоджерелом оточуючого нас світу і нас самих - матерія або думка? Безліч вчених і філософів усього світу і у всі часи висували найрізноманітніші затвердження і гіпотези.
Основних гіпотез - дві: матеріальна, тобто наукова, і нематеріальна, тобто релігійна. Прихильники гіпотези про нематеріальну походження світу вважають, що світ створила якась нематеріальна сила (Бог).
Прихильники матеріального походження світу, наприклад, вважають, що «живі» організми з'явилися за рахунок особливого сполуки хімічних елементів, і розглядають існуюче розмаїття видів як наслідок поступової еволюції світу.
Як зароджується життя? Які умови потрібні для її виникнення? Чи часто у космосі зустрічається сукупність подібних умов?
У цьому рефераті я хочу показати деякі наукові відповіді на задані питання про походження і еволюцію життя.
I. Походження сонячної системи
1.1. Народження Сонця
Космогонія - наука, що вивчає походження і розвиток небесних тіл. Астрономи спостерігають космічні тіла на різній стадії розвитку, зіставляючи численні дані спостережень із фізичними процесами, які можуть відбуватися за різних умов у космічному просторі. Вирішення питання про походження Землі і Сонячної системи в цілому значно ускладнюється тим, що інших подібних систем ми поки не спостерігаємо. Нашу Сонячну систему не з чим поки що порівнювати, хоча системи, подібні до неї, повинні бути досить поширені і їх виникнення повинно бути не випадковим, а закономірним явищем.
В даний час перевірка тієї чи іншої гіпотези про походження Сонячної системи значною мірою грунтується на даних про хімічний склад і вік порід Землі та інших тіл Сонячної системи. Найбільш точний метод визначення віку порід полягає в підрахунку відношення кількості радіоактивного урану до кількості свинцю, що знаходиться в даній породі. Швидкість цього процесу відома точно, і її не можна змінити ніякими способами. Найдавніші гірські породи мають вік кілька мільярдів років. Земля, очевидно, виникла дещо раніше, ніж земна кора.
У середині XVIII століття німецький філософ Кант запропонував свою теорію утворення Сонячної системи, що грунтується на законі всесвітнього тяжіння. Вона передбачала виникнення Сонячної системи з хмари холодних пилинок, що знаходяться в безладному хаотичному русі. У 1796 році французький вчений П. Лаплас докладно описав гіпотезу утворення Сонця і планет з вже обертається газової туманності. Лаплас врахував характерні основні риси Сонячної системи, які повинна була пояснити будь-яка гіпотеза про її походження. У даний період найбільш розробленою є гіпотеза О. Ю. Шмідта, розроблена в середині століття.
Сучасна наука, як кажуть вчені, з достатнім ступенем ймовірності дозволяє нам уявити події, які відбувалися 7 мільярдів років тому. Спочатку була одна з газово-пилових, воднево-гелієвих (з домішкою важких елементів) туманностей. Темна і непрозора туманність почала повільно повертатися навколо свого центру. Вона поступово зменшується, стискалася, очевидно, ущільнюючись при цьому. Діяло тяжіння, збираючи до центру частки туманності, і обертання туманності при цьому прискорювалося. Простий земний приклад - обертається на льоду фігурист. Не роблячи ніякого додаткового поштовху, фігурист прискорює своє обертання лише тим, що руки, до цього розкриті в сторони, притискає до тіла. Працює Закон збереження кількості руху. З часом туманність оберталася все швидше, і від цього виникла і збільшилася відцентрова сила, здатна боротися з тяжінням. Боротьба двох сил, тяжіння і відцентровою, почалася в туманності при прискоренні її обертання. Тяжіння стискало туманність, а відцентрова сила прагнуло розірвати. Але: тяжіння тягнуло частки до центру з усіх сторін однаково, а відцентрова сила відсутня на "полюсах" туманності й найсильніше проявлялося на її "екваторі". Тому саме на "екваторі" вона виявилася сильнішою за тяжіння і роздула туманність в сторони. Туманність, продовжуючи обертатися все швидше, сплющилася, з кулі перетворившись на плоску "коржик", схожу на спортивний диск. Настав момент, коли на зовнішніх краях "диска" відцентрова сила зрівноважила, а потім і пересилила тяжіння. Клоччя туманності тут почали відділятися, а центральна частина її продовжувала стискатися, прискорюючи своє обертання, і від зовнішнього краю відходили все нові і нові жмути, окремі газопилові хмари.
І ось туманність набула зовсім іншого вигляду. У середині величаво обертається величезна темна, трохи сплющене хмара, а навколо нього на різних відстанях пливуть по кругових орбітах, розташованих приблизно в одній площині, що відірвалися від нього невеликі "хмари-супутники". Центральне хмара продовжує ущільнюватися. Але тепер із силою тяжіння починає боротися нова сила - сила газового тиску. Адже в середині хмари накопичується все більше частинок речовини. Там виникає "страшна тіснота" і "неймовірна штовханина" частинок. Вони метушаться, все сильніше б'ючи один одного. Мовою фізиків - в центрі підвищуються температура і тиск. Спочатку там стає тепло, потім жарко. Зовні ми цього не помічаємо: хмара величезна й непрозоро. Тепло назовні не виходить. Але ось щось всередині сталося. Хмара перестало стискатися. Могутня сила зрослого від нагріву газового тиску зупинила роботу тяжіння. Різко війнуло нестерпним жаром, як з жерла раптово відкрилася печі! У глибині чорної хмари стали слабко просвічувати рвуться назовні клуби тьмяного червоного полум'я. Вони все ближче і яскравіше. Куля величаво кипить, перемішуючи вирвався вогонь ядра з чорним туманом своїх околиць. Спопеляючий жар змушує нас відскочити ще дальне тому. Однак, вирвавшись назовні, гарячий газ послабив протидію тяжінню. Хмара знову стало стискатися. Температура в його центрі знову почала зростати. Вона дійшла вже до сотень тисяч градусів! У цих умовах речовина не може бути навіть газоподібним. Атоми розвалюються на свої частини. Речовина переходить в стан плазми. Але і плазма - скажена штовханина атомних ядер і електронів - не може виносити нагрів до нескінченності. Коли її температура підніметься вище десяти мільйонів градусів, вона як би "запалюється". Удари часток один про одного стають такими сильними, що ядра атомів водню вже не відскакують один від одного, як м'ячики, а врізаються, вдавлюються один в одного і зливаються один з одним. Починається "ядерна реакція". З кожних чотирьох ядер атомів водню утворюється одне ядро гелію. При цьому виділяється величезна енергія. Таке "ядерне горіння" водню почалося і в нашому розпеченому кулі. Цей "пожежа" тепер вже не зупинити. "Плазма" розбушувалася. Газове тиск у центрі запрацювало з подесятереною силою. Плазма рветься назовні, як пара з котла. З дивовижною силою вона зсередини тисне на зовнішні шари кулі й припиняє їхнє падіння до центру.
Встановилася рівновага. Плазмі не вдається розірвати кулю, розкидати його уривки в сторони. А тяжінню не вдається зламати тиск плазми і продовжити стискання кулі. Сліпуче світиться біло-жовтим світлом куля перейшов у стійку стадію. Він став зіркою. Став нашим Сонцем! Тепер воно буде мільярдами років, не змінюючи розміру, не охолоджуючись і не перегріваючись, світити однаково яскравим біло-жовтим світлом. Поки всередині не вигорить весь водень. А коли він весь перетвориться на гелій, зникне "підпора" усередині Сонця, воно стиснеться. Від цього температура в його надрах знову підвищиться. Тепер вже до сотень мільйонів градусів. Але тоді "спалахнути" гелій, перетворюючись на більш важкі елементи. І стиснення знову припиниться.
Є в запасі у зірок ще кілька ядерних реакцій, що вимагають для свого початку все більш високих тисків і температур. У них "варяться" ядра все більш складних і важких елементів. Зрештою, всі можливі реакції будуть вичерпані. Зірка стиснеться, стане крихітним "білим карликом". Потім поступово охолоне, потьмяніє. Нарешті, згасне зовсім. Мовчазний невидимкою буде плисти в космосі "чорний карлик" - холодна "головешка", що залишилася від колись бушував потужного багаття. Як бачимо з вихідного матеріалу - водню - в надрах зірок, в ядерних реакціях синтезу "варяться" ядра атомів усіх елементів. Можна сказати, що саме там, у надрах зірок, закладається початок життя. Адже саме там виникають ядра "атома життя" вуглецю. А за ним і ядра атомів усіх інших необхідних для життя елементів таблиці Менделєєва. Не обов'язково це цінне "вариво" виявляється потім похованим у остившіх "чорних карликів". У багатьох зірок, що утворилися з більших згустків туманностей, ядерне горіння проходить дуже бурхливо. Газовий тиск виявляється набагато сильніше тяжіння. Воно роздуває зірку, рве її на шматки, розкидаючи на всі боки. Ці грандіозні вибухи в зоряному світі іноді спостерігаються із Землі і називаються спалахами "наднових зірок". У результаті вибуху зірка розсіюється в міжзоряному просторі, збагачуючи його важкими елементами. Це основне джерело тієї таємничої, життєво важливої домішки, про яку ми говорили раніше. Тепер про виділення цієї домішки.
1.2 Освіта планет
Повернемося до супутників нашого Сонця, до тих уривків туманності, які відірвалися від центрального згустку під дією відцентрової сили і почали кружляти навколо нього. Саме тут створюються умови, що сприяють розділенню легких і важких часток туманності. Відбувається щось схоже на наш древній спосіб видобутку золота промиванням з золотоносного піску або на просіювання зерна в молотарка. Струмінь води або повітря відносить легкі частинки, залишаючи важкі. Хмари-супутники знаходяться на дуже різних відстанях від Сонця. Далекі воно майже не гріє. Зате в близьких - його жар випаровує все здатне випаруватися. А його сліпучий яскраве світло, працюючи як своєрідний "вітер", видуває з них все випарується, взагалі все легке, залишаючи лише те, що важче, що "не зрушити з місця". Тому тут майже не залишається легких газів - водню і гелію, основною складовою газопилової туманності. Мало залишається і інших "летючих" речовин. Все це несеться гарячим "вітром" у далечінь. У результаті через деякий час хімічний склад хмар-супутників стає зовсім різним. У далеких - він майже не змінився. А в тих, що кружляють поблизу розточує жар і світло Сонця, залишився лише "прожарений" і "обдутий" матеріал - виділена "дорогоцінна життєво важлива домішка" важких елементів. Матеріал для створення жилої планети готовий. Починається процес перетворення "матеріалу" в "виріб", часток туманності - в планети.
а). Етап перший - злипання частинок. У далеких хмарах-супутниках численні молекули легких газів і рідкі легкі пилинки потроху збираються у величезні пухкі кулі малої щільності. Надалі це планети групи Юпітера. У хмарах-супутниках, близьких до Сонця, важкі порошини злипаються в щільні кам'янисті грудки. Вони поєднуються у величезні масивні скелясті брили, жахливими сірими незграбними громадами пливуть по орбітах навколо своєї зірки. Рухаючись по різних, іноді пересічних орбітах, ці "астероїди", розміром в десятки кілометрів кожний, зіштовхуються. Якщо на невеликій відносної швидкості, то як би "вдавлюються" один в інший, "нагромаджуються", "налипає" один на інший, об'єднуються в більші. Якщо на великій швидкості, то мнуть, кришать одне одного, породжуючи нову "дрібниця", незліченні уламки, осколки, які знову проходять довгий шлях об'єднання. Сотні мільйонів років йде цей процес злиття дрібних часток у великі небесні тіла. У міру збільшення своїх розмірів вони стають все більш куляста. Зростає маса - зростає сила тяжіння на їхній поверхні. Верхні шари тиснуть на внутрішні. Виступаючі частини виявляються вантажем більш важким і поступово занурюються в товщу нижележащих мас, розсовуючи їх під собою. Ті, відходячи в сторони, заповнюють собою западини. Грубий "ком" поступово згладжується. У результаті поблизу Сонця утворюються декілька порівняно невеликих за розміром, але дуже щільних, що складаються з дуже важкого матеріалу, планет земної групи. Серед них - Земля. Всі вони різко відрізняються від планет групи Юпітера багатством хімічного складу, великою кількістю важких елементів, великою питомою вагою. Тепер подивимося на Землю. На зоряному фоні, освітлений з одного боку яскравими сонячними променями, пливе перед нами величезний кам'яний куля. Він ще не гладкий не рівний. Ще стирчать де-не-де виступи зліпили його брил. Ще "читаються" не повністю заплилі "шви" між ними. Поки це ще "груба робота". Але ось що цікаво. Вже є атмосфера. Трохи каламутна, очевидно, від пилу, але без хмар. Це видавлені з надр планети водень і гелій, які свого часу прилипли до кам'янистих часток і якимось дивом вціліли, не були "здути" сонячними променями. Первинна атмосфера Землі. Довго вона не протримається. "Не києм, то палицею" Сонце знищить її. Легкі рухливі молекули водню й гелію під дією нагрівання сонячними променями будуть поступово випаровуватися в космос. Цей процес називається "диссипацией"
б). Етап другий - розігрівання. Усередині планети, у суміші з іншими виявляються затиснутими, "замкнутими" радіоактивні речовини. Вони відрізняються тим, що безперервно виділяють тепло, ледь помітно нагріваються. Але в товщі планети цього тепла нікуди вийти, немає вентиляції, немає омиваючої вологи. Над ними - потужна "шуба" з верхніх шарів. Тепло накопичується. Від цього радіоактивного розігріву починається розм'якшення всієї товщі планети. У розм'якшеному вигляді речовини, свого часу хаотично, безсистемно зліпили її, починають тепер розподіляться по вазі. Важкі поступово опускаються, тонуть до центру. Легкі видавлюються ними, піднімаються вище, спливають все ближче до поверхні. Поступово планета набуває будову, подібне теперішньої нашої Землі, - в центрі, стиснутої жахливим вагою навалилися зверху шарів, важке ядро. Воно оточене "мантією" - товстим шаром речовини легше вагою. І, нарешті, зовні зовсім тонка, завтовшки всього в декілька десятків кілометрів, "кора", що складається з найлегших гірських порід. Радіоактивні речовини в основному містяться в легких породах. Тому тепер вони скупчилися в "корі", гріють її. Основне тепло з поверхні планети йде в космос, - від планети "трохи повіяло теплом". А на глибині десятків кілометрів тепло зберігається, розігріваючи гірські породи.
в). Етап третій - вулканічна діяльність. У деяких місцях надра планети розпалюються до червоного. Потім навіть більше. Камені плавляться, перетворюються на розпечену, що світиться оранжево-білим світом вогненну кашу - "магму". У товщі кори їй тісно. У ній повно стислих газів, які готові були б підірвати, розкидати всю цю магму на всі сторони вогняними бризками. Але сил для цього не вистачає. Занадто міцна і важка навколишнє і придавив зверху кора планети. І вогненна магма, намагаючись хоч якось вирватися нагору, на свободу, намацує між стискають її брилами слабкі місця, протискується в щілини, подплавляя їх стінки своїм жаром. І потроху з роками, століттями набираючи силу, піднімається з глибин поверхні планети. І ось перемога! "Канал" пробитий! Стрясаючи скелі, з гуркотом виривається з надр стовп вогню. Клуби диму і пари здіймаються до неба. Летять вгору камені і попіл. Вогняна магма, яка називається тепер "лава", виливається на поверхні планети, розтікається в сторони. Відбувається виверження вулкана. Таких "пробитих зсередини дірок" на планеті багато. Вони допомагають молодій планеті "боротися з перегрівом". Через них вона звільняється від накопичилася вогняної магми, "видихає" розпираючий її гарячі гази - в основному вуглекислий газ і водяна пара, а з ними - різні домішки, такі, як метан, аміак. Поступово в атмосфері майже зникли водень і гелій, і вона стала складатися в основному з вулканічних газів. Кисню в ній поки немає і в помині. Для життя ця атмосфера зовсім не придатна. Дуже важливо, що вулкани викидають на поверхню велику кількість водяної пари. Він збирається в хмари. З них на поверхню планети ллються дощі. Вода стікає в низини, накопичується. І потроху на планеті утворюються озера, моря, океани, в яких може розвинутися життя.
З декількох гіпотез походження життя найбільш поширену, яка видається нам найбільш обгрунтованою, гіпотезу самовільного зародження життя запропонував академік А. І. Опаркін (Розділ III. ПОХОДЖЕННЯ ЖИТТЯ ЕВОЛЮЦІЯ).
Де можливе життя?
2.1 Умови для життя в космосі
У космосі ми зустрічаємо широкий спектр фізичних умов: температура речовини змінюється від 3-5 К до 107-108 К, а густина - від 10-22 до 1018 кг/см3. Серед такого великого розмаїття нерідко вдається виявити місця (наприклад, міжзоряні хмари), де один з фізичних параметрів з точки зору земної біології сприяє розвитку життя. Але лише на планетах можуть збігтися всі параметри, необхідні для життя.
2.2 Планети поблизу зірок
Планети повинні бути не менше Марса, щоб утримати у своєї поверхні повітря і пари води, але й не такими величезними, як Юпітер і Сатурн, протяжна атмосфера яких не пропускає сонячні промені до поверхні. Одним словом, планети типу Землі, Венери, можливо, Нептуна і Урана за сприятливих обставин можуть стати колискою життя. А обставини ці досить очевидні: стабільне випромінювання зірки; певну відстань від планети до світила, що забезпечує комфортну для життя температуру; кругова форма орбіти планети, можлива лише в околицях відокремленої зірки (тобто одиночної або компонента дуже широкої подвійної системи). Це головне. Чи часто у космосі зустрічається сукупність подібних умов?
Одиночних зірок досить багато - близько половини зірок Галактики. З них близько 10% подібні з Сонцем по температурі і світності. Правда, далеко не всі вони також спокійні, як наша зірка, але приблизно кожна десята схожа на Сонце і в цьому відношенні. Спостереження останніх років показали, що планетні системи, ймовірно, формуються у значної частини зірок помірної маси. Таким чином, Сонце з його планетної системою повинні нагадувати близько 1% зірок Галактики, що не так уже й мало - мільярди зірок.
2.3Зони життя
Біологи не бачать іншої основи для життя, крім органічних молекул - біополімерів. Якщо для деяких з них, наприклад молекули ДНК, найважливішою є послідовність ланок-мономерів, то для більшості інших молекул - білків і особливо ферментів - найважливішою є їх просторова форма, яка дуже чутлива до навколишньої температури. Варто підвищитися температурі, як білок денатурируется - втрачає свою просторову конфігурацію, а разом з нею і біологічні властивості. У земних організмів це відбувається при температурі близько 60 ° С. При 100-120 ° С руйнуються практично всі земні форми життя. До того ж універсальний розчинник - вода - за таких умов перетворюється в атмосфері Землі в пар, а при температурі менше 0 ° С - на лід. Отже, можна вважати, що сприятливий для виникнення діапазон температур - 0-100 ° С.
Температура на поверхні планети в основному залежить від світності батьківської зірки і відстані до неї. В кінці 50-х рр.. американський астрофізик, китаєць за народженням, Су-Шу Хуанг досліджував цю проблему детально: він розрахував. На якій відстані від зірок різного типу можуть перебувати населені планети, якщо середня температура на їх поверхні лежить в межах 0-100 ° С. Ясно, що навколо будь-якої зірки існує певна область - зона життя, за межі якої орбіти цих планет не повинні виходити. У зірок-карликів вона близька до зірки і неширока. При випадковому формуванні планет вірогідність, що яка-небудь з них потрапить у цю область, мала. У зірок високої світності зона життя знаходиться далеко від зірки і дуже обширна. Це добре, але тривалість їх життя така мала, що важко очікувати появи на їх планетах розумних речовин (земній біосфері для цього знадобилося більше 2 млрд. років).
Таким чином, на думку Су-Шу Хуанга, для населених планет найбільш підходять зірки головної послідовності спектральних класів від F5 до К5. Годяться не будь-які з них, а лише зірки другого покоління, багаті тими хімічними елементами, які необхідні для біосинтезу, - вуглецем, киснем, азотом, сіркою, фосфором. Сонце якраз і є такою зіркою, а наша Земля рухається в середині його зони життя. Венера і Марс перебувають поблизу країв цієї зони. У результат життя на них немає.
Отже, можна сподіватися, що у будь-який сонцеподібної зірки, що володіє планетної системою, знайдеться хоча б одна планета з умовами, придатними для розвитку на ній життя.
На жаль, залишилося мало шансів виявити активну біосферу в Сонячній системі і зовсім незрозуміло, як шукати її і в інших планетних системах. Але якщо десь життя досягла розумної форми і створила технічну цивілізацію, подібну земний, то можна спробувати вступити з нею в контакт; для створеної людьми техніки це вже реальне завдання.
2.4 Зародження життя на планетах
В кінці 50-х рр.. XX століття американські біофізики Стенлі Міллер, Хуан Оро, Леслі Оргел в лабораторних умовах імітували первинну атмосферу планет (водень, метан, аміак, сірководень, вода). Колби з газовою сумішшю вони висвітлювали ультрафіолетовими променями і порушували іскровий розряд (на молодих планетах активна вулканічна діяльність повинна супроводжуватися сильними грозами). У результаті з найпростіших речовин дуже швидко формувалися цікаві з'єднання, наприклад 12 з 20 амінокислот, що утворюють всі білки земних організмів, і 4 з 5 основ, що утворюють молекули РНК і ДНК. Зрозуміло, це лише самі елементарні «цеглинки», з яких по дуже складним правилам побудовані земні організми. До цих пір незрозуміло, як ці правила були вироблені і закріплені природою в молекулах РНК і ДНК.
III. Походження життя. Еволюція
3.1 Початок
Отже, перед нами планета Земля. Вона має океан. Уявімо його собі. Річки, що впадають у нього, спочатку течуть по схилах гір, по дорозі кришачи гірські породи, і все, що можуть, виносять з собою в океан. Атмосфера над океаном насичена вулканічними газами, пилом, попелом. Хвилі, розлітаючись бризками, захоплюють все це у свої глибини. В результаті вода в первозданному океані гірко-солона, каламутна. Вона - справжній "бульйон", стільки тут всього перемішано і розчинений. Тут можна зустріти майже всі елементи таблиці Менделєєва. Особливо багато тих елементів, які необхідні для створення живих істот. Тепла вода забезпечує молекул і атомів хорошу рухливість, перемішування, контакти між собою в самих різних поєднаннях. Але для хімічних реакцій цього мало. Для них часто буває потрібна "зовнішня" сила. Поштовх ззовні може допомогти атомам і молекулам з'єднатися, може розбити молекули на частини. Хіміки для прискорення реакцій часто застосовують нагрів. Подібним же чином діє і природа. Для цього працюють не тільки частинки світла - фотони, але і "космічні промені" - осколки атомів, викинуті далекими зірками, які цілодобово проносяться крізь атмосферу і встромлюють в товщу океану. Їх удари особливо сильні і більше годяться для розбивання молекул.
3.2 Блискавка
Небо затягли чорні хмари. У них і введенні накопичуються електричні розряди. Вони рвонулися назустріч один одному. Сліпучий спалах блискавки освітив хвилі і прибережні скелі. А в товщі води при цьому різко метнулися молекули, зіткнулися один з одним. Деякі від ударів розвалилися. Зате інші, навпаки, з'єдналися. Стихла гроза. Настала ніч. Далеко від берега на дні океану пробудився дрімав вулкан. Гарячі гази, вирвавшись з його жерла, розчинилися у воді, наситивши її новими порціями вуглекислоти, метану, аміаку, сірчистого газу. З надр планети пішла в чорну безодню вогненна лава. Спалахнула червоним сяйвом, закипіла вода. Хмари сліпуче блискучих бульбашок спрямувалися вгору. Завирували, засвітилися зсередини в темряві ночі чорні хвилі. Густі хмари пари накрили їх. "Бульйон" над вулканом став гарячою і гущі. Цілими купами поплили нові, химерні "грудки" атомів - тільки що виникли великі молекули ...
3.3 Природний відбір
Океанські хвилі без кінця перемішують, переставляють атоми, по-різному комбінують їх. Молекули створюються і розпадаються. Знову і знову в кожній краплі океану повторюються мільярди разів вже випробувані і не виправдали себе поєднання. Невже в таких умовах можлива хоч якась еволюція? Можлива. Самі собою, без жодного плану або системи, створюються різні, які вийдуть, варіанти молекул. А потім випробовуються. Нагорі, в небі, розігралася гроза. І ми бачимо, як при спалаху блискавок, шарахнувшісь, розвалюються, розсипаються всі слабо зв'язані молекули. А ті, що витримали цю перевірку на міцність, залишаються. Вже на цьому етапі хімічної еволюції речовини працює своєрідний "природний відбір". Еволюція йде в напрямку створення все більш складних і при цьому міцних молекул, що володіють все новими і новими властивостями.
А це наближає можливість намацати надалі такі форми і властивості молекул, які зроблять речовина істотою. У хімічній еволюції речовини головну роль відіграють атоми вуглецю. Це особливий, незамінний елемент. Його атоми мають воістину невичерпними "потенційними можливостями". Вони чотиривалентний (тобто дуже висока здатність приєднувати атоми і молекули ін хімічних елементів), що в атомному світі рідкість. Чіпляючись один за одного, вони можуть утворювати молекули у вигляді кілець або ланцюжків, при цьому прихоплюючи інші атоми або молекули. І тоді кільця і ланцюжки обростають "гронами", створюються грандіозні, найскладніші молекули у вигляді розгалужених дерев, що налічують у своєму складі багато тисяч атомів самих різних елементів. Сьогодні таких молекул у природі незліченна безліч варіантів. Але поки вони ще не створилися. У первозданному океані йдуть експерименти. Фронт роботи найширший - весь океан. Атомів - скільки завгодно. Часу - сотні мільйонів років. І ось ні-ні, де-то виходить щось цікаве. Виникає цілком випадково якась нова комбінація атомів, що володіють прогресивними властивостями. І значить, крихітний крок до появи життя зроблений. Роблячи, може бути, всього по одному такому кроку за тисячі років, природа за мільярд років все ж дійшла до виникнення життя. Спробуємо подумки уявити собі головні з цих кроків. Пропустимо кілька мільйонів років і знову повернемося в первозданний океан. Крім вихідних, крихітних і примітивних, молекул, начебто метану, аміаку і вуглекислого газу, з яких все почалося, перед нами тепер плаває у воді безліч абсолютно нових, незнайомих комбінацій атомів. З'явилися, наприклад, полімери - довгі ланцюжки з молекул. Іноді однакових, іноді різних. З'явилися каталізатори. Це молекули-помічники, молекули-посередники, що полегшують перебудову інших молекул. Через багато мільйонів років ми бачимо, що простенькі полімери стали поліпептидами. Пливуть довгі, складні, гіллясті нитки, що складаються з амінокислот. Їх тисячі варіантів. Але саме вражаюче - з'явився процес копіювання молекул - реплікація. Це формений еволюція. Раніше випадково виникла комбінація атомів, існуючи в одному екземплярі, не впливала на хід хімічної еволюції в цілому. До того ж вона могла в будь-який момент бути розбита шалений космічної часткою і "винахід" безповоротно втрачалося. Тепер, при тиражуванні молекул, "досвід" поширюється, а загибель деяких примірників не становить небезпеки.
3.4 Мутація
Реплікація не гальмує прогрес, як це може здатися, заповнюючи океан однотипними молекулами. Справа в тому, що при копіюванні іноді відбувається збій. Вихідну молекулу або її матрицю може що-небудь зашкодити. Наприклад, блиснула поблизу блискавка. Вийде "мутація", і травма починає друкуватися у всіх наступних копіях, давши початок нової серії молекул. "Мутанти" зовсім не завжди є шлюбом. Трапляється, що серед них знаходять цінні знахідки, що володіють перевагами перед оригіналами. Тому зовнішні сили не калічать молекули, а вносять у них невеликі зміни, як би з метою подивитися: що вийде? Результати цих стихійних експериментів природи оцінює практика. Природний відбір нещадно перекреслює всі мільйони "дурних" варіантів, залишаючи лише одиниці "розумних". У результаті мутації сприяють збільшенню різноманітності молекул і цим допомагають йти хімічної еволюції речовини.
3.5 Новий рівень еволюції
Проходять ще мільйони років. Природа "намацала" найліпші послідовності амінокислот в ланцюжках поліпептидів - з'явилися білкові молекули - майбутні цеглини живих організмів. Ускладнилася і стала досконаліше реплікація. Матриця тепер вже не механічна форма, а умовна, хімічна "запис" порядку амінокислот в білковій молекулі. Запис у вигляді портативної ланцюжка особливих молекул - нуклеотидів. Еволюція речовини піднімається на новий рівень. Довгі, химерно зігнуті нитки різних білкових молекул чіпляються один за одного і потроху збираються. Спочатку в невеликі грудочки, потім у більші грудки, схожі на клубки або краплі. У молекул, тісно зіштовхувалися в грудці, різні властивості. Іноді це призводить до можливості своєрідного їхньої співпраці. Наприклад, каталізатори, що опинилися в гущі молекул, можуть сприяти реакцій, корисним для грудки в цілому. Інакше кажучи, грудки білкових молекул виявляються в ряді випадків "системами", здатними до якоїсь внутрішньої діяльності. Але система системі ворожнечу. І звичайно, починається довгий шлях пошуків найбільш вдалих поєднань молекул в них. Вдаліше, наприклад, ті, в яких зовні розташувалися особливо міцні молекули. Вони служать механічним захистом іншим. Ліпше ті, до яких включено молекули, здатні реагувати на небезпечні домішки у воді. Вони служать хімічним захистом. Але найбільш цікаві ті варіанти, в яких опинився хороший набір каталізаторів. Тепер, правда, їх потрібно називати ферментами. У цих грудках починається більш-менш активний "обмін речовин" з навколишнім середовищем. Йде захоплення матеріалу, розщеплення молекул, іноді навіть з виділенням енергії, викидання відходів, відновлення пошкоджених молекул. Навіть реплікація - синтез білкових ланцюжків. Обмін речовин - властивість дуже прогресивне. Такий грудку виявляється дуже стійким перед різними руйнують зовнішніми впливами, незалежним, міцним, довговічним. При великій складності він стає дуже живучим - те, до чого прагне хімічна еволюція. Речовина в ньому, по суті, набуло деякі властивості живого! Еволюція білкових молекул призводить до їх спеціалізації. У одних, наприклад, краще йдуть реакції з отриманням енергії, інші чітко реагують на зміни температури, в третіх - добре налагоджена реплікація. І якщо ми знову пропустимо мільйони років, то виявимо в океані ще більше "гігантські" споруди, в кожному з яких мільйони молекул. Різні типи грудок увійшли до них у вигляді окремих деталей. Зараз біологи називають ці деталі органелами, а вся споруда в цілому - одноклітинним організмом.
Атоми - молекули - полімери - органели - одноклітинні істоти. Все йде в напрямку від простого до складного, до різноманітності структур, форм, властивостей. У живих організмах додалося найважливіше нове - могутнє прагнення до самозбереження, до довговічності. Потрібна поліпшена захищеність і краща озброєність в боротьбі за існування. Об'єднуючись, клітини цього досягають. Боротьба за існування, зокрема, сприяє збільшенню різноманітності форм у тваринному світі. Іноді куди вигідніше не вступати в бій з ворогом, а просто піти в іншу "екологічну нішу", змінити спосіб життя так, щоб, навіть залишаючись на тій же ділянці землі, ніколи і ні в чому не стикатися з ворогом. Перестати змагатися з ним. Не мати з ним нічого спільного. Протиставити супернику не силу, а якусь абсолютно особливу якість, яке дає нові можливості для існування. Пройде ще дуже багато часу і на Землі з'явиться людина. З'явиться, і змінить світ в якому живе. Він навчиться спостерігати за зірками, за планетами Сонячної системи, будувати космічні апарати і запускати їх в космос. Багато хто з цих апаратів сідають на поверхні планет і повертаються назад.
4. Пошуки життя у сонячній системі
Місяць - єдине небесне тіло, де змогли побувати земляни і грунт якого докладно досліджено в лабораторії. Ніяких слідів органічного життя на Місяці не знайдено.
Справа в тому, що Місяць не має і ніколи не мала атмосфери: її слабке поле тяжіння не може утримувати газ поблизу поверхні. З цієї ж причини на Місяці немає океанів - вони б зникли. Не прикрита атмосферою поверхню Місяця днем нагрівається до 130 ° С, а вночі остигає до -170 ° С. До того ж на місячну поверхню безперешкодно проникають згубні для життя ультрафіолетові і рентгенівські промені Сонця, від яких Землю захищає атмосфера. Загалом, на поверхні Місяця для життя умов немає. Щоправда, під верхнім шаром грунту, вже на глибині 1 м, коливання температури майже не відчуваються: там постійно близько -40 ° С. Але все одно у таких умовах життя, ймовірно, не може зародитися.
На найближчій до Сонця маленькій планеті Меркурій ще не побували ні космонавти, ні автоматичні станції. Але люди дещо знають про неї завдяки дослідженням із Землі і з пролітав поблизу Меркурія американського апарату «Марінер-10» (1974 і 1975 pp.). Умови там ще гірше, ніж на Місяці. Атмосфери немає, а температура поверхні змінюється від -170 до 450 ° С. Під грунтом температура в середньому становить близько 80 ° С, причому з глибиною вона, природно, зростає.
Венеру в недавньому минулому астрономи вважали майже точною копією молодої Землі. Будувалися здогади, що ховається під її хмарним шаром: теплі океани, папороті, динозаври? На жаль, через близькість до Сонця Венера зовсім не схожа на Землю: тиск атмосфери біля поверхні цієї планети в 90 разів більше земного, а температура і вдень, і вночі близько 460 ° С. Ходячи на Венеру опустилося декілька автоматичних зондів, пошуком життя вони не займалися: важко уявити собі життя в таких умовах. Над поверхнею Венери вже не так спекотно: на висоті 55 км тиск і температура такі ж, як на Землі. Але атмосфера Венери складається з вуглекислого газу, до того ж у ній плавають хмари з сірчаної кислоти. Словом, теж не найкраще місце для життя.
Марс не без підстав вважався придатною для життя планетою. Хоча клімат там дуже суворий (літнім днем температура становить близько 0 ° С, вночі -80 ° С, а взимку доходить до -120 ° С), але все ж це не безнадійно погано для життя: існує ж вона в Антарктиді і на вершинах Гімалаїв . Однак на Марсі є ще одна проблема - вкрай розряджена атмосфера, в 100 разів менш щільна, ніж на Землі. Вона не рятує поверхню Марса від згубних ультрафіолетових променів Сонця і не дозволяє воді знаходитися в рідкому стані. На Марсі вода може існувати тільки у вигляді пари і льоду. І вона дійсно там є, в усякому разі, в полярних шапках планети. Тому з великим нетерпінням всі чекали результатів пошуків марсіанського життя, зроблених відразу ж після першої вдалої посадки на Марс у 1976 р. автоматичних станцій «Вікінг-1 і -2». Але вони всіх розчарували: життя не була виявлена. Щоправда, це був лише перший експеримент. Пошуки тривають.
Клімат Юпітера, Сатурна, Урана і Нептуна абсолютно не відповідає нашим уявленням про комфорт: дуже холодно, жахливий газовий склад (метан, аміак, водень і т. д.), практично немає твердої поверхні - лише щільна атмосфера й океан рідких газів. Все це дуже не схоже на Землю. Проте в епоху зародження життя і Земля була зовсім не такою, як зараз. Її атмосфера швидше нагадувала Венеріанську і юпітеріанскую, хіба що була тепліше. Тому найближчим часом неодмінно буде здійснено пошук органічних сполук в атмосфері планет-гігантів.
Сімейство супутників, астероїдів і ядер комет дуже різноманітно за своїм складом. У нього, з одного боку, входить величезний супутник Сатурна Титан з щільною азотної атмосферою, а з іншого - дрібні крижані брили кометних ядер, більшу частину часу проводять на далекій периферії Сонячної системи. Серйозною надії виявити життя на цих тілах не було ніколи, хоча дослідження на них органічних сполук як попередників життя представляє особливий інтерес. Останнім часом увага екзобіологов (фахівців з позаземного життя) залучає супутник Юпітера Європа. Під крижаною корою цього супутника повинен бути океан рідкої води. А де вода - там життя.
У впали на землю метеоритах іноді виявляють складні органічні молекули. Спочатку була підозра, що вони потрапляють в метеорити із земної грунту, але тепер їх позаземне походження цілком надійно доведено. Наприклад, що впав в Австралії в 1972 р. метеорит Мерчісон був підібраний вже на наступний ранок. У його речовині знайшли 16 амінокислот - основних будівельних блоків тваринних і рослинних білків, причому лише 5 з них присутні в земних організмах, а решта 11 на Землі рідкісні. До того ж серед амінокислот метеорита Мерчісон в рівних частках присутні ліві і праві молекули (дзеркально симетричні одна одній), тоді як у земних організмах - в основному ліві. Крім того, в молекулах метеорита ізотопи вуглецю 12С и 13С представлені в іншій пропорції, ніж на Землі. Це, безперечно, доводить, що амінокислоти, а також гуанін і аденін - складові частини молекул ДНК і РНК, можуть самостійно формуватися в космосі.
Отже, поки в Сонячній системі ніде крім Землі, життя не виявлено. Вчені не мають на цей рахунок великих надій; швидше за все Земля виявиться єдиною живою планетою. Наприклад, клімат Марса в минулому був м'якшим, ніж зараз. Життя могла там зародитися і просунутися до певного щабля. Є підозра, що серед потрапили на Землю метеоритів деякі є давніми уламками Марса, в одному з них виявлені дивні сліди, можливо належать бактеріям. Це ще попередні результати, але навіть вони привертають інтерес до Марса.
Висновок
У певних умовах, сприятливих для створення життя, первозданні хімічні атоми і молекули перемішалися і були «випробувані» природою.
Еволюція йшла в напрямку створення нових, все більш складних і при цьому міцних молекул.
Атоми - молекули - полімери - органели - одноклітинні істоти. Все йде в напрямку від простого до складного, до різноманітності структур, форм, властивостей.
Надалі утворилися такі форми і властивості молекул, які зробили речовина істотою - природа дійшла до виникнення життя.
Головні для її зародження обставини - це стабільне випромінювання зірки; певну відстань від планети до світила, що забезпечує комфортну для життя температуру, кругова форма орбіти планети, можлива лише в околицях відокремленої зірки (тобто одиночної або компонента дуже широкої подвійної системи).
Шансів знайти активну біосферу в Сонячній системі мало, і зовсім незрозуміло, як шукати її і в інших планетних системах. Але якщо десь життя досягла розумної форми і створила технічну цивілізацію, подібну земний, то можна спробувати вступити з нею в контакт; для створеної людьми техніки це вже реальне завдання.
Список літератури
1. Енциклопедія для дітей. Т. 8. Астрономія. - М. Д. Аксьонова. - М.: Аванта +, 1997.
2. Астрономія: Підручник для 11 класу середньої школи. - М.: Просвещение, 1990.
3. Внутрішня будова землі і планет. - В. Н. Жарков. - М.: Наука, 1978.
4. Чи самотні ми у Всесвіті? - П.В. Клушанцев.: Дет. Літ. 1981.