Зеленая энергия - популярно об экологии, химии, технологиях

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта

Возникновение жизни

Печать

Чтобы более четко представить себе, как сложилась биосфера со своими свойствами, познакомимся в общих чертах с современными воззрениями на вопрос о возникновении жизни на Земле.

По теории А. И. Опарина, жизнь на Земле возникла в процессе закономерного развития материи. Считается, что Земля вместе с другими планетами солнечной системы образовалась 5—7 миллиардов лет тому назад. Вначале она была холодной, а затем в результате радиоактивного распада разогрелась и расплавилась. В это время на Земле не было никаких химических соединений. Материя существовала в виде разрозненных атомов водорода и гелия. Постепенно, в процессе ядерных реакций, водород и гелий превращались в атомы новых элементов. По мере охлаждения Земли и формирования земной коры образовывались такие простейшие химические соединения, как метан (СН4), циан (CN), аммиак (NH3), водяные пары и другие вещества. Возникла первичная атмосфера, но свободного кислорода и азота в ней еще не было.

Большинство исследователей до 1960 года склонялись к мысли, что жизнь на Земле возникла 2—2,5 миллиарда лет тому назад. Однако последние данные, полученные Саганом, свидетельствуют о том, что уже 3,5 миллиарда лет назад в атмосфере Земли было много свободного кислорода. А мы уже знаем, что наличие свободного кислорода в атмосфере—признак наличия живой материи. Возраст земной коры не превышает 4,5 миллиарда лет. Значит, жизнь должна была возникнуть до того, как атмосфера стала окисленной, до появления в ней свободного кислорода, т. е. в течение первого миллиарда лет существования земной коры. Поэтому возраст жизни на Земле исчисляется Саганом в 4,2±0,2 миллиарда лет. В дальнейшем мы и- будем придерживаться этих данных.

Образование сложных органических соединений могло произойти при воздействии электрических разрядов на смесь метана, водорода, аммиака и паров воды, имевшихся в первичной атмосфере Земли. Кроме того, в такой же смеси под действием ультрафиолетовой радиации могли образовываться аминокислоты. Подобные реакции в настоящее время уже воспроизводятся в лабораторных условиях.

Именно ультрафиолетовому излучению Солнца и принадлежит решающая роль в образовании первичных органических соединений, так как через неокисленную атмосферу эти лучи беспрепятственно проникали до земной коры. В настоящее время, когда жизнь продуцирует огромное количество кислорода, его молекулы на высоте примерно от 20 до 45 километров над уровнем моря под влиянием солнечной радиации превращаются в озон (О3), слой которого образует своего рода экран, задерживающий ультрафиолетовую часть солнечного спектра.

Первоначально органические вещества находились в атмосфере. Когда температура земной коры понизилась до 100 градусов и ниже, пары воды излились дождями. Образовался первичный океан, в который вместе с потоками воды попали и органические соединения. Из недр Земли в первичный океан проникал углекислый газ, вступавший в соединение с метаном и аммиаком. Путем сложных химических реакций в водах могли возникнуть высокомолекулярные азотистые соединения, подобные белку. Эти белковоподобные вещества и явились тем материалом, из которого могла возникнуть сложная белковая молекула.

С такой точкой зрения на пути возникновения органических соединений на Земле соглашается большинство исследователей. Расхождения имеются в деталях: одни считают, что первичные белковоподобные молекулы появились в водах первичного океана, другие —во влажных почвах, третьи — в зоне приливов и отливов. Но все эти ученые сходятся в одном — органические белковоподобные соединения возникли во влажной среде.

В общих чертах воззрения Опарина на образование первичных живых организмов из органического вещества могут быть сведены к следующему. В растворах белковые вещества обособлялись в виде капелек, коацерватов, состоявших из крупных сложных молекул. Находясь в воде с большим количеством органических соединений, коацерваты могли поглощать эти соединения, увеличиваться в размерах, делиться на части. Одни из коацерватов росли и размножались, другие разрушались и исчезали. Они еще не были живыми существами, но первый шаг по пути к возникновению живых организмов уже был сделан. На протяжении миллионов лет коацерваты все более и более упорядочивались в своем строении. В силу вступил естественный отбор, который неумолимо приводил зарождавшиеся живые существа к более высокой организации.

В конце концов у коацерватов появились новые качества: они начали питаться, дышать, расти и размножаться, передавая свои свойства последующим поколениям. Возникли первые живые существа, положившие начало всему разнообразию органической материи. «Современный процесс эволюции живых существ в принципе представляет собою не что иное, как ряд дальнейших звеньев той непрерывной цепи превращений материи, начало которой уходит к наиболее ранним стадиям существования Земли»,— пишет академик Опарин.

Другое представление о возникновении жизни на Земле, базируясь на последних достижениях молекулярной биологии, данные которой Опарин не мог еще использовать при разработке своей теории, ставит под сомнение правильность сведения сущности жизни к обмену веществ. И действительно, обмен веществ в его простейших формах можно наблюдать в растворах, т. е. в неорганической среде.

За последние десятилетия огромнейших успехов достигла молекулярная биология, генетика. Выявлена решающая роль нуклеиновых кислот в передаче наследственной информации от родителей к потомству. Причем механизм передачи наследственности оказался одинаковым и у низших форм живых существ, и у высших организмов. Поэтому вполне правильно считать, что существеннейшим признаком жизни является свойство «тождественного воспроизводства» при помощи такой управляющей системы, как молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Обмен веществ в организме также регулируется управляющими системами, основная роль в этом процессе принадлежит нуклеиновым кислотам. Обмен веществ в таком случае понимается как способ поддержания жизнедеятельности организма. И. С. Шкловский, основываясь на работах А. А. Ляпунова и А. Н. Колмогорова, пишет: «При ... понимании обмена веществ как способа поддержания жизнедеятельности организма становится довольно ясной несостоятельность старых представлений, фактически отождествляющих жизнь с обменом веществ. Такое отождествление, на наш взгляд, решительно ничего не дает для понимания сущности жизни». При подобной постановке вопроса и сама проблема о возникновении жизни должна рассматриваться несколько в ином аспекте, чем это делает Опарин.

Важнейшим признаком организмов следует считать способность к самовоспроизведению и саморегуляции синтеза органических веществ. Поэтому можно предположить, что начальным этапом жизни явилось возникновение таких молекул, которые могли воспроизводить себе подобных за счет других, более простых молекул из окружающей среды. Это, видимо, были молекулы нуклеиновых кислот, в современных организмах они находятся в клетке и в основном ядре. По-видимому, нуклеиновые кислоты в комплексе с белком являются тем первичным субстратом, который обеспечил с самых ранних этапов программирование эволюции живых систем. В ходе исторического развития органического мира нуклеиновым кислотам выпала весьма существенная роль в определении специфики живых организмов.

Нуклеиновые кислоты — это сложные биополимеры, состоящие из нуклеотидов. Имеются два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Рибонуклеиновая кислота в зависимости от выполняемой функции подразделяется на информационную, или матричную (и-РНК), транспортную (т-РНК) и рибосомальную (р-РНК). Молекула ДНК состоит из двух комплементарных, спирально закрученных цепей. Каждая цепь—полинуклеотид, в состав которого входят четыре разных нуклеотида, отличающихся друг от друга азотистыми основаниями: аденин (А), тимин (Т), цитозин (Ц) и гуанин (Г). Молекула РНК состоит из одной цепи — полинуклеотида, в состав которого также входят четыре азотистых основания, но тимин замещен урацилом (У).

Особенности строения молекулы РНК, участие рибонуклеотидов в самых разнообразных звеньях обмена, присутствие РНК во всех без исключения морфологических системах протоплазмы, подверженность ее сильным количественным изменениям — эти и многие другие факты свидетельствуют о первичности РНК в эволюции живых организмов.

У некоторых вирусов обнаружена только РНК. Вероятно, вирусы, содержащие только одну нуклеиновую кислоту (РНК), и нужно рассматривать как начало жизни.

До недавнего времени считалась догмой схема Д. Уотсона и Ф. Крика по реализации наследственной информации: ДНК-РНК-белок-признак. В 1970 году открыт фермент ревертаза, с участием которого идет синтез на РНК молекулы ДНК. Это открытие имеет большое значение и для объяснения первичности РНК. По-видимому, вначале появилась молекула РНК, а на ней синтезировалась ДНК — носитель генетической информации.

Начался процесс размножения, при котором происходило самовоспроизведение ДНК и передача наследственной информации от родителей к потомству. Иначе говоря, появился существеннейший признак жизни: новый возникающий организм получал от своих родителей необходимый для его жизнедеятельности запас информации и первоначальную управляющую систему.

Наследственная информация в молекуле ДНК запрограммирована в генетическом коде, представляющем последовательную сумму нуклеотидов на одной цепи молекулы ДНК. Генетический код включает в себя гены, т. е. определенные участки цепи молекулы ДНК, несущие информацию о структуре молекулы белка определенного типа. Кроме структурных генов, дающих информацию о структуре белка, на молекуле ДНК есть гены «служебные», которые не несут информации о белковой структуре, а регулируют ее синтез.

В настоящее время известны две формы генетической организации на Земле: прокариотическая, представленная бактериями, сине-зелеными водорослями и вирусами, не имеющими оформленного ядра, и эукариотическая, к которой принадлежат животные и растения, имеющие истинное ядро. Геном прокариотов в наиболее типичных случаях заключается в кольцевой ДНК, фиксированной на клеточной мембране (репликаторе). ДНК у эукариотов находится в хромосомах ядра, поэтому репликация начинается во многих точках (полирепликонные структуры). Считается, что отдельные генетические элементы возникли раньше, чем хромосомные структуры. В первичных клетках, вероятно, существовало множество идентичных элементов, определяющих какой-либо признак. В процессе эволюции увеличивалось число генетических матриц, что приводило к увеличению клеточной массы. Отбор благоприятствовал уменьшению числа одноименных элементов посредством объединения их в хромосомные структуры. Предполагается, что каждый первичный организм содержал ДНК-кольцо.

При преобразовании кольцевых структур в линейные возникали полирепликонные структуры, давая начало эукариотическому геному. Современные прокариоты с кольцевой ДНК остались как бы в стороне от прогрессивной эволюции. При раскопках находят бактерии, почти не отличающиеся от ныне живущих, но возраст которых исчисляется миллионами лет.

Примечательно, что все живые белки состоят из 20 аминокислот, а всего их известно свыше 100. Можно предположить, что в первичном океане, в водах которого находилось уже большое количество органических соединений, возникла и молекула РНК. Эта молекула начала строить по своей программе соответствующие белки из большого количества аминокислот, но смогла освоить лишь 20 из них и при этом только с левой симметрией. С этого момента и начинается бурный процесс размножения первичных живых существ.

Мощное ультрафиолетовое излучение Солнца, свободно проникающее через неокисленную атмосферу Земли в воды первичного океана, где уже находились молекулы РНК, синтезирующие белок, вызвало интенсивный процесс мутаций. В результате отдельные первичные существа оказались в неодинаковых условиях. В силу вступил естественный отбор. В этом отношении интересна точка зрения А. А. Ляпунова: «Из кибернетики (и не только кибернетики) хорошо известно, что всякая передача информации происходит на фоне помех, частично ее искажающих. Не составляет исключения и передача наследственной информации. В этом случае искажения в передаче информации носят название «мутаций». Под влиянием таких «искажений при передаче» действие управляющей системы может измениться. Это повлечет за собой изменение сохраняющих реакций, что в свою очередь приведет к изменению характера взаимодействия организма с окружающей средой. Такие изменения могут радикально изменить как в ту, так и в другую сторону вероятность сохранения данного индивидуума в борьбе за существование. Последнее обстоятельство является движущей силой естественного отбора».

Так на Земле возникло живое вещество — сложная белковая молекула с управляющей системой. Эта управляющая система включает в себя механизм передач и наследственной информации. Но так как при передаче информации неизбежно -возникают помехи, живое вещество подвержено мутациям. Начинается эволюция, в процессе которой образуются все новые и более высокоорганизованные формы живой материи. Естественно, что для эволюции живой материи от простейших форм до разумных существ требуются огромные промежутки времени, прежде всего потому, что движущие силы эволюции — мутации и естественный отбор — проявляются случайно. «Именно через огромное количество случайных процессов реализуется закономерное развитие от низших форм жизни к высшим» (И. С. Шкловский).

Конечно, нельзя переоценивать случайность в эволюции. «Направление эволюции,— пишет М. С. Гиляров,— благодаря многообразным коррелятивным связям приобретает характер автоматически регулируемого процесса, отдельные этапы которого связаны по принципу сложной положительной обратной связи...». Это значит, что изменение любого из звеньев в сложной цепи взаимосвязанных явлений и процессов живой природы влечет за собой ряд коррелятивных изменений других явлений и процессов, которые в свою очередь приводят к усилению исходного изменения. «Такая автоматическая регуляция филогенетических изменений объясняет, во-первых, необратимость филогенетических изменений организации... а во-вторых,—ускорение эволюционного процесса, поскольку изменение любого звена в цепи регулируемых обратной связью явлений ведет к дальнейшему усилению и того исходного звена, где впервые возникает изменение».

И действительно, жизнь на Земле развивается уже около 4,2 миллиарда лет. Но лишь с появлением человека и развитием его головного мозга протекание эволюционных процессов значительно ускорилось. Достаточно сопоставить такие цифры: эпоха палеолита длилась сотни тысяч лет, а от каменного до атомного века прошло всего несколько тысячелетий.

Таковы точки зрения на вопрос о возникновении жизни на Земле. Мы еще не имеем достаточно точных данных, чтобы с достоверностью утверждать, какая из них является наиболее правильной. Пока ясно только следующее: живая материя возникла из неживой под действием физических факторов среды; органические вещества, взаимодействуя друг с другом и с элементами неорганической среды, усложняются, и в конце концов образуются ферменты и примитивные вирусоподобные организмы, живые существа.

 

От примитивных живых существ до высокоорганизованных растений и животных

Жизнь на Земле могла развиваться как особая форма круговорота веществ, который непрерывно изменяет общий облик нашей планеты. Но такой круговорот связан с большим разнообразием живых организмов, так как каждый организм потребляет из окружающей среды одни вещества, а возвращает в среду другие (продукты обмена), уже непригодные для такого же организма. Одни организмы должны потреблять вещества непосредственно из неорганической среды, другие — использовать продукты, выделенные первыми, третьи — вторыми и так до последнего звена, когда уже переработанные одними живыми организмами вещества другими существами возвращаются в свое первоначальное состояние и выделяются во внешнюю среду. Отсюда и возникает необходимость сосуществования различных организмов, способных использовать продукты жизнедеятельности друг друга.

Первые живые организмы существовали вначале за счет органических соединений, имевшихся в изобилии вокруг них. Они буквально плавали в «питательном бульоне» из органических молекул. Это были типичные гетеротрофные организмы. Энергию они могли получать за счет брожения органических молекул. Эти первые гетеротрофные организмы (грубо говоря, животные) могли существовать до тех пор, пока в водах первичного океана имелся достаточный запас органических веществ. В процессе эволюции первичные гетеротрофы развивались все более интенсивно и в конце концов должны были бы полностью уничтожить находившиеся в растворе органические соединения.

Но прежде чем это произошло, какая-то, вначале небольшая, часть гетеротрофов в процессе ряда последовательных мутаций превратилась в автотрофов, способных синтезировать необходимые им органические вещества из неорганической материи. Образовалась молекула хлорофилла. Возникли зеленые растения — типичные автотрофы. Начался сложный процесс — фотосинтез. С появлением фотосиитезирующих организмов (зеленых растений) биогенный круговорот веществ приобрел современный характер. Фотосинтезирующая деятельность автотрофов в корне изменила условия существования организмов на Земле. Эти изменения прежде всего связаны с выделением газообразного кислорода как побочного продукта фотосинтеза.

Академик Н. Г. Холодный в 40-е годы нашего столетия разработал оригинальную гипотезу о возникновении жизни на Земле. В общих чертах взгляды Холодного могут быть изложены следующим образом.

По мере накопления в водах первобытной Земли органического вещества создавались все более благоприятные условия для возникновения коллоидальных образований — коацерватов. Наиболее высокой концентрации органические вещества могли достигнуть в постепенно усыхающих мелких материковых водоемах. Именно здесь и образовались коацерваты, которые в процессе своего дальнейшего развития, обладая способностью к поглощению и адсорбции различных веществ из окружающей среды, превратились в пробионтов — «последних предшественников простейших первичных живых существ — архебионтов».

Началом образования биосферы и появления первых зародышей жизни на Земле был период полного высыхания многочисленных материковых водоемов с населяющими их пробионтами. Оставшиеся на дне в виде осадка минеральные вещества вместе с остатками разрушившихся коацерватов образовали первобытную почву. Резкое изменение условий существования и явилось толчком, который перебросил пробионтов на высшую ступень эволюции, «сделал их подлинно живыми существами — архебионтами». Архебионты представляли собой тонкие слизистые пленки коллоидного вещества, распростертые на поверхности почвы, имевшие «весьма отдаленное сходство с протоплазмой современных простейших организмов». Питание они получали из атмосферы, содержавшей в то время углеводороды и аммиак.

Кислород, азот и углекислый газ появились в атмосфере как продукты жизнедеятельности первичных организмов, среди которых все большую роль стали играть фотобионты, получавшие необходимую энергию от Солнца. Вследствие уменьшения в атмосфере содержания углеводородов и аммиака и конкуренции с фотобионтами архебионты, питавшиеся лишь готовыми органическими веществами, вынуждены были переселиться в глубину почвы, где дали начало бактериям. Фотобионты — это уже фотосинтезирующие организмы.

Третий этап — появление организмов, осуществлявших фотофосфорилирование. Это процесс прямого использования солнечного света для выработки аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). АТФ в организме превратилась в универсальный донатор энергии, аккумулятор ее. Эта энергия стала использоваться организмом во всех звеньях обмена веществ, требующих затраты энергии. С этого момента обменные реакции в организме протекают на более высоком уровне, что послужило мощным толчком к эволюции живых существ на Земле. Четвертый этап развития живой материи — фотосинтез, при котором в качестве побочного продукта выделяется молекулярный кислород. Именно таким путем кислород попадает в атмосферу Земли.

Другие формы жизни могли возникнуть лишь тогда, когда концентрация кислорода в атмосфере достигла определенного уровня. Лишь с этого момента возможно появление аэробных организмов. С этих пор дыхание (с поглощением кислорода и выделением углекислоты) и процесс фотосинтеза (с выделением кислорода и поглощением углекислоты) противостоят друг другу, причем с течением времени, вероятно, как указывает Дж. Уолд, между ними установилось равновесие.

Но так как кислород в атмосфере был уже 3,5 миллиарда лет тому назад, то в это время живая материя находилась уже на четвертом этапе своего развития. А первые три этапа она должна была пройти задолго до этого. Следует также учесть, что эволюция низкоорганизованных форм живой материи протекает значительно медленнее, чем высокоорганизованных.

«Эволюция совершалась с нарастающей скоростью,— пишет В. Холличер.— Около 400 миллионов лет продолжалось развитие костистых рыб до их стадии совершенного развития. 350 миллионов лет длилось прогрессирующее преобразование форм наземных позвоночных. В течение 150 миллионов лет усовершенствовались птицы и млекопитающие. За последние 50 миллионов лет возникли важнейшие отряды млекопитающих. И самое большее два миллиона лет назад человек начал устанавливать свое господство над всем животным миром».

На основании изложенного напрашивается следующий вывод: геологический возраст Земли, т. е. образование на нашей планете твердой коры, исчисляется в 4,5 миллиарда лет; кислород в атмосфере появился 3,5 миллиарда лет тому назад; со времени формирования земной коры до появления в атмосфере молекулярного кислорода прошел 1 миллиард лет. Жизнь должна была возникнуть на Земле именно в течение этого миллиарда лет, т. е. до того, как атмосфера стала окисленной. За этот миллиард лет живая материя должна была пройти три этапа развития до появления автотрофных фотосинтезирующих организмов. Поэтому возраст жизни, указанный Саганом в 4,2 миллиарда лет, по-видимому, наиболее вероятен. Отсюда широко распространенное мнение о том, что Земля больше половины времени своего существования была безжизненной планетой, является сомнительным. По всей вероятности, жизнь на Земле возникла вскоре после образования на ней твердой коры.

Геологической истории Земли, т. е. моменту появления твердой коры, предшествовала так называемая космическая эра, когда Земля формировалась из космического материала. Этот процесс рождения Земли начался 7 миллиардов лет назад.

Приведенная геохронологическая летопись Земли составлена в общепринятых цифрах. Заметим, что в скором времени в нее, по всей вероятности, будут внесены на основании новейших исследований существенные коррективы.

Довольно наглядна эта геохронологическя летопись Земли в остроумной схеме, предложенной Я. Шуром. Вся история Земли представлена в виде календаря, состоящего из 365 дней. Если сократить продолжительность каждой эры до соответствующего числа дней, то получится весьма интересная картина: Космическая эра длилась 183 дня Археозойская — 83 Протерозойская — 69 Палеозойская — 18 Мезозойская — 8 Кайнозойская—3 дня и 14 часов Человек существует 1 час 15 минут

«В этом масштабе времени,— пишет Шур,— земледелие, насчитывающее около 8000 лет, существует только полминуты, а от промышленного переворота XVIII столетия и начала «века машин» прошла одна секунда».

Мы проследили в общих чертах и очень кратко, для будущих поколений, может быть, чрезвычайно наивно, путь становления и развития жизни на Земле от примитивных живых существ до современных организмов. В дальнейшем мы будем в основном рассматривать лишь формы взаимоотношений между современными зелеными растениями и животными, оставляя в стороне все многообразие земных организмов и их многочисленные сложные связи друг с другом и с неорганической средой. Сделали мы такой экскурс в далекое прошлое нашей планеты для того, чтобы читатель мог более четко представить себе то место, которое занимают животные и растения на Земле, и ту роль, которую они играют в биосфере.

 

Интересно знать

Департамент энергетики США отобрал 37 исследовательских проектов в области хранения энергии, энергии биомассы, захвата диоксида углерода и ряда других направлений. Среди них - новые металловоздушные батареи на основе ионных жидкостей с плотностью энергии превышающей в 6-20 раз плотность энергии обычных литиевых аккумуляторов, а так же проект по получению бензина непосредственно из солнечного света и CO2 используя симбиоз двух микроорганизмов.

mobil 1 esp formula 5w 30 mobil esp formula 5w30 отзывы
 
Кришка багажника купить запчасть 5P8827024 Skoda Audi Volkswagen Seat
 
http://myhitmp3.top/mp3/atfc+feat+hannah+williams%E2%80%93no+victim+song+original+mix
 
bitcoin hide funds