Физика/9. Астрофизика и космические лучи

Ларченко В.М., Джафаров Т.А.

ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» Лесосибирский филиал, Россия

Тайны жизни

Жизнь зародилась из неорганической материи в космосе или она возникла на Земле? Эта дилемма обязательно встаёт перед исследователем, заинтересовавшимся проблемой происхождения жизни. Факт остаётся фактом – мир зародился материальным путём, а не духовным.

Существуют различные вариации того, как именно жизнь попала на Землю, и самая известная из них – теория панспермии. Согласно ей жизнь широко распространена в межзвёздном пространстве, но поскольку там нет условий для развития, живая материя превращается в спермии, или споры, и таким образом перемещается по космосу. Миллиарды лет назад кометы занесли спермии на Землю, где сложилась благоприятная для их активации среда. Спермии – это мелкие зародыши, способные выдерживать большие перепады температур, космическое излучение и другие, губительные для живого, факторы внешней среды.

Вторая часть дилеммы – как из неорганической материи возникла жизнь. По мнению учёных, синтез живой клетки – не за горами, это дело техники и вопрос времени. 4,5 миллиардов лет назад земная поверхность была тектонически нестабильной во много раз больше, чем сейчас. Водоёмы были богаты соединениями органики, а тепло позволяло проводиться химическим реакциям. Постепенно складывалась атмосфера, богатая азотом, углекислым газом и парами воды. Обилие парниковых газов вызвало потепление всей планеты. В таких условиях происходил синтез живого вещества.

Уже на ранних этапах проявилась одна из главных черт живой материи – приспосабливаемость к условиям среды. Ранняя атмосфера мало содержала свободного кислорода, озон был в дефиците, и Земля купалась в ультрафиолетовых лучах, смертельных для живого.

Для синтеза живого из неживого на начальном этапе в атмосфере и водоёмах планеты должны присутствовать простые органические и неорганические соединения: аммиак, углерод, водород, сера, кислород, вода, угарный газ, азот. Именно эти вещества участвуют в синтезе более сложных компонентов органики, а, значит, живой клетки. Но для этих процессов атмосфера должна была быть метаново-аммиачной. Но откуда могли взяться метан и аммиак? Земная кора возникла очень рано, в первые 50-100 миллионов лет после образования планеты, и была по преимуществу металлической. В таком случае мантия действительно должна была выделять метан и аммиак в достаточном количестве для создания восстановительных условий. Разложение метана под действием ультрафиолета могло привести к созданию в верхних слоях атмосферы аэрозоля из частиц органики, которые поглощали солнечную радиацию и защищали восстановительную среду планеты.

Постепенно процесс восстановления прекращается, который заменяется окислением мантии, что привело к выделению из неё углекислого газа и смене состава атмосферы. Но к тому времени среда для жизни уже была подготовлена.

Первожизнь могла зародиться вокруг вулканов водоёмов, где постоянно извергались потоки ядовитых газов – курильщики. Здесь ускоренно проводились различные реакции, приводящие к образованию сложных органических соединений.

Органика могла проникать на Землю с помощью комет, состоящих в основном изо льда, но также аммиака, формальдегида, цианида, водорода, цианоацетилена, аденина и других соединений, необходимых для абиогенного синтеза аминокислот, нуклеиновых и жирных кислот – основных компонентов клетки. Наблюдения подтверждают, что в космических и межзвёздных пылевых облаках есть органика и даже аминокислоты.

Как видно, условий для зарождения жизни очень много. Хотя эта первая жизнь – примитивна, но её эволюция приводит к образованию более сложных форм жизни. Но вопрос остаётся вопросом: как на земле появилась эта примитивная жизнь? Обе теории происхождения жизни, и панспермия и абиогенез, дают ответы. А, может быть, эти теории работают вместе?

Как известно на Земле обитает огромное количество живых организмов. И, может быть, одни из них зародились путём абиогенеза, а другие – панспермии, а эволюция привела к их приспособлению друг к другу, что привело к выравниванию генетических признаков? Может появление одних форм жизни сменялось появлением других?

Поисками определения жизни занимаются не только философы, но и учёные. Такое определение необходимо биохимикам, чтобы понять: а что же получилось в пробирке – живое или неживое? Палеонтологам, изучающим древнейшие горные породы в поисках начала жизни. Экзобиологам, ищущим организмы внеземного происхождения. Дать определение жизни непросто.

Что характерно только для живого организма? Может быть набор внешних признаков? Может жизнь нечто более мягкое, двигается и издаёт звуки. В это примитивное определение не попадают растения, микробы и ещё многие организмы, потому что они молчат и не двигаются.

Можно рассматривать жизнь с химической точки зрения как материю, состоящую из сложных органических соединений: аминокислот, белков, жиров. Но тогда и простую механическую смесь этих соединений следует считать живой, что неверно. Стэнли Миллер в своих знаменитых опытах по абиогенному синтезу смешал водород, метан, аммиак и водяные пары, потом пропускал нагретую смесь через электрические разряды и охлаждал. Через неделю в колбе образовалась коричневая жидкость, содержащая семь аминокислот, и в том числе глицин, аланин и аспаргиновую кислоту, входящие в состав клеточных белков. Но этот «бульон» не является живым.

Более удачное определение, по которому в целом существует научный консенсус, связано с уникальными функциями живых систем. Способность к размножению, когда потомкам передаётся точная копия наследственной информации, присущая всей земной жизни, причём даже самой её частице – клетке. Вот почему клетку принимают за единицу измерения жизни. Слагаемые же клетки: белки, аминокислоты, жиры, ферменты – взятые по отдельности, живыми не будут. Отсюда следует важный вывод о том, что успешные опыты по синтезу этих веществ нельзя считать ответом на вопрос о происхождении жизни. В этой области произойдёт революция, только когда станет ясно, как возникла целая клетка. Без сомнения, первооткрывателям тайны вручат Нобелевскую премию.

Помимо функции размножения есть ряд необходимых, но недостаточных свойств системы для того, чтобы называться живой.

Живой организм может приспосабливаться к изменениям в окружающей среде на генетическом уровне. Благодаря изменчивости жизнь сохранилась на ранней Земле, во время катастроф и в суровые ледниковые периоды. Примером может служить обычная плесень. Если провести с ней опыт, то можно заметить, что она приспосабливается к различным средам органического и неорганического происхождения. Плесень живёт на продуктах питания и в обычном сульфате цинка, который является достаточно опасным веществом. Одноклеточные организмы приспосабливаются к изменяющимся условиям, а многоклеточные организмы фактически не способны в связи с причиной своего сложного строения. Хотя, есть один удивительный момент – плесень – многоклеточный организм, но смога приспособится к этим условиям.

Важное свойство живой системы – каталитическая активность, то есть умение проводить только определённые реакции. На этом свойстве основан обмен веществ – выбор из окружающей среды нужных веществ и элементов, их переработка и получение энергии, необходимой для дальнейшей жизнедеятельности. Схема обмена веществ, которая представляет собой не что иное, как алгоритм выживания, зашита в генетическом коде клетки и через механизм наследования передаётся потомкам. Химикам известно много систем с каталитической активностью, которые, однако, не умеют размножаться, и потому их нельзя считать живыми.

Любой живой организм обладает ещё одним отличительным свойством – необходимостью в питании. Живой организм постоянно нуждается в питании: кто-то питается водородом, другой – сложной органикой, третий – радиоактивными элементами. Питание позволят живому организму сохранять свою жизнеспособность.

Другой отличительный фактор – это выделение живым организмом продуктов жизнедеятельности: метан, кислород, озон, водород и другое. Самое интересное то, что эти «отходы» являются продуктами питания других организмов. Тем самым образуется пищевая цепочка в биологических системах.

Понятие «жизнь» на первый взгляд кажется простым, но такое мнение – ошибочно. Это определение образуют множество факторов, в совокупности дающие ответ на вопрос: что такое жизнь.