книги из ГПНТБ / Камшилов, М. М. Эволюция биосферы

бесконечно и количество информации, которое в прин­ ципе может быть пз нее извлечено. Однако отдельные аспекты информации поддаются математической обра­ ботке, что вселяет надежду па то, что не только ве­ щество и энергия, по и степень организованности в конце концов получит удовлетворительную относитель­ ную количественную оценку.

Вернемся, однако, к проблеме возникновения с-ложпого из относительно простого. Для этого требуется соблю­ дение следующих условии.:

1. Наличие массы относительно простых компонентов.

2.Принципиальная способность компонентов к образова­ нию связен.

3.Источник энергпи, обеспечивающий взаимодействие между компонентами.

4.Условия, благоприятствующие некоторой стабильности вновь образующихся систем.

Для обеспечения многостадпйностп процесса помимо перечисленных четырех условий требуется еще пятое — сохранение возможности участия вновь возникшей орга­ низации в дальнейших эволюционных преобразованиях.

В случае преобразования водородного облака соблю­ дались все пять условий:

1.Водород — самый распространенный элемент во Вселенной.

2.Экспериментально доказана способность водорода превращаться при высоких температурах в гелий. Ядерный синтез лежит в основе взрывной реакции водород­ ной бомбы.

3.Источником энергпи синтеза служат силы грави­ тации, переходящие в тепловую энергию движения ато­ мов, а также особые условия, создающиеся при взрывах звезд, ведущих к образованию сверхновых звезд.

4.Относительная стабильность вновь возникших хи­ мических элементов обеспечивается, во-первых, внутри­ ядерными силами и, во-вторых, выбросом в космическое пространство при взрывах звезд.

5.Выброс некоторой части тяжелых элементов в Кос­ мос — -предпосылка их участия в дальнейшей эволюции

Только выброшеипое в межзвездную среду вещество про-

20

должает участвовать в дальнейшей эволюции звёзд и ту­ манностей» ,8.

Возникновение сложных химических элементов из во­ дорода, таким образом, длительный, сложный и много­ ступенчатый процесс. Их структура п распространен­ ность — результат циркуляции веществ между звездами и межзвездной средой, своеобразного космического кру­ говорота веществ, а также отражение космической ис­ тории их формирования.

Возникновение более сложной организации из относи­ тельно простой, следовательно, представляет собой зако­ номерную интеграцию в небольшом объеме особенностей эволюции больших материальных систем. Прогрессивное развитие, характеризующееся возникновением сложного из простого, представляет собой в своей сущности процесс интеграции рассеянной информации.

Планетарные предпосылки развития жизни

Образование химических элементов в недрах звезд — закономерный процесс эволюции материи. Но для ее даль­ нейшего развития в направлении жизни необходимы пла­ нетарные системы с условиями, благоприятными для воздшкновенпя живого.

Первое условие: жизнь может развиться на планете, масса которой не превышает определенной величины. Так, если масса планеты превысит V20 массы Солнца, на ней начнутся интенсивные ядериые реакции, подни­ мется температура, она начнет светиться. Даже планета с массой, составляющей 0,01 массы Солнца, по своим температурным дапным непригодна для развития жизии. Планета, имеющая массу 0,001 массы Солнца, будет хо­ лодной, но в ее атмосфере сохранится водород, аммиак, метай в соотношениях, характерных для Космоса, а лучи Солнца не смогут проникать сквозь мощную атмосферу. Таковы Юпитер, Сатурн и другие крупные планеты сол­ нечной системы. Следовательно, планеты большой массы непригодны для развития жизии.

" Л. Аллср. Распространенность химических олемситов. М., ИЛ, 1963,

стр. 352.

21

Другая крайность — планеты малой массы типа Мер­ курия и Лупьт. Они в силу слабой нитеисивпостп тяго­ тения не способны удерживать в течение длительного времени атмосферу, необходимую для развития жизни. Из планет солнечной системы первому условию, таким об­ разом, удовлетворяют лишь Земля, Вепера и в меньшей степени Марс. А. И. Опарин и В. Г. Фесенков 19 оце­ нивают вероятность встречп в Космосе планеты подходя­ щей массы в один процент.

Второе важное условно — относительное постоянство и оптимум радиации, получаемой от центрального светила. Для соблюдения этого условия планета должна иметь орбиту, приближающуюся к круговой, ее расстояние от звезды не должно быть слишком малым или слишком большим. Наконец, центральное светпло должно харак­ теризоваться относительным постояпством пзлучеттпя. Пе­ ременные и тем более взрывающиеся звезды явно не под­

циаппп) дают велпчпну. равную 0,001%. Это значит, что лишь около одной из 100 000 звезд пли, как полагают А. И. Опарин и В. Г. Фесенков, даже около одпоп из миллиона можно найти планету с условиями, благоприят­ ными для развития жпзип. В пашей Галактике, где на­ считывается более 160 млрд, звезд, можно ожидать встретпть жизнь на сотнях тысяч планет.

В недрах звезд образовались хпмпческпе элементы. Из ппх слагается Земля. В табл. 1 сопоставлено относптель- 7ioe содержание химических элемептов в веществе звезд, в солнечном веществе и в телах растений и животных 20.

Основываясь на данных таблицы, можно сделать вывод о почти полном тождестве элементарного состава звезд­ ного п солнечного вещества и о существенном возрастанпи процентного содержания тяжелых элементов в телах растений и животных. Второй вывод, пожалуй, еще бо­ лее примечателен: четыре элемента — водород, углерод, азот и кпслород, наиболее широко распространенные во

**А. И. Опарин, В. Г. Фесенков. Жизнь во вселенной. М„ Изд-во АН СССР, 1950.

№М. Кальвин. Химическая эволюция. М., .«Мир», 1971, стр. ИЗ. 11G.

22

Т а б л и ц а 1

Элементарный состав звездного н солнечного вещества при сопоставлении с составом растений и животных

Вселенной, в организмах тоже представлены в наиболь­ шем количестве — от 92,28 до 96,0% от общего числа химических элементов, составляющих их тела. Живые организмы, таким образом, построены из наиболее про­ стых и наиболее распространенных в космосе атомов.

Жизнь прежде всего использовала самые доступные атомы. Водород, углерод, азот и кислород находятся в двух первых периодах таблицы' Д. И. Менделеева. Атомы этих элементов имеют наименьшие размеры и способны к образованию устойчивых и кратных связей. Углерод способен еще образовывать длинные цепи, что обуслов­ ливает возможность возникновения сложных полимеров. Кратные двойные и тройные связи повышают реакцион­ ную способность атомов.

Два других химических элемента — фосфор и сера, за­ нимающие место в третьем периоде таблицы Менделеева, также обладают способностью образовывать кратные свя­ зи. По мнению лауреата Нобелевской премии американско­ го биохимика Дж. Уолда 2‘, это делает их особенно при­

23

состав белков, а фосфор — неотъемлемая составная часть нуклеиновых кислот; высшая нервная деятельность также связана с фосфорным обменом.

Часто, особенно в нодулярной литературе, обсуждает­

проблема замены углерода кремнием, а воды аммиаком. Дж. Уолд категорически отвергает обе эти возможности. Кремнии не способен к образованию кратных связей. Сое­ динение углерода с кислородом в форме углекислоты — легко растворимый в воде газ, хорошо используемый ор­ ганизмами или легко выделяемый ими в процессе обме­ на. Двуокись силиция — кварц— исключительно плотный, твердый, инертный материал, не способный к активным реакциям. Атомы кремния, подобно углероду, способны соединяться друг с другом, образуя длинные цепи. Одна­ ко эти цепи неустойчивы в присутствии воды, аммиака и кислорода. Так как жизнь без воды, по-видимому, не­ возможна, кремнии не может заменить углерод. Всякие рассуждения о кремниевых организмах принадлежат к об­ ласти малообоснованных фантазий. Не меньшие трудно­ сти возникают перед гипотезой замены воды аммиаком.

Кроме перечисленных шести химических элементоворганогенов в состав живых организмов входят положи­ тельные попы металлов натрпя, калия, магния, кальция и отрицательный пои хлора, а также микроэлементы, встречающиеся в организмах в следовых количествах,— марганец, железо, кобальт, медь, цпик — п еще более ред­ кие — бор, алюминий, ванадий, молибден, йод. Таким об­ разом, в состав вещества жизни входит 21 химический элемент. Встречаются и другие атомы, ио менее регуляр­ но и, как правило, еще в меньших количествах.

Субстрат жизни, следовательно, построен из трех ка­ тегорий атомов: из наиболее доступных, наиболее при­ годных и имеющих специальное назначение. Кремний не входит в состав 21 элемента, из которых построены ос­ новы живого субстрата, однако он активно использует­ ся диатомовыми водорослями для формирования кремние­ вых створок, некоторыми губками для построения скелета и даже высшими растениями для придания прочности стеблю и т. д. Йод входит в состав гормона щитовидной железы позвоночных животных — тироксина, играющего роль в обмене веществ, и в частности в явлениях мета-

24

морфоза у амфибий. Включение и субстрат жизни не только самых распространенных элементов, по п элемен­ тов, особенно пригодных для осуществления жизнедея­ тельности, свидетельствует, что жизнь основывается на свойствах этих атомов. Они не просто части магапиы, ко­ торые без вреда можно заменить аналогичными частями, сделанными нз другого материала, как, например, неред­ ко в предметах домашнего обихода металл заменяется пластмассой. Для осуществления функций жпзнп важны химические свойства составляющих ее атомов, в которых, в частпостп, выражаются квантовые закономерности. По­ этому вряд ли можно согласиться с лдеей о прпнцпппальпой возможности моделирования живой системы на осно­ ве других элементов, о чем несколько лет тому назад писали некоторые математики.

Эволюция вещества в направлении жизни обеспечи­ вается совершенно определенными космическими и пла­ нетарными условиями, а также наличием иа планете не­ которых веществ и в первую очередь, конечно, жид­ кой воды.

Процентное содержание воды в теле организмов укаг

он превышает 98%. У высших животных особенно бога­ ты водой интенсивно функционирующие органы. Если в скелете содержится 22% воды, в мышцах 76,6, то в серд­ це процент воды поднимается до 79,3, а в коре полуша­ рии головного мозга до 83,3. У молодых организмов в период интенсивных формообразовательных процессов процент воды превышает 90, у взрослых он падает до 50.

Значение воды в жизнедеятельности организмов опре­ деляется целым рядом физических свойств этого соедине­ ния. Замечательны термические свойства воды — большая теплоемкость, высокая скрытая теплота плавления и ис­ парения, низкая теплопроводность, расширение перед за­ мерзанием. Эти свойства обеспечивают отпосительпое по­ стоянство температурного режима океанов, что обуслов­ ливает уменьшение амплитуды колебания температуры па земной поверхности. Особые отноптепия воды к темпера­ туре ответственны за ее круговорот в природе, пграто-

25

щпй такую большую роль в геологической истории плане­ ты. Температурная аномалия воды — расширения перед замерзанием — в сочетании с аномальным изменением плотности в интервале от 0 до 4° обеспечивают переме­ шивание водных масс и препятствуют промерзанию водо­ емов. Не будь этих аномалий, водоемы были бы мало­ пригодными для жпзпп. Образующийся в холодное время года лед, опускаясь на дно, превратил бы водные бас­ сейны в залежп льда, оттаивающие летом лишь с поверх­ ности.

Вода благодаря высокой теплоемкости и низкой теп­ лопроводности обеспечивает относительное постоянство температуры океанов; она играет в сущности ту же роль и в организмах, способствуя сохранению температуры те­ ла. Ни одно вещество не могло бы обеспечить постоян­ ство температуры с большим успехом.

Замечательны свойства воды как растворптеля. Эти свойства п исключительная подвижность делают воду ос­ новным фактором обмена веществ в неорганической при­ роде. Ту же роль она исполняет п в оргаппзмах: рас­ творенные неорганические п органические вещества посту­ пают потребителям. Без этого свойства не могли бы существовать планктон, неподвижные организмы, в част­ ности высшие растения. Особое значение вода как раство­ ритель и переносчик питательных веществ, естественно, имела в раннем периоде существования жпзии, до раз­ вития у оргаппзмов органов активного движения. С по­ мощью воды осуществляется транспортировка веществ внутри организма, от одних частей тела к другим, с во­ дой выделяются продукты распада.

Таким образом, органический обмен веществ, связан­ ный с поглощением питательных веществ, пх перестрой­ кой и выделением продуктов метаболизма, имеет своим гомологом обмен в неорганической природе, осуществляю­ щийся, так же как ш в организме, с помощью воды.

Этим роль воды не ограничивается. Высокое поверх­ ностное натяжение обеспечивает поднятие ее в капилля­ рах. Без этого свойства организмы вряд ли вышли бы из воды на сушу, сухопутная растительность не могла бы существовать, так как питание высших растений основа­ но па капиллярности воды.

Адсорбционная способность коллоидов зависит от по­ верхностных свойств растворптеля, определяющих особеп-

?6

иости поглощения веществ из внешней среды н пх рас­ пределения на поверхностях коллоидных систем. В силу этого поверхностные свойства воды оказываются весь­ ма существенными для внутриклеточного обмена.

Практическая несжимаемость воды позволяет организ­ мам населять большие глубины.. Благодаря оптическим особенностям, в первую очередь прозрачности, в воде на значительных глубинах может идти фотосинтез.

Вода на Земле представляет собой раствор солей, га­

мающим второе после воды место по «своей пригодности для жизни». Благодаря высокой растворимости углекис­ лота так же подвижна, как и вода. Так как этот газ содержится в атмосфере, никакие химические процессы не могут его извлечь из вод океана. Важное свойство углекислоты — способность поддерживать в растворе со своими нейтральными солями постоянство концентрации водородных ионов, так называемая буферность. Большую роль играет углекислота п в поддержании реакции крови, близкой к нейтральной. Значение углекислоты как источ­ ника углерода в питании зеленых растений и некоторых хемотрофиых бактерий общеизвестно.

Разбирая свойства таких веществ, как углерод, водо­ род и кислород, составляющих главную массу вещества организмов, Гендерсон обнаруживает и у них ряд свойств, которые делают их исключительно подходящими как к образованию органических веществ, так и к построению веществ неорганической среды, в которой организм живет и развивается.

Следует еще остановиться па тех особенностях океана, которые способствовали развитию в нем ж и з н и . В самом деле, воды океана обладают относительно постоянной тем­ пературой, весьма устойчивым составом минеральных со­ лей, константной концентрацией водородных ионов, по­ стоянным осмотическим давлением и подвижностью, обе­ спечивающей перепое питательных веществ и их разно­ образие.

Океан, таким образом, представляет собой идеальную среду по исключительному постоянству физических усло­

27

питания. Трудно было бы ожидать возникновение жизни в условиях непостоянной, изменчивой среды.

Итак, около 4—4,5 млрд, лет назад па Земле созда­ лись космические, планетарные н химические условия для более специализированного пути эволюции — развития материм в направлении жизни.

Эволюция звездного вещества привела it образованию необходимых химических элементов, формирование сол­ нечном системы обеспечило одной из планет — Земле — условия дальнейшего усложнения материи. Важнейшее из этих условии — планетарным круговорот воды, атмо­ сферы, минеральных элементов, вызванный излучением центрального светила и тектонической деятельностью мо­ лодой планеты. Планетарный абиогенный круговорот ве­ ществ обусловил взаимодействие минеральных элементов, без которого невозможна эволюция материи в направле­ нии жизни. Ясно, однако, что круговорот, будучи совер­ шенно необходимым условием, вместе с тем не является условием достаточным. В той пли иной форме он может происходить и на планетах, лишенных других условий, необходимых для развития жизни, например при высоких температурах. Ведь факторы, вызывающие его,— нерав­ номерность нагревания со стороны центрального светила, тектоническая деятельность, возмущающее влияние со­ седних планет и спутников, выражающееся в приливах и отливах,— в какой-то мере действуют везде.

От образования тяжелых атомов к возникновению молекул органического вещества

-Основополагающие работы А. II. Опарина2'1 п его мно­ гочисленных последователей позволили нарисовать ве­ роятную картину зарождения жизни на Земле. Начался этот процесс с синтеза простейших соединений. Скали­ стая поверхность, безжизненный океан и атмосфера, со­ держащая пары воды, метай, аммиак и водород. Мощные грозовые разряды, интенсивная вулканическая деятель­ ность нарушали безмолвие. Так выглядела Земля в те далекие дни.12

21 А. И. Опарин. Возникновение жизни на Земле. М., Изд-во АН СССР, 1957.

28

Отсутствие озонового слоя, возникшего лишь после появления кислорода, позволяло коротковолновому ульт­ рафиолетовому излучению беспрепятственно достигать по­ верхности Земли. Под влиянием энергии ультрафиолето­ вого излучения, грозовых разрядов и высокой темпера­ туры в районах повышенной вулканической деятельности

Улг.трафполе — товое излучение

Аминокислоты, гетероциклические основания, углепо— ды ,жлрвыо кислоты и т. д.

Рис. 1. Образование простейших органических соеднпепнй из газов пер­ вичной атмосферы под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца

из веществ атмосферы, т. е. пз метана (СБЦ), аммиа­ ка (NH3), водорода (Н2) и паров воды (НгО), шло об­ разование простейших органических соединений. Возни­ кали молекулы сахаров, аминокислот, азотистых основа­ нии и других простейших углеродсодержащих молекул, из которых построены белки, нуклеиновые кислоты, жи­ ры п вещества переносчики энергии такие, например, как аденозиитрпфосфат (АТФ) (рис. 1).

Еще в 1861 г. известный русский ученый, один пз основателей органической химии, А. М. Бутлеров, обна­ ружил, что в растворе формалина в известковой воде при стоянии в теплом месте образуется сахаристое ве­ щество. Шесть молекул формальдегида (СНгО), объеди­ няясь, дают более сложно устроенные молекулы сахара.

Другой русский ученый, А. Н. Бах, показал, что в вод­ ном растворе формалина и цианистого калия образуются еще более сложные вещества. Эти вещества вполне могли служить питательной средой для микроорганизмов.

29