KSE_Zhulanov_A_L

В атмосфере, начиная с высот 50-80 км, начинается слой, содержащий значительное количество ионов и свободных электронов, образовавшихся в результате разложения молекул атмосферных газов под действием солнечной радиации (ультрафиолетового и рентгеновского излучения) и космических лучей. Этот слой – ионосфера – включает верхние слои атмосферы (мезо-, термо- и экзосферу).

Еще одной материальной оболочкой Земли является магнитосфера. Это область околоземного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения (с «солнечным ветром»). Магнитное поле создано, главным образом, происходящими в жидкой фазе земного ядра перемещениями вещества (железа), вызванными гравитационными взаимодействиями, конвективным теплообменом и др. Некоторый вклад в образование магнитного поля вносят магнитные минералы земной коры. Тот факт, что Земля – это магнит, установил в 1600 г. У. Гильберт в книге «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле».

Магнитосфера с дневной стороны простирается на расстояние 8-14 земных радиусов, а с ночной – до ста радиусов. Заряженные космические частицы, достигнув магнитосферы, начинают двигаться по магнитным силовым линиям, образуя радиационные пояса: внутренний, образованный потоком протонов, на высоте 3500 км и внешний, электронный, на высоте 10 земных радиусов. У магнитных полюсов магнитосфера имеет небольшую высоту, и потоки заряженных частиц, вторгаясь в атмосферу, ионизируют ее газы и порождают на высотах 90-1000 км полярные сияния.

Экологическая роль магнитного поля Земли чрезвычайно важна: это экран, защищающий поверхность Земли от губительного потока космических лучей (протонов и электронов). Магнитное поле Земли непрерывно дрейфует, что сказывается на местоположении географических координат его полюсов, а это, в свою очередь, влияет на изменения климата, в частности, порождает значительные оледенения в одних регионах и пустынные зоны – в других.

Географическая оболочка Земли. Еще одной оболочкой Земли, являющейся областью распространения жизни и условием существования человека, является географическая сфера (ландшафтная оболочка, эпигеосфера). Географическая оболочка –

131

это сложная динамическая система взаимодействия литосферы, гидросферы, атмосферы и биосферы. Взаимодействие и взаимопроникновение этих сфер образуют единый физикогеографический процесс, порождающий целостный облик Земли.

Самыми крупными природными комплексами в пределах географической оболочки являются материки и океаны. Северные материки (Евразия и Северная Америка) в палеозое входили в единый материк – Лавразию. Раскол ее на два материка начался в середине мезозоя, т. е. около 130 млн. лет назад. Южные материки (Африка, Австралия, Южная Америка, Антарктида) в тот же период находились в составе единого континента Гондваны. Ее первый раскол произошел на границе триаса и юры, от нее отделилась АфроАмерика, позднее от Африки отделилась Южная Америка. На границе мезозоя и кайнозоя Индостанская глыба подошла к Азии, а Антарктида отошла от Австралии. Однако Лавразия и Гондвана некогда составляли единый мегаматерик - Пангею, раскол которой произошел в конце протерозоя (600 млн лет назад).

Согласно концепции новой глобальной тектоники, ядра будущих континентов сформировались еще в архейскую эру (4-3 млрд лет назад). На основе этих ядер образовались платформы – устойчивые в тектоническом отношении участки земной коры. В основе Евразии лежат пять платформ: Русская, Сибирская, две Китайские и Индостанская, в основе других материков лежит по одной платформе. Платформы, перемещаясь по поверхности астеносферы, образовывали более крупные блоки - литосферные плиты. При горизонтальном перемещении платформ и литосферных плит происходят их столкновения, вследствие чего возникает складчатость в виде горных стран (Альпы, Кавказ, Гималаи), материки и океаны меняют свои очертания. Когда же сталкиваются океанические плиты с материковыми, происходит надвигание материковых плит на океанические, что также ведет к появлению складчатости, возвышенностей и низменностей, горных цепей, океанических впадин. Самой высокой горной вершиной на Земле считается Эверест (8 848 м над уровнем моря).

В расположении материков прослеживаются такие закономерности. Каждому материку на противоположном конце диаметра Земли соответствует океан. Материки располагаются парами по отношению друг к другу: Северная и Южная Америка, Европа и Африка, Азия и Австралия. Исключение составляет

132

Антарктида. Почти все материки имеют форму треугольников, острые вершины которых направлены на юг.

География океанов также претерпела коренные изменения. В палеозое и мезозое между Лавразией и Гондваной находилась система обширных морских бассейнов, которую называют океаном Тетис. Однако вследствие тектонических движений литосферных плит изменилось расположение материков и произошло образование современных океанов, наиболее молодыми из которых являются Атлантический и Индийский (середина мезозоя), а самым молодым – Северный Ледовитый океан. Рельеф дна океанов включает подводные окраины материков, ложе океана, срединно-океанические хребты, океанические впадины (глубиной от 4 до 8 км) и желоба (самый глубокий – Марианский, 11 022 м).

Срединно-океанические хребты образовались в результате излияния расплавленного вещества мантии. Ширина хребтов меняется от 200 до 2000 км, длина – от нескольких тысяч до полутора десятков тысяч километров. Эти хребты на поверхности океана представлены цепью островов. Хребты имеют множественные разломы, из которых изливается под гигантским давлением магма, что является причиной горизонтального смещения литосферных плит. Так, Южноамериканский континент за 130 млн лет совершил дрейф от Африки к западу (до его современного положения), в результате чего образовалась Южная Атлантика, а площадь Тихого океана значительно сократилась. Именно области срединноокеанических хребтов обладают повышенной сейсмичностью. Так, на дне Тихого океана насчитывается более тысячи подводных вулканов.

В рамках географической оболочки выделяется область существования человека – географическая среда. Ее роль в антропогенезе невозможно переоценить: на ранних его этапах она служила для человека кладовой средств потребления. Благоприятный климат, разнообразная растительность и богатый животный мир – вот условия, без которых появление человека было бы невозможным. Но и в современную – индустриальную и постиндустриальную эпоху – географическая среда не утратила значения, боле того, ее границы многократно раздвинулись, не только вширь, но и в вертикальном направлении – от ближнего космоса до морских и земных глубин. Теперь основная функция географической среды – быть кладовой средств производства (энергосырьевых ресурсов). Ее влияние на общественный прогресс теперь имеет опосредованный характер: оно

133

определяется не столько обилием природных ресурсов, сколько уровнем развития производственных технологий. Поэтому страны с бедными минеральными ресурсами, но высокотехнологическим производством, могут занимать лидирующее экономическое положение в мире (например, Япония).

4. БИОЛОГИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ

4.1. КОНЦЕПЦИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ И СУЩНОСТИ ЖИЗНИ

Перед человеческим разумом стоят три глубочайшие проблемы, решение которых настолько же важно, насколько и труднодостижимо. Это проблемы происхождения Вселенной (в том числе Земли), происхождения жизни и происхождения человека. Несмотря на разный статус и значение этих проблем, они имеют, с точки зрения человечества, одну общую черту: относятся к познанию явлений уникальных, т.е. совершившихся только однажды, причем в далеком прошлом. Теоретическая реконструкция процессов происхождения этих явлений возможна только на основе изучения их отдаленных последствий, имеющихся в настоящее время. В силу этого наши знания в этих вопросах имеют все основания навсегда остаться гипотезами, более или менее правдоподобными.

Проблема происхождения жизни осложняется другой, с нею тесно связанной, – проблемой ее сущности. Ведь от понимания того, что такое жизнь, зависит решение вопроса об условиях и времени ее происхождения. Ввиду отсутствия достоверных знаний по этим проблемам их решение в прошлые века могло быть только умозрительным, натурфилософским, а еще ранее было монополией религий. Так, в античности возник гилозоизм – учение о всеобщей одушевленности материальных вещей (греч. hyle – материя, zoon – животное), которое сохранялось до 18 в. (Парацельс, Дж. Бруно, Д. Дидро). В 17-20 вв. получили распространение две взаимоисключающие концепции сущности жизни: витализм и механицизм. Виталисты объясняли жизнь наличием в организмах особого невещественного, сверхприродного начала – «жизненной силы». «Жизненная сила» (лат. visvitalis) – это, по существу, другое, наукообразное, название души, которой боги, по представлениям

134

религий, наделили человека и животных при их сотворении. Впервые эту идею под названием энтелехии в зоологии использовал Аристотель. В начале 20 в. ее развивал Г. Дриш. Он делил оплодотворенную яйцеклетку морского ежа на части, и из них вырастали полноценные взрослые особи, только меньшего размера. Данный факт он объяснял наличием в яйцеклетке невещественного, а потому и неделимого, целостного фактора (энтелехии), обусловливающего воспроизведение полноценного организма.

Представители второй концепции рассматривали организмы как сложные механические системы вроде часов или музыкальных автоматов: животное – это машина (Декарт), человек – машина, правда, чувствующая (Ламетри), растение – тоже машина. Сравнивая организмы с машинами, они тем самым хотели подчеркнуть естественный характер жизненных явлений, доступность их научному познанию. В 19-20 вв. были попытки объяснения явлений жизни в понятиях физики и химии. Однако редукционистский (лат. reductio - возвращение) подход к явлениям жизни, сводящий живое к более простому, неживому, не ориентировал ученых на поиск качественных различий живого и неживого.

В 19 в. биология совершила ряд фундаментальных открытий, которые были философски обобщены Ф. Энгельсом следующим образом: «жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей средой». Если в неживой природе обмен веществ обычно ведет к деградации, понижению уровня организации (эрозия почв, выветривание и разрушение гор, окисление металлов и т.п.), то в живой природе обмен веществ является условием не только сохранения, но и развития организмов и их видов.

На рубеже 19-20 вв. была открыта важная роль в процессах жизнедеятельности нуклеиновых кислот, витаминов, липидов и других органических веществ, которые наряду с белками составляют материальную основу жизни. Сложилась особая наука – биохимия, изучающая входящие в состав организмов химические вещества, их строение, превращения и функции. В науке сформировалось обоснованное фактами убеждение в том, что жизнь – это одна из основных форм движения материи в природе, которая включает в свой состав более простые формы движения (механическую, физическую, химическую), но не сводится к ним, превосходя их по сложности, по уровню организации. Поскольку жизнь во всех ее

135

формах – это природный, объективный процесс, то отсюда необходимо следует вывод о ее познаваемости.

В силу чрезвычайной сложности биологических процессов понятие жизни в современной биологии раскрывают через указание на ряд ее общих существенных признаков: размножение, обмен веществом и энергией со средой обитания, рост, подвижность, раздражимость, наследование признаков и их изменчивость, приспособляемость, самоорганизация и другие. Почти каждый из названных признаков присущ тем или иным телам неживой природы, но все они, вместе взятые, принадлежат только живому – от амебы до человека.

По проблеме происхождения жизни имеется несколько идей. Первой по времени была религиозная идея сотворения мира богом из ничего – креационизм (лат. creatio – сотворение), присущий всем мировым религиям. Эту идею, как не имеющую отношения к науке, обсуждать здесь не представляется необходимым. Вторая - идея самозарождения организмов из неорганического вещества – появилась еще в античности (например, ее придерживался Аристотель и другие греческие натурфилософы) и была широко распространена в 16-19 вв. (Парацельс, Гарвей, Галилей, Декарт и др.). В 17 в. Фр. Реди провел эксперимент, доказывавший невозможность самозарождения организмов в питательном (мясном) субстрате. Поскольку этот субстрат был помещен в закрытый сосуд, виталисты оспаривали вывод Реди ссылкой на то, что жизненная сила не могла проникнуть в этот сосуд. В 60-х гг. 19 в. Л. Пастер повторил опыт Реди, поместив питательный бульон в открытую колбу с S- образной горловиной, через которую мог свободно проходить воздух, а бактерии и насекомые не могли проникнуть внутрь. Организмы (обычно появляются черви – личинки мух) в колбе не появились. Это стало окончательным опровержением идеи самозарождения жизни. Идею о том, что живое может происходить только от живого (идея

биогенеза), В.И. Вернадский назвал «принципом Реди».

Третья – гипотеза занесения на Землю зародышей организмов из космоса («космозоев», «частиц жизни»). Эту идею, получившую в 20 в. название концепции панспермии, выдвинул в 1865 г. немецкий врач Г. Рихтер. Ее поддерживали Г. Гельмгольц, С. Аррениус, В.И. Вернадский. В частности, последний признавал наличие жизни в течение всех геологических эпох истории Земли (идея «всюдности жизни»). Действительно, вместе с метеоритами на Землю выпадают

136

довольно сложные органические вещества типа аминокислот, однако организмы, как мы их себе представляем на Земле, не могут существовать в открытом космосе (радиация, температурный режим). Эта гипотеза, имеющая право на существование, не решает проблемы происхождения жизни, а отодвигает ее в другие миры. Существует также представление о том, что жизнь существовала во Вселенной всегда (идея стационарного состояния), поэтому вопрос о ее происхождении снимается. Этот взгляд мало отличается от предыдущего. Однако если исходить из гипотезы «Большого взрыва» как исходного состояния нашей Вселенной, вопрос о происхождении жизни в космосе невозможно никак обойти: где-то она должна была первоначально возникнуть. Высказана и такая точка зрения, что на Земле случайно могла возникнуть единичная «живая генная молекула», однако вероятность такого события чрезвычайно мала.

В 1924 г. советский биохимик А.И. Опарин предложил гипотезу возникновения жизни на Земле из неорганического вещества вследствие длительной, миллионы лет продолжавшейся биохимической эволюции, т. е. абиогенным путем. Гипотеза допускает опытную проверку хотя бы в некоторой своей части. Она опирается на представления о составе и строении Земли в прошлые геологические эпохи.

Суть гипотезы Опарина состоит в следующем. Атмосфера юной Земли содержала водяной пар, углекислый газ, метан, аммиак, сероводород и некоторые другие газы, т.е. газы, обычно выделяющиеся во время вулканической деятельности. Под действием таких физических факторов, как ультрафиолетовое излучение Солнца, естественная радиоактивность, электрические разряды атмосферного электричества, в атмосфере могли образовываться сложные органические соединения типа аминокислот, нуклеотидов и других углеводородов, которые выпадали в Мировой океан и там накапливались, образуя «первичный бульон». Поскольку содержание свободного кислорода в атмосфере было ничтожным (вследствие его высокой химической активности он существовал в соединении с другими элементами в виде оксидов), атмосфера имела восстановительный характер, поэтому образовывавшиеся сложные органические вещества не окислялись и не разрушались.

Известно, что основными молекулярными структурами живого являются 20 видов аминокислот, 5 азотистых оснований, 2 углевода и

137

одна фосфатная группа. Объяснение происхождения этих структурных элементов живого из неорганического, «мертвого» материала и составляет ключевой момент гипотезы происхождения жизни. Эксперименты, проведенные в 50-60 гг. в лабораториях ряда стран (США, СССР, ФРГ), доказали такую возможность: абиотическим путем был получен ряд аминокислот, мононуклеотидов, рибоза и дезоксирибоза, а из них путем полимеризации были созданы высокомолекулярные вещества типа белков и нуклеиновых кислот (полипептиды и полинуклеотиды). Первым такой эксперимент произвел в 1953 г. американский биолог С.Л. Миллер. Следует заметить, что в природе существует около 100 аминокислот абиотического происхождения. Таким образом, первая часть гипотезы Опарина получила экспериментальное подтверждение.

Выпавшие в океан органические соединения могли вступать во взаимодействия, образуя высокомолекулярные цепочки аминокислот, нуклеотидов и других веществ. Поскольку озонового «экрана» в атмосфере еще не было, энергию для химических процессов давало ультрафиолетовое излучение Солнца. Эти химическим путем возникшие цепочки могли соединяться между собой, образуя многомолекулярные комплексы – коацерватные капли (лат. coacervatio – накопление), отделенные от водной среды жироподобными мембранами. Выделение из первичного однородного «бульона» гидросферы Земли многомолекулярных комплексных систем и их последующее совершенствование – это, по мнению А. И. Опарина, важнейший этап эволюции углеродистых соединений на пути к возникновению жизни.

Коацерваты, подвергаясь механическим воздействиям волн, сталкивались, дробились, вновь соединялись, образуя достаточно устойчивые комплексы, которые могли захватывать другие коацерваты, то есть здесь мог начаться обмен веществом и энергией со средой существования. Другими словами, здесь могли начаться процессы самоорганизации. Этот этап происхождения жизни также смоделирован в лабораторном эксперименте.

Как установила современная наука, в достаточно сложных открытых системах, находящихся в неустойчивом, хаотическом состоянии и обменивающихся со средой веществом и энергией, происходят спонтанные процессы самоорганизации, то есть возникает состояние устойчивости, динамического равновесия,

138

упорядоченности («порядок из хаоса», как назвал это явление И. Пригожин).

В пользу идеи коацерватных капель как предшественниц простейших организмов говорит то обстоятельство, что протоплазма клетки в химическом отношении есть не что иное, как комплексный коацерват, совершающий обмен веществ со средой.

Важным условием эволюции коацерватов наряду с их устойчивостью,статичностью было возникновение в них поточного обмена веществ. Коацерват должен был перейти в стационарное, динамически устойчивое состояние, при котором вещества из раствора должны были избирательно поглощаться коацерватом, претерпевать в нем химические изменения и затем выделяться обратно во внешнюю среду. Естественно, что эти процессы имели случайный характер, но среди множества коацерватов, которые быстро распадались, могли возникать и такие, которые, благодаря своему химическому составу, были достаточно устойчивыми. Поэтому они не только сохранялись, но и увеличивались в размерах, затем под действием механических причин дробились и давали начало существованию производных устойчивых систем. Это был своего рода предбиологический «отбор». В результате естественно происходившей селекции могла начаться эволюция коацерватов, то есть направленное совершенствование этих предбиологических систем: «системы становились не только динамически устойчивыми, но и более динамичными» (А.И. Опарин). Такие системы он назвал

протобионтами.

Дальнейшая эволюция протобионтов могла происходить в направлении совершенствования обмена веществ, который опирался на множество взаимно согласованных химических реакций. Прогресс мог заключаться в увеличении числа реакций, их скоростей, в удлинении цепей химических превращений, их разветвлении и замыкании в повторяющиеся циклы. Важнейшим условием этого было использование катализаторов как неорганической, так и органической природы. Особые белки – ферменты, имеющиеся в клетках всех организмов, способны увеличивать скорости реакций в миллионы и даже в миллиарды раз, причем это происходит при низких температурах и атмосферном давлении. Происходила специализация ферментов, при которой каждый фермент катализирует только определенную реакцию, что было особенно

139

важно для обеспечения строго заданной последовательности химических реакций обмена веществ.

Дальнейшим этапом развития должно было стать появление механизма, обеспечивающего пространственное расположение аминокислотных остатков в полипептидной цепи и закрепление этого расположения, т.е. механизма воспроизведения пространственной структуры полипептидной цепи. Этот механизм, как известно, обеспечивается полинуклеотидной цепочкой, состоящей из мононуклеотидов, основным компонентом которых являются пуриновые и пиримидиновые основания. Азотистые основания обладают замечательным химическим свойством – комплементарностью (дополнительностью): одно основание соединяется водородными связями только с определенным, ему не идентичным, основанием (аденин с тимином, цитозин с гуанином). Явление комплементарности имеет место не только в живых системах, но и при абиогенном синтезе полинуклеотидов.

Таким образом, первоначально случайные комбинации полипептидов и полинуклеотидов, входивших в состав протобионта, в результате длительного, сотни миллионов лет происходившего отбора привели к совершенствованию тех и других, что, в конечном итоге, привело к появлению примитивных одноклеточных организмов, которые, однако, далеко уступали по уровню организации современным простейшим.

Изложенная очень схематично гипотеза происхождения жизни опирается на ряд фактов эволюционнобиохимического исследования. Укажем на некоторые из них. Подавляющее большинство биологических видов, включающее все царство животных и царство грибов, а также множество видов бактерий, для питания нуждаются в готовых органических веществах, то есть являются гетеротрофными организмами. Но и автотрофные

организмы (водоросли, высшие растения и некоторые бактерии), создающие органические питательные вещества посредством фотоили хемосинтеза из неорганических веществ, также сохраняют аппарат гетеротрофного питания и могут переходить к нему при соответствующих условиях (например, рост листьев растений может происходить и в темноте). Фотосинтез и, следовательно, производство органического питательного вещества осуществляют толькохлорофиллсодержащие клетки растений, остальные клетки тканей растения питаются готовым органическим веществом. Эти

140