неизменность закона тяготения каждый раз перед тем, как поставить на стол стакан с водой, или постоянство скорости течения времени в ньютоновской системе каждый раз, когда у нас должна состояться какая-либо встреча.

Пространственная и временная одинаковость спектральных свойств также говорит об универсальности и неизменности законов физики и масштабе Вселенной. Неизменность законов природы является интегральной частью нашей жизни, как мы ее воспринимаем. Фактически весь наш образ жизни мы основываем на допущении, что действие законов неизменно и предсказуемо. В то же время даже в данном курсе мы неоднократно сталкивались с тем, что одни и те же законы движения «работают» в одних условиях и не выполняются в других (например, в классической, квантовой и релятивистской механике). Есть предположения, что и время — основное понятие при количественном описании неживой и живой природы — течет неравномерно и является различным для разных систем. Это является очередным парадоксом современного естествознания и свидетельствует о том, что на нынешнем этапе наших представлений о природе мы чегото не понимаем и не учитываем.

288

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какие понятия и представления синергетики можно применить к описанию жизненных процессов?

2.Каковы термодинамические особенности живого?

3.Какую роль играет энтропия для живого?

4.Что такое физическая и биологическая эволюции?

5.В чем заключается энергетический подход к живому?

6.Какова целевая функция живого организма?

7.Какие уровни организации живого Вы знаете?

8.В каком смысле используется системный подход при описании живых систем?

9.В чем состоят принципы Пригожина — Гленсдорфа и Моисеева?

10.Опишите взаимосвязь энтропии и информации.

ЛИТЕРАТУРА:

2, 3, 4, 5, 6, 8, 12, 20, 23, 25, 26, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 44, 45, 40, 41, 42, 44, 45, 64, 85, 107, 111, 119, 126, 128, 143, 152, 156, 157, 159.

Глава 12. ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ И ПРИНЦИПЫ БИОЛОГИИ

Прогресс в биологии — это переход от ложного знания к истинному незнанию.

В.Я. Александров

Что там зα ветхой занавеской тьмы? В гаданиях запутались умы.

Когда же с треском рухнет занавеска, Увидим все, кaк ошибались мы.

О. Хайям

12.1. От атомов к протожизни

Omne vivum ex vivo.

(Все живое от живого.)

Ф. Реди

Жизнь — это плесень на поверхности небесных тел.

Джинс

12.1.1. Гипотезы происхождения жизни

Возникновение жизни на Земле и ее биосферы является одной из основных проблем современного естествознания, философии и религии. На протяжении всего развития человечества этот вопрос волновал и волнует нас до сих пор. Остановимся кратко на главных гипотезах возникновения жизни: креациони-

289

стекой, теории самопроизвольного зарождения, существования жизни вечно, занесения элементов жизни из Космоса и биохимической эволюции.

Согласно креационистской гипотезе сотворения жизни на основе толкования Библии предполагают, что животный, растительный мир и Человек создан Богом сразу по его желанию, как говорится, во всей своей красе и всем разнообразии. При этом все эти творения Бога созданы в совершенной гармонии и не требуют своего дальнейшего развития. Любопытно, что в рамках этой гипотезы на основе анализа возрастов и

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

родственных связей лиц, упоминаемых в Библии, это произошло в 9 часов утра 23 октября 4004 г. до н.э.! Очевидно, это умозрительная гипотеза, не находящая своего подтверждения в современной науке. Это понимают и сами теологи. Еврейский философ Маймонид (1135—1204) в своей книге «Наставник колеблющихся» говорит: «Конфликт между наукой и религией проистекает из-за неверной интерпретации Библии». И там же: «Если хочешь постичь взаимосвязь между миром и тем, как Бог управляет им, изучай астрономию и физику».

В противоположность этой гипотезе еще в древности в Китае и Египте была выдвинута идея самопроизвольного непрерывного зарождения живого из неживого. Эти представления поддерживали древнегреческие мыслители (Аристотель, Платон) и более поздние ученые (Галилей, Бэкон, Декарт, Гегель, Ламарк). Согласно Аристотелю, частицы вещества содержат «активное начало», дающее возможность зародиться живому, например, лягушки и насекомые при определенных условиях заводятся в сырой почве, в стоячей воде — черви и водоросли, в протухшем мясе при гниении — личинки мух.

Первый ощутимый удар по этой теории нанес итальянский естествоиспытатель и врач Ф. Реди (1626—1698), который в 1688 г. проделал опыт с закрытыми и открытыми сосудами, где были помещены мертвые змеи. В открытом сосуде мухи откладывали свои яйца и из них развивались личинки мух. В закрытом сосуде этого не происходило — отложенные на закрывающую банку кисею яйца не давали личинок. Из этих опытов и возник известный принцип Ф. Реди — «все живое от живого». В дальнейшем французский микробиолог Л. Пастер (1822—1895) и английский физик Тиндаль (1820— 1893) показали, что при определенных условиях (стерилизация, а в дальнейшем возник и термин «пастеризация») живые организмы — вирусы — не могут возникать. Однако это еще не является доказательством невозможности возникновения живого из неживого.

290

Согласно современным представлениям жизнь возникла из неживой материи, но только в условиях, сильно отличающихся от современных, и за длительный промежуток времени — в течение сотен миллионов лет. Можно также предположить, что возникновение жизни является обязательным этапом эволюции материи, и такое событие могло происходить неоднократно и в разных частях Вселенной.

Теория пансмермии о занесении «зародышей жизни» из Космоса является гипотезой о внеземном происхождении жизни. Известно, что в мировом пространстве имеются частицы вещества, пылинки, на которых могут находиться живые споры микроорганизмов. Попадая на планету с подходящими для микроорганизмов условиями, они и создают жизнь на этой планете. В настоящее время получены космохимические данные, указывающие на возможность возникновения органических веществ, характерных для живых организмов, химическим путем в космических условиях. При изучении состава метеоритов (главным образом хондритов) и комет были обнаружены спирты, карбонильные соединения, вода, синильная кислота, формальдегиды и т.д. Большая часть молекул, обнаруженных в межзвездных облаках, относится к простейшим соединениям углерода, в том числе к аминокислотам. Предшественники аминокислот в 1975 г. были найдены и в лунном грунте.

Поскольку метеориты типа углистого хондрита довольно часто падают на Землю из Космоса, можно предположить, что образование органических соединений в Космосе — не такое уже редкое событие, скорее типичное и довольно распространенное. Несмотря на то, что о существовании жизни вне Солнечной системы сказать пока однозначно и определенно достаточно сложно, существует гипотеза о возникновении жизни на Земле практически одновременно с моментом образования самой Земли около 4,6 млрд лет назад. И тогда условно можно считать, что жизнь зародилась в момент создания Солнечной системы, в том числе и Земли, т.е. в Космосе. В качестве аргументов в пользу этой гипотезы любители экстравагантных доказательств приводят такие факты, как прилеты инопланетян на Землю, неопознанных летательных объектов (НЛО), наскальные, топологические рисунки на поверхности Земли (об этих рисунках рассказывал фильм Деникена «Воспоминания о будущем»!) и т.д. Однако эта гипотеза не дает ответа на вопрос о механизме изначального возникновения жизни, а просто переносит эту проблему в другое место во Вселенной.

291

По данным ядерной геохронологии длительность геологической эволюции Земли и жизни на ней близки друг к другу, что привлекает сторонников другой гипотезы

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

происхождения жизни на Земле — вечного ее существования. Эта модель близка к теории вечного существования жизни во всей Вселенной. Логичная идея всеобщей эволюции должна приводить к пониманию того, что жизнь возникла где-то на этапе перехода от космохимической эволюции к геохимической и затем биохимической эволюции. Остается «только» найти время и место возникновения живого в этой цепочке! В эволюционном процессе изменения условий для возникновения жизни можно предположить, что жизнь на Земле может совпадать с образованием и существованием материи. Такой точки зрения придерживался известный глобалист естествоиспытатель В.И. Вернадский: жизнь и материя неразрывны, взаимосвязаны, и между ними нет временной последовательности. Эту мысль подтверждает палеонтолог B.C. Соколов:

«...даже на «сумасшедший вопрос» — что древнее — Земля или жизнь на ней, мы не можем дать определенного ответа. Возможно, они почти ровесники и поэтому предпочтительнее говорить о появлении жизни на нашей планете, а не о ее происхождении».

Всовременном естествознании идея эволюции нашего мира находит свое применение

ик возможности появления жизни из неживого на этапах развития материи от неорганического мира к органическому и далее к биологическому. Как указывал в 1912 г. русский естествоиспытатель К. А. Тимирязев, «...мы вынуждены допустить, что живая материя осуществлялась так же, как и все остальные процессы, путем эволюции...

Процесс этот, вероятно, имел место и при переходе из неорганического мира в органический». В более широком смысле эволюцию мира, в течение которой происходит

ипоявление жизни как феномена нового состояния материи, необходимо увязывать с космологической эволюцией в целом. Ее этапы можно представить себе следующим образом:

БВ —> излучение + вещество —> —> Галактики, Вселенная —>

—> планеты —> первичная атмосфера —> —> вторичная атмосфера, гидросфера —>

—> образование органических веществ, аминокислот —> —> коацерватные капли — естественный отбор, мутация —> —> ДНК — РНК —> белок.

292

12.1.2. Необходимые факторы возникновения жизни

Что же надо, чтобы объяснить возникновение жизни с позиций физики и химии, какие нужны условия для появления живого из неживого? Считается, что требуются четыре основных условия:

•наличие определенных химических веществ,

•наличие источника энергии,

•отсутствие газообразного кислорода O2,

•длительное время.

Из необходимых химических веществ вода имеется в изобилии на Земле, а неорганические соединения присутствуют в горных породах, в газообразных продуктах извержений вулканов и в атмосфере. Необходимой энергией всегда обеспечивало в первую очередь Солнце, ультрафиолетовое и другие виды излучений, затем тепло от вулканов, горячей лавы, гейзеров и от радиоактивного распада элементов земных пород, молнии.

Предполагают, что жизнь могла возникнуть, когда атмосфера Земли не содержала кислорода. Дело в том, что кислород, взаимодействуя с органическими веществами, разрушает, окисляет их и лишает тех свойств, которые делали бы их полезными для предбиологических систем. Поэтому если бы органические молекулы на ранней Земле вступали в реакцию с O2, то они существовали бы недолго, препятствовали химической эволюции, т.е. не образовывали бы более сложных структур. В наличии атмосферного кислорода кроется одна из причин невозможности самопроизвольного зарождения жизни из органических веществ в наше время.

Из геологических данных известно, что древнейшие породы Земли образовывались в то время, когда ее атмосфера не содержала O2, а состояла к моменту предполагаемого зарождения жизни из водяных паров, диоксида углерода и азота. В древних породах Земли находят железо в двухвалентной восстановленной форме Fe2+, а в более молодых породах — в трехвалентной Fe3+, т.е. в окисленной, которые приводили к образованию Н2, О, СН4, NH3, HCN, а затем и СО, СO2, создавая восстановительную атмосферу.

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

Атмосферы других, самых больших планет Солнечной системы, Юпитера и Сатурна, по современным данным состоят в основном из газообразного и металлического водорода и гелия. При этом Земля не могла удержать легкий водород, он

293

рассеивался в космическом пространстве, так же как и тот водород, который получался при разложении аммиака NH3 под действием солнечного излучения.

Химические реакции, приводящие к образованию новых веществ, могут протекать с разными скоростями. Такие превращения первородной атмосферы Земли требовали миллионы лет. Однако с учетом предполагаемого времени образования Земли в 4,6 млрд лет простые подсчеты показывают, что даже если вероятность события, от которого зависело возникновение хотя бы однажды простейших форм жизни, составляет 0,001, то за 10000 лет оно обязательно произойдет. Поэтому как бы ни казалось маловероятным появление живых систем, времени для этого было настолько много, что на самом деле это событие стало неизбежным. Например, первые известные остатки прокариотических клеток были обнаружены в горных породах, сформировавшихся всего (!) на 1,1 млрд лет позднее образования Земли.

12.1.3. Теория абиогенного происхождения жизни А.И. Опарина

О том, как произошла жизнь, знают лишь А.И. Опарин и Раиса Львовна Берг, а я маленький, я не помню.

Н.В. Тимофеев-Ресовский

В современном естествознании наиболее обоснованной выглядит теория абиогенного происхождения жизни, выдвинутая в 1923 г. российским биохимиком А.И. Опариным (1894 — 1980). Она основывается на физико-химических представлениях об условиях, имевшихся на ранней Земле, связывая их с геологической эволюцией, эволюцией химических элементов Солнечной системы, а также активностью Солнца, и удовлетворяет упомянутым выше условиям возникновения жизни. Основной идеей этой теории было обоснование того, что зарождение жизни — это длительный процесс зарождения живой материи в недрах неживой. Опарин предположил, что сложные органические соединения возникли в океане из более простых соединений. Разнообразие этих простых соединений в атмосфере и протоокеане, обилие солнечной энергии, действовавшей длительное время, привели к образованию «первичного бульона», в котором стали возникать более сложные органические соединения и конгломераты их в виде так называемых коацерватных капель.

294

Причем это был процесс самопроизвольного превращения неорганических соединений в «кирпичики жизни» — биомолекулы: аминокислоты, нуклеотиды, полисахариды и т.д., которые мы более подробно рассмотрим дальше. «Коацерватная» идея А.И. Опарина об абиогенном, т.е. небиологическом, происхождении преджизненных форм материи, возникновении под действием электрических разрядов и коротковолнового излучения органических молекул без участия живых организмов была экспериментально доказана американским ученым С. Миллером в 1953 г. Удалось создать сходные условия при наличии электрических разрядов в атмосфере смеси метана, аммиака и воды. В результате реакции появились некоторые вещества, которые входят в состав живых организмов: аминокислоты, глутаминовые кислоты и простые сахара, а впоследствии и нуклеиновые кислоты. Появилась «жизнь в пробирке»! Органические соединения должны были возникать в этих восстановительных условиях при наличии энергии и вдали от равновесия.

Процесс биохимической эволюции по Опарину можно представить в виде нескольких этапов:

•Переход воды в процессе охлаждения Земли из парообразного состояния в жидкое, образование раздельных атмосферы и гидросферы и последующая их эволюция. При этом шел синтез простейших неорганических соединений.

•Образование из неорганических соединений (Н2, O2, СO2, ΝΗ3 и СН4) органических и накопление их в первичном океане в результате энергетического воздействия Солнца, электрических разрядов, космического излучения.

•Постепенное усложнение органических соединений и образование белковых структур.

•Выделение белковых структур из среды, образование гидрофильных комплексов и

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.