Лекция 20. Вода и гипотезы о происхождении жизни на Земле. Самоорганизация в живой природе.

1. Особенности биологического уровня организации материи.

Древние люди не различали живое и неживое. Для них все вокруг – и небо, и вода, и камни, и деревья – было одушевлено. Постепенно к человечеству пришло понимание отличий живого от неживого. Перечислим важнейшие признаки живого:

• Питание: пища необходима как источник нужных веществ, энергии и информации.

• Дыхание: является одним из источников химической энергии, относится к процессам обмена вещества и энергии.

• Выделение: способ выведения из организма продуктов обмена веществ.

• Подвижность и рост: движение в пространстве и движение внутри единиц жизни.

• Размножение: передача эстафеты жизни от одного поколения к другому.

• Раздражимость: реакция всех живых существ на изменения внешней и внутренней среды.

• Гомеостаз: способность к поддержанию внутреннего химического состава и протекания всех физиологических процессов при непрерывно изменяющихся внешних условиях. Это одно из ведущих отличий живого от неживого.

• Дискретность: жизнь проявляется в дискретных формах.

Один или несколько из перечисленных признаков могут обнаруживаться и у неживых объектов, но вся их совокупность присуща только живому.

Вопрос о том, каким образом сформировались объекты, обладающие такими свойствами, остается, с одной стороны, наиболее острым и интересным, с другой, - чрезвычайно малоизученным и тесно связан с мировоззрением.

2. Вода как колыбель жизни.

Одно из самых распространенных веществ на Земле – вода. Она покрывает большую часть земной поверхности и составляет большую часть живых организмов.

Вода – особое вещество, обладающее уникальными физико-химическими свойствами. Объяснить эти свойства удается, лишь изучая строение молекулы воды.

Молекула воды Н₂О состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, соединенных ковалентной связью, причем угол между связями составляет 105^о. Атом кислорода, обладая зарядом ядра +8е, оттягивает обобществленные электроны на себя, а атомы водорода становятся частично положительно заряженными. Образуется полярная связь, и молекула, в целом электрически нейтральная, превращается в электрический диполь (двухполюсный объект): с одной ее стороны преобладает положительный заряд, с другой – отрицательный. Диполь, будучи нейтральным, создает электрическое поле и сам испытывает воздействие внешних электрических полей.

В результате молекула воды имеет ряд особых электрических свойств.

• Большое поверхностное натяжение – сильное сцепление между молекулами. Молекулы слипаются друг с другом посредством водородных связей (когезия). Они взаимодействуют с любой поверхностью, несущей электрический заряд (капиллярность, смачивание, что особо важно при движении растворов по мелким сосудам).

• Вода – хороший растворитель. Она растворяет больше веществ, чем любая другая жидкость. Особенно хорошо растворяются вещества с ионной и полярной ковалентной связью (сахара, спирты) – диссоциация. Неполярные же молекулы (жиры, липиды) не взаимодействуют с молекулами воды и, следовательно, не диссоциируют в ней. Обретая большую подвижность в растворе, ионы увеличивают свою реакционную способность, что очень важно для процессов внутри живых организмов, а неполярные вещества служат разделителями (например, мембраны).

Крайне важны для живых организмов и тепловые свойства воды:

• Высокая теплоемкость: требуется много энергии даже для небольшого повышения ее температуры. Эта энергия тратится на разрыв водородных связей. Таким образом, жизнедеятельность происходит в достаточно стабильных, благоприятных условиях, процессы протекают в меньшем интервале температур, с относительно постоянной скоростью. Водоемы играют роль своеобразных термостатов.

• Большая скрытая теплота плавления/кристаллизации и испарения/конденсации. Это уменьшает вероятность замерзания и гибели клеток. Испарение сопровождается охлаждением, т.к. энергия для этого берется из окружающей среды.

Механические свойства воды удивительны тем, что твердая вода (лед) легче жидкой (имеет меньшую плотность). Таким свойством не обладает ни одно другое вещество. Благодаря этому и зимой жизнь в водоемах сохраняется. Кроме того, если экстраполировать на воду свойства ее ближайших химических аналогов Н₂S и Н₂Se, то вода должна быть жидкой лишь при температурах от –95^оС до –80^оС.

Упомянем также оптические свойства твердой воды (кристаллов льда). Они имеют очень высокую отражательную способность. Поэтому на полюсaх, где существуют вечные шапки снега и льда, поглощенная энергия всегда меньше излученной: . Это способствует терморегуляции нашей планеты.

Итак, вода обладает уникальными свойствами, которые делают ее незаменимой для существования жизни на Земле. Не вызывает сомнений, что жизнь на Земле зародилась в водной среде.