Морозов Александр Гавриилович (moralg) wrote,
Морозов Александр Гавриилович
moralg

Categories:

Где и как создается Жизнь?


      Этот пост – краткие тезисы моего доклада на собрании Клуба "19 февраля", состоявшегося 17.11.2011г.

    Основные требования к "базе" Жизни.

      Для возникновения жизни на любой планете нужны растворитель (химически нейтральная жидкая среда, в которой легко и достаточно интенсивно идут химические реакции без участия составляющих эту среду молекул) и "базовый элемент" (химический элемент, на базе которого могут возникать достаточно сложные молекулы):

    а) Роль растворителя на Земле играет вода 2О). Возможные другие простые варианты: аммиак (NH3), метан (CH4), метанол (CH3OH) и иные. На Титане (спутнике Сатурна) есть метановые моря, реки и дожди. При земном атмосферном давлении интервалы температур, в которых эти вещества являются жидкими, таковы: вода (от 0 до + 100С), аммиак (от – 78 до – 33С), метан (от – 182 до – 161С), метанол (от – 94 до + 65С).

    б) Роль "базового элемента" на Земле играет углерод. Он четырехвалентен. И множество достаточно устойчивых и весьма сложных молекул на базе углерода неисчислимо. Вариант тоже четырехвалентного кремния по ряду физико-химических причин не дает таких возможностей. Поэтому углерод является наилучшим кандидатом на роль "базового элемента" во всей Вселенной.


    Возникновение органики и ее самоорганизация (программирование).

    Органика возникает даже в смесях простых неорганических молекул при разных физических воздействиях на них. Это стало ясно из опытов на запаянных в стеклянных колбах смесях воды и простейших газов (молекулярных кислорода, азота и углекислого газа) при облучении их интенсивным светом и пропускании сквозь них электрических разрядов. Через некоторое время спектральный анализ показывал наличие в этих колбах метана, аммиака, простейших спиртов и других простых органических молекул. Одной из таких реакций, в которой возникает органика из неорганики, является и реакция фотосинтеза. В ней из молекул углекислого газа и воды (на входе) под воздействием солнечного света (источник внешней энергии) образуются молекулярный кислород и нужная для растений простейшая органика. Но в основном в органической химии на биологическом уровне источником нужных для реакций потоков внешней энергии является не свет, а катализ.

      Совокупность органических молекул, сколь бы сложными и многообразными они ни были, еще не проявляет жизни, как необратимых процессов организации, поддержания и воспроизводства пространственных структур. Для организации жизни в этом смысле необходима структура, в которую был бы запрограммирован алгоритм последовательности нужных реакций с нужными потоками энергии.

     Человечество придумало систему программирования для решения вычислительных задач и обработки потоков информации на основе двух-буквенного алфавита – "0" и "1". И затем из этих букв – систему "слов" из восьми букв, называемых байтами. Возможное число таких слов – 256. А уже из этих "слов" можно составлять любые, сколь угодно сложные произведения – работающие на ЭВМ программы.

     Природа на Земле пошла несколько иным путем. За основу она взяла четырех-буквенный алфавит азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин, тимин. Из этих букв она строит трех-буквенные "слова" – кодоны. Возможное число таких "слов" – 64. Часть из которых в земных условиях получили одинаковый "смысл". Разных по смыслу "слов" используется всего 20. Они "звучат" в форме 20 разных аминокислот, из которых и строятся сколь угодно сложные белки. Строятся по программам, записанным в последовательностях команд – кодонов в ДНК живого организма. В этом смысле ДНК – чип с "запаянной" в него программой последовательности биохимических реакций.

    Самоорганизация Жизни требует практически непрерывного потока энергии сквозь живой объект. Этот поток может быть реализован светом (или иными формами радиации), "всасыванием" из окружающей среды неорганических соединений или поглощением живым объектом органической по происхождению пищи. Самоорганизация – процесс уменьшения энтропии в живом объекте, как меры хаоса. Образующийся в ходе этого процесса избыток энтропии выводится из живого объекта отходами его жизнедеятельности.

    Предистория Жизни на Земле.

     Земля образовалась примерно 4,5 млрд. лет назад. Атмосфера Земли состояла тогда в основном из углекислого газа (СО2) с малыми примесями других газов. Первые из известных следов жизни на Земле (уже в клеточной форме) имеют возраст около 3,5 млрд. лет. Последующие 2-2,5 млрд. лет ушли на кардинальную перестройку атмосферы – сине-зеленые водоросли фотосинтезом "высасывали" из нее углекислый газ и насыщали ее кислородом. И лишь после такой "подготовки" начали появляться предтечи современных форм Жизни.

    Обзор условий для Жизни на планетах Солнечной системы.

    Меркурий. Ближе к Солнцу чем Земля примерно в 3 раза (плотность потока солнечной энергии на ед. площади почти в 10 раз больше чем на Земле). Масса = 5,5 % от земной, поэтому нет ни атмосферы, ни какого либо растворителя в жидкой форме. Сутки = 2/3 "года". Говорить о возможности зарождении жизни на такой планете нельзя.

    Венера. Расстояние от Солнца = 0,72 а.е. (а.е. = расстояние от Земли до Солнца); масса = 82 % земной. Сутки = примерно ½ года. Мощная атмосфера состоящая на 96 % из СО2 и на 3,5 % из N2. Температура у поверхности планеты = 475 по Цельсию, давление примерно 90 атмосфер. Причина – парниковый эффект на СО2. Говорить о жизни в таких условиях невозможно.

    Марс. Расстояние от Солнца = 1,52 а.е. (на ед. площади падает в 2,3 раза меньше солнечной энергии, чем на Земле); масса 11 % земной. Сутки = 24,5 часа. Наклон оси вращения к плоскости эклиптики – близкий к земному. Поэтому сезоны – как на Земле. Температурный режим в самой "горячей" точке планеты – от –90 до +27 по Цельсию (ночь-день). Атмосфера состоит в основном из СО2 (95%), давление в ней близко к критическому – 0,6% от земного (при давлении ниже этого лед не тает, а возгоняется в пар). Полярные шапки состоят из углекислоты. Оценка количества СО2 в шапках показывает, что при полном переходе их в газообразное состояние давление у поверхности может повыситься до земного атмосферного. На поверхности планеты видны древние русла, а в полярных шапках найден водяной лед.

    Пока никаких следов жизни на Марсе не обнаружено (первые прямые пробы грунта были взяты в 1976 году). Остается надеяться на жизнь в под поверхностью планеты. Скорее всего в форме, характерной для Земли 3-миллиардолетней давности.

    Юпитер. Расстояние до Солнца = 5,2 а.е.; масса = 318 земной; диаметр = 11,2 земного; сутки = 10 часов. Юпитер – газовый гигант. В самых верхних слоях атмосферы температура порядка минус 120 по Цельсию, вглубь она растет. Как растут плотность и давление. Но твердой поверхности у Юпитера пока не обнаружено. Не исключено, что на некоторой глубине плотность атмосферы достигает плотности жидкости (с пока не известным хим. составом). Прямых исследований по "жизни" (как на Марсе) пока не проведено.

    Сатурн. Весьма похож на Юпитер, но условия там еще жестче. Но у этой планеты есть любопытный спутник – Титан, который больше Меркурия и обладает атмосферой с давлением у поверхности = 1,6 атм. с температурой в пределах (– 180С, – 150С) и состоящей на 95 % из азота. Атмосфера насыщена фотохимическим смогом, состоящим из метана, аммиака, пропана, цианистого водорода и др.). Недавние исследования показали, что на Титане есть моря, реки и дожди из метана. То есть, метан там может играть роль растворителя. Есть ли жизнь на Титане?


    Гипотеза Панспермии.

     Неоднократно высказывалась гипотеза о том, что Жизнь была занесена на Землю с других небесных тел. Теоретически это вполне возможно. Но надо иметь ввиду следующее:

     а) Земля находится на расстоянии от Солнца, самом благоприятном для зарождения жизни. Ближе (на Венере) слишком жарко, на Марсе – существенно холоднее. Если была раньше планета между Марсом и Юпитером (Фаэтон?), то условия для возникновения жизни на ней были бы хуже, чем на Марсе. Поэтому возникновение Жизни на Земле за счет ее заноса с объектов солнечной системы крайне маловероятно.

     б) Аналогичный по смыслу занос "жизни" на Землю с объектов, перемещающихся между различными (даже очень близкими) звездами потребовал бы многих миллионов лет путешествия такой "жизни" в открытом космосе. Выдержала бы она такое?

     в) В живущих на Земле организмах содержание почти всех "следовых" химических элементов пропорционально таковому в морской воде на Земле. Если бы жизнь была занесена на Землю из космоса, то наш хим. состав (по "следовым" элементам) был бы иным.

     С учетом сказанного, скорее всего, сама Земля может стать или уже стала источником зарождения жизни на других  объектах солнечной системы. Подтверждая, тем самым, гипотезу панспермии.

   Требования Жизни к звездам.

     В последнее время открыто довольно много планет, вращающихся вокруг не слишком далеких звезд. Малая часть из них по своим параметрам похожи на Землю и вращаются вокруг своих солнц на благоприятном для зарождения Жизни расстоянии (в "обитаемой" зоне). Опыт Земли показывает, что для зарождения Жизни в самой примитивной клеточной форме нужно не больше нескольких сот миллионов лет. Но для перехода к достаточно "продвинутой" животной Жизни – до 2-3 миллиардов лет. Необходимых для создания нужной для такой Жизни атмосферы.

    Это соображение заставляет считать, что достаточно "продвинутая" Жизнь может возникать только в окрестностях звезд, которые практически стационарно светят не менее 2-3 млрд. лет. Этому условию удовлетворяют только не слишком массивные звезды. С массой не более 1,5-2 масс Солнца. Для Солнца же (оно – желтый "карлик") время почти стационарного свечения составляет около 10 млрд. лет. Половина этого срока уже прошла. Возможно, в принципе, зарождение Жизни и в окрестностях более тусклых звезд – красных и, даже "коричневых", карликов.

    Есть еще одно ограничение. Звезда, претендующая на планету с Жизнью, должна быть одиночной. Ибо в двойных и более кратных звездных системах возможность существования устойчивых близких к круговым орбит в "обитаемых" зонах может оказаться практически не реализуемой.

   Эволюционная роль полов.

    На уже достаточно продвинутой стадии своего развития Жизнь на Земле "придумала" двуполую систему. Хотя вполне могла бы обойтись давно освоенной однополой. Наиболее правдоподобное объяснение причин такого "изобретения" состоит в следующем. Все многоклеточные организмы (хозяева) сосуществуют с живущими в (на) них бактериями (паразитами). Продолжительность жизни последних гораздо короче, чем у хозяев. Поэтому паразиты эволюционируют быстрее хозяев. Однополые хозяева с почти неизменяющимся от поколения к поколению геномом не успевают приспособиться к быстро изменяющимся паразитам. И вымирают. А против двуполых хозяев, меняющих свой геном на каждом цикле размножения, паразиты в практическом плане бессильны. Вот в этом и состоит смысл двух полов и, следовательно, секса и всех его прелестей.

    Описанное не выявляет ролей женского и мужского полов в эволюции. Оно же состоит в том, что женскому полу Природа поручила сохранять (консервировать) достижения эволюции данного вида. А мужскому – методом проб и ошибок через мутации совершенствовать свойства этого вида. То есть, двигать эволюцию. Главным источником мутаций является радиационный фон Земли. Средня интенсивность которого на Земле – примерно 10-15 микрорентген в час.

    Природа спрятала главные репродуктивные органы самок вглубь их тела. А семенники самцов находятся, как правило, снаружи под тонкой кожицей. Это различие приводит к гораздо более частым мутациям генома у самцов (от радиационного фона), чем у самок. Подавляющая доля мутаций, как случайных изменений генома, вредны для вида. И их носители в ходе естественного отбора гибнут в первую очередь. Возможно, по этой причине Природа "изготовляет" носителей таких мутаций (мальчиков) с некоторым запасом на естественный отсев.

UPD (17.01.2012): Первые клетки на Земле появились около 3,8 млрд. лет назад.
Tags: Косможизнь
Subscribe
promo moralg март 5, 2018 03:01 43
Buy for 30 tokens
Многие из нас вздрагивают, когда дорогу нам перебегает черная кошка. Но неприятных последствий обычно не возникает и мы быстро забываем о ней. Но два дня назад на северо-восток США обрушилась очередная буря и совершила совсем не очередное действо - сломала дерево, которое 227 лет назад посадил…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 24 comments