Почему на нашей Земле появилась жизнь? Как появилась жизнь на земле
Елена Терентьева
Занятие в подготовительной к школе группе «Зарождение жизни на земле»
Занятие в подготовительной к школе группе «ЗАРОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ » .
Образовательная область : «Познание»
Задачи :
Обучающие : Формирование у детей основы представлений о возникновении и развитии жизни на Земле : состоянии поверхности Земли до возникновения жизни , о появлении воды, возникновении и развитии первых живых существ.
Развивающие : Развивать у детей умение обобщать по существенным признакам, пользуясь простейшей моделью. Развивать слуховую и зрительную память, мышление.
Воспитатель : Ребята, сегодня мы с вами отправляемся в очередное путешествие по древней Земле . Сначала Земля была очень-очень горячей, как Солнце. Когда горячий пар от Земли столкнулся с холодом космоса пошёл дождь. (Демонстрация фильма)
И вся Земля покрылась водой . Первая жизнь зародилась в воде . Это были бактерии – микроскопические невидимые глазу существа. Благодаря бактериям появились растения.
Как вы думаете, почему первыми появились растения, а не животные?
Ответ : Растениям для жизни нужна вода и свет . А животным нужны растения для пищи.
Воспитатель : Прошло миллионы лет. В океане появились простейшие. (Амеба, инфузория туфелька)
Они состоят из одной или несколько клеток. Затем появились кишечнополостные. К ним относятся медузы. Они имеют щупальца для охоты и защиты, медузы хищники.
А кто появился после кишечнополостных? (Черви)
Черви имеют гибкое мускулистое тело, покрытое прочной оболочкой, у многощетинковых червей – отростки, похожие на ноги, расчлененное тело, рот с ресничками.
Воспитатель : Ребята, продолжаем наше путешествие, кто появился после червей? (Моллюски, членистоногие) У моллюсков мускулистое тело, раковина, нога или щупальца, глаза, рот с твердыми наростами, к моллюскам относятся : беззубка, большой прудовик, виноградная улитка.
А кто такие членистоногие? (Раки, крабы) . Особенно много было трилобитов. Трилобиты - дальние родственники раков : одеты панцирем, размеры- от 2 до 75 см; жили у дна, где медленно ползали и плавали; позже трилобиты полностью вымерли. У членистоногих хорошо развита мускулатура, органы передвижения, тело покрыто твердой оболочкой, глаза, рот приспособлены к твердой пищи.
Ребята, мы с вами немного устали, давайте отдохнем.
Тихо плещется вода
Тихо плещется вода,
Мы плывём по тёплой речке. (Плавательные движения руками.)
В небе тучки, как овечки,
Разбежались, кто куда. (Потягивания - руки вверх и в стороны.)
Мы из речки вылезаем,
Чтоб обсохнуть, погуляем. (Ходьба на месте.)
А теперь глубокий вдох.
И садимся на песок. (Дети садятся.)
Воспитатель : Отдохнули, давайте путешествовать дальше. Ребята, кто появился послемоллюсков и членистоногих? (Панцирные рыбы) Расскажите о них. (Чешуя, обтекаемое тело, плавники) . 350 млн лет назад в морях появились различные рыбы, в том числе хищники. Это – динихтис : хищник - гроза морских обитателей; огромен - около 10 метров в длину! Динихтис – панцирная рыба. Слово «динихтис» составлено из двух слов : «дейнос» - страшный или ужасный и «ихтис» .
Голова динихтиса была одета в прочный панцирь – «рыцарский шлем» , состоящий из нескольких пластин. Зубов у нее не было, но широкие остроугольные пластины, которыми продолжались челюсти рыбы, резали как пила.
Воспитатель : Давайте посмотрим какие обитатели есть в современном океане. Чем современные обитатели похожи на древних? (ответы)
Да, ребята, вот такие удивительные животные жили много миллионов лет назад на нашей Земле .
– А пока мы с вами летим на машине времени домой, давайте зарисуем модель зарождении жизни на Земле в океане .
Дети самостоятельно рисуют модель эволюционного древа, возникновения жизни на Земле .
Воспитатель : Но, вот, ребята, мы с вами опять дома.
– Понравилось вам путешествовать впрошлое? (Ответы детей)
Воспитатель : Мне тоже с вами было приятно путешествовать. Спасибо вам.
Вопрос о том, когда на Земле появилась жизнь, всегда волновал не только ученых, но и всех людей. Ответы на него
практически всех религий. Хотя точного научного ответа на него до сих пор нет, некоторые факты позволяют высказать более или менее обоснованные гипотезы. В Гренландии исследователями был найден образец горной породы
с крошечным вкраплением углерода. Возраст образца более 3,8 млрд лет. Источником углерода, скорее всего, было какое-то органическое вещество – за такое время оно полностью утратило свою структуру. Ученые полагают, что этот комочек углерода может быть самым древним следом жизни на Земле.
Как выглядела первобытная Земля?
Перенесемся на 4 млрд лет назад. Атмосфера не содержит свободного кислорода, он находится только в составе окислов. Почти никаких звуков, кроме свиста ветра, шипения извергающейся с лавой воды и ударов метеоритов о поверхность Земли. Ни растений, ни животных, ни бактерий. Может быть, так выглядела Земля, когда на ней появилась жизнь? Хотя эта проблема издавна волнует многих исследователей, их мнения на этот счет сильно различаются. Об условиях на Земле того времени могли бы свидетельствовать горные породы, но они давно разрушились в результате геологических процессов и перемещений земной коры.
В этой статье мы кратко расскажем о нескольких гипотезах возникновения жизни, отражающих современные научные представления. Как считает известный специалист в области проблемы возникновения жизни Стэнли Миллер, о возникновении жизни и начале ее эволюции можно говорить с того момента, как органические молекулы самоорганизовывались в структуры, которые смогли воспроизводить самих себя. Но это порождает другие вопросы: как возникли эти молекулы; почему они могли самовоспроизводиться и собираться в те структуры, которые дали начало живым организмам; какие нужны для этого условия?
Согласно одной из гипотез жизнь началась в кусочке льда. Хотя многие ученые полагают, что присутствующий в атмосфере углекислый газ обеспечивал поддержание тепличных условий, другие считают, что на Земле господствовала зима. При низкой температуре все химические соединения более стабильны и поэтому могут накапливаться в больших количествах, чем при высокой температуре. Занесенные из космоса осколки метеоритов, выбросы из гидротермальных источников и химические реакции, происходящие при электрических разрядах в атмосфере, были источниками аммиака и таких органических соединений, как формальдегид и цианид. Попадая в воду Мирового океана, они замерзали вместе с ней. В ледяной толще молекулы органических веществ тесно сближались и вступали во взаимодействия, которые приводили к образованию глицина и других аминокислот. Океан был покрыт льдом, который защищал вновь образовавшиеся соединения от разрушения под действием ультрафиолетового излучения. Этот ледяной мир мог растаять, например, при падении на планету огромного метеорита (рис. 1).
Чарлз Дарвин и его современники полагали, что жизнь могла возникнуть в водоеме. Этой точки зрения многие ученые придерживаются и в настоящее время. В замкнутом и сравнительно небольшом водоеме органические вещества, приносимые впадающими в него водами, могли накапливаться в необходимых количествах. Затем эти соединения еще больше концентрировались на внутренних поверхностях слоистых минералов, которые могли быть катализаторами реакций. Например, две молекулы фосфатальдегида, встретившиеся на поверхности минерала, реагировали между собой с образованием фосфорилированной углеводной молекулы – возможного предшественника рибонуклеиновой кислоты (рис. 2).
А может быть, жизнь возникла в районах вулканической деятельности? Непосредственно после образования Земля представляла собой огнедышащий шар магмы. При извержениях вулканов и с газами, высвобождавшимися из расплавленной магмы, на земную поверхность выносились разнообразные химические вещества, необходимые для синтеза органических молекул. Так, молекулы угарного газа, оказавшись на поверхности минерала пирита, обладающего каталитическими свойствами, могли реагировать с соединениями, имевшими метильные группы, и образовывать уксусную кислоту, из которой затем синтезировались другие органические соединения (рис. 3).
Впервые получить органические молекулы – аминокислоты – в лабораторных условиях, моделирующих те, что были на первобытной Земле, удалось американскому ученому Стэнли Миллеру в 1952 г. Тогда эти эксперименты стали сенсацией, и их автор получил всемирную известность. В настоящее время он продолжает заниматься исследованиями в области предбиотической (до возникновения жизни) химии в Калифорнийском университете. Установка, на которой был осуществлен первый эксперимент, представляла собой систему колб, в одной из которых можно было получить мощный электрический разряд при напряжении 100 000 В.
Миллер заполнил эту колбу природными газами – метаном, водородом и аммиаком, которые присутствовали в атмосфере первобытной Земли. В колбе, расположенной ниже, было небольшое количество воды, имитирующей океан. Электрический разряд по своей силе приближался к молнии, и Миллер ожидал, что под его действием образуются химические соединения, которые, попав затем в воду, прореагируют друг с другом и образуют более сложные молекулы.
Результат превзошел все ожидания. Выключив вечером установку и вернувшись на следующее утро, Миллер обнаружил, что вода в колбе приобрела желтоватую окраску. То, что образовалось, оказалось бульоном из аминокислот – строительных блоков белков. Таким образом этот эксперимент показал, как легко могли образоваться первичные ингредиенты живого. Всего-то и нужны были – смесь газов, маленький океан и небольшая молния.
Другие ученые склонны считать, что древняя атмосфера Земли отличалась от той, которую моделировал Миллер, и состояла, скорее всего, из углекислого газа и азота. Используя эту газовую смесь и экспериментальную установку Миллера, химики попытались получить органические соединения. Однако их концентрация в воде была такой ничтожной, как если бы растворили каплю пищевой краски в плавательном бассейне. Естественно, трудно себе представить, как могла возникнуть жизнь в таком разбавленном растворе.
Если действительно вклад земных процессов в создание запасов первичного органического вещества был столь незначителен, то откуда оно вообще взялось? Может быть, из космоса? Астероиды, кометы, метеориты и даже частицы межпланетной пыли могли нести на себе органические соединения, включая аминокислоты. Эти внеземные объекты могли обеспечить попадание в первичный океан или небольшой водоем достаточного для зарождения жизни количества органических соединений.
Последовательность и временной интервал событий, начиная от образования первичного органического вещества и кончая появлением жизни как таковой, остается и, наверное, навсегда останется загадкой, волнующей многих исследователей, равно как и вопрос, что. собственно, считать жизнью.
В настоящее время существует несколько научных определений жизни, но все они не точны. Одни из них настолько широки, что под них попадают такие неживые объекты, как огонь или кристаллы минералов. Другие – слишком узки, и в соответствии с ними мулы, не дающие потомства, не признаются живыми.
Одно из наиболее удачных определяет жизнь как самоподдерживающуюся химическую систему, способную вести себя в соответствии с законами дарвиновской эволюции. Это значит, что, во-первых, группа живых особей должна производить подобных себе потомков, которые наследуют признаки родителей. Во-вторых, в поколениях потомков должны проявляться последствия мутаций – генетических изменений, которые наследуются последующими поколениями и обуславливают популяционную изменчивость. И в-третьих, необходимо, чтобы действовала система естественного отбора, в результате которого одни особи получают преимущество перед другими и выживают в изменившихся условиях, давая потомство.
Какие же элементы системы были необходимы, чтобы у нее появились характеристики живого организма? Большое число биохимиков и молекулярных биологов считают, что необходимыми свойствами обладали молекулы РНК. РНК – рибонуклеиновые кислоты – это особенные молекулы. Одни из них могут реплицироваться, мутировать, таким образом передавая информацию, и, следовательно, они могли участвовать в естественном отборе. Правда, они не способны сами катализировать процесс репликации, хотя ученые надеются, что в недалеком будущем будет найден фрагмент РНК с такой функцией. Другие молекулы РНК задействованы в “считывании” генетической информации и передаче ее на рибосомы, где происходит синтез белковых молекул, в котором принимают участие молекулы РНК третьего типа.
Таким образом самая примитивная живая система могла быть представлена молекулами РНК, удваивающимися, подвергающимися мутациям и подверженными естественному отбору. В ходе эволюции на основе РНК возникли специализированные молекулы ДНК – хранители генетической информации – и не менее специализированные молекулы белка, взявшие на себя функции катализаторов синтеза всех известных в настоящее время биологических молекул.
В некий момент времени “живая система” из ДНК, РНК и белка нашла приют внутри мешочка, образованного липидной мембраной, и эта более защищенная от внешних воздействий структура послужила прототипом самых первых клеток, давших начало трем основным ветвям жизни, которые представлены в современном мире бактериями, археями и эукариотами. Что касается даты и последовательности появления таких первичных клеток, то это остается загадкой. Кроме того, по простым вероятностным оценкам для эволюционного перехода от органических молекул к первым организмам не хватает времени – первые простейшие организмы появились слишком внезапно.
В течение многих лет ученые полагали, что жизнь вряд ли могла возникнуть и развиваться в тот период, когда Земля постоянно подвергалась столкновениям с большими кометами и метеоритами, а завершился этот период примерно 3,8 млрд лет тому назад. Однако недавно в самых древних на Земле осадочных породах, найденных в юго-западной части Гренландии, были обнаружены следы сложных клеточных структур, возраст которых составляет по крайней мере 3,86 млрд лет. Значит, первые формы жизни могли возникнуть за миллионы лет до того, как прекратилась бомбардировка нашей планеты крупными космическими телами. Но тогда возможен и совсем другой сценарий (рис. 4).
Падавшие на Землю космические объекты могли сыграть центральную роль в возникновении жизни на нашей планете, так как, по мнению ряда исследователей, клетки, подобные бактериям, могли возникнуть на другой планете и затем уже попасть на Землю вместе с астероидами. Одно из свидетельств в пользу теории внеземного происхождения жизни было обнаружено внутри метеорита, по форме напоминающего картофелину и названного ALH84001. Первоначально этот метеорит был частичкой марсианской коры, которая затем была выброшена в космос в результате взрыва при столкновении огромного астероида с поверхностью Марса, происшедшего около 16 млн лет назад. А 13 тыс. лет назад после длительного путешествия в пределах Солнечной системы этот осколок марсианской породы в виде метеорита приземлился в Антарктике, где и был недавно обнаружен. При детальном исследовании метеорита внутри него были обнаружены палочковидные структуры, напоминающие по форме окаменелые бактерии, что дало повод для бурных научных споров о возможности жизни в глубине марсианской коры. Разрешить эти споры удастся не ранее 2005 г., когда Национальное управление по аэронавтике и космическим исследованиям США осуществит программу полета на Марс межпланетного корабля для отбора проб марсианской коры и доставки образцов на Землю. И если ученым удастся доказать, что микроорганизмы когда-то населяли Марс, то о внеземном возникновении жизни и о возможности занесения жизни из Космоса можно будет говорить с большей долей уверенности (рис. 5).
Рис. 5. Наше происхождение от микробов.
Что мы унаследовали от древних форм жизни? Приведенное ниже сравнение одноклеточных организмов с клетками человека выявляет много черт сходства.
 1. Половое размножение |
 2. Реснички |
 3. Захват других клеток |
 4. Митохондрии
|
 5. Жгутики |
Эволюция жизни на Земле: от простого к сложному
В настоящее время, да, наверное, и в будущем, наука не сможет дать ответ на вопрос, как выглядел самый первый организм, появившийся на Земле, – предок, от которого берут начало три основные ветви древа жизни. Одна из ветвей – эукариоты, клетки которых имеют оформленное ядро, содержащее генетический материал, и специализированные органеллы: митохондрии, вырабатывающие энергию, вакуоли и др. К эукариотным организмам относятся водоросли, грибы, растения, животные и человек.
Вторая ветвь – это бактерии – прокариотные (доядерные) одноклеточные организмы, не имеющие выраженного ядра и органелл. И наконец, третья ветвь – одноклеточные организмы, именуемые археями, или архебактериями, клетки которых имеют такое же строение, как и у прокариот, но совсем другую химическую структуру липидов.
Многие архебактерии способны выживать в крайне неблагоприятных экологических условиях. Некоторые из них являются термофилами и обитают только в горячих источниках с температурой 90 °С и даже выше, где другие организмы попросту погибли бы. Превосходно чувствуя себя в таких условиях, эти одноклеточные организмы потребляют железо и серусодержащие вещества, а также ряд химических соединений, токсичных для других форм жизни. По мнению ученых, найденные термофильные архебактерии являются крайне примитивными организмами и в эволюционном отношении – близкими родственниками самых древних форм жизни на Земле.
Интересно, что современные представители всех трех ветвей жизни, наиболее похожие на своих прародителей, и сегодня обитают в местах с высокой температурой. Исходя из этого, некоторые ученые склонны считать, что, вероятнее всего, жизнь возникла около 4 млрд лет тому назад на дне океана вблизи горячих источников, извергающих потоки, богатые металлами и высокоэнергетическими веществами. Взаимодействуя друг с другом и с водой стерильного тогда океана, вступая в самые разнообразные химические реакции, эти соединения дали начало принципиально новым молекулам. Так, в течение десятков миллионов лет в этой “химической кухне” готовилось самое большое блюдо – жизнь. И вот около 4,5 млрд лет тому назад на Земле появились одноклеточные организмы, одинокое существование которых продолжалось весь докембрийский период.
Всплеск эволюции, давший начало многоклеточным организмам, произошел гораздо позже, немногим более полумиллиарда лет назад. Хотя размеры микроорганизмов столь малы, что в одной капле воды могут поместиться миллиарды, масштабы проведенной ими работы грандиозны.
Полагают, что первоначально в земной атмосфере и Мировом океане не было свободного кислорода, и в этих условиях жили и развивались лишь анаэробные микроорганизмы. Особым шагом в эволюции живого было возникновение фотосинтезирующих бактерий, которые, используя энергию света, превращали углекислый газ в углеводные соединения, служащие пищей для других микроорганизмов. Если первые фотосинтетики выделяли метан или сероводород, то появившиеся однажды мутанты начали вырабатывать в процессе фотосинтеза кислород. По мере накопления кислорода в атмосфере и водах анаэробные бактерии, для которых он губителен, заняли бескислородные ниши.
В древних ископаемых остатках, найденных в Австралии, возраст которых исчисляется 3,46 млрд лет, были обнаружены структуры, которые считают останками цианобактерий – первых фотосинтезирующих микроорганизмов. О былом господстве анаэробных микроорганизмов и цианобактерий свидетельствуют строматолиты, встречающиеся в мелководных прибрежных акваториях не загрязненных соленых водоемов. По форме они напоминают большие валуны и представляют интересное сообщество микроорганизмов, живущее в известняковых или доломитовых породах, образовавшихся в результате их жизнедеятельности. На глубину нескольких сантиметров от поверхности строматолиты насыщены микроорганизмами: в самом верхнем слое обитают фотосинтезирующие цианобактерии, вырабатывающие кислород; глубже обнаруживаются бактерии, которые до определенной степени терпимы к кислороду и не нуждаются в свете; в нижнем слое присутствуют бактерии, которые могут жить только в отсутствие кислорода. Расположенные в разных слоях, эти микроорганизмы составляют систему, объединенную сложными взаимоотношениями между ними, в том числе пищевыми. За микробной пленкой обнаруживается порода, образующаяся в результате взаимодействия остатков отмерших микроорганизмов с растворенным в воде карбонатом кальция. Ученые считают, что когда на первобытной Земле еще не было континентов и лишь архипелаги вулканов возвышались над поверхностью океана, мелководье изобиловало строматолитами.
В результате жизнедеятельности фотосинтезирующих цианобактерий в океане появился кислород, а примерно через 1 млрд лет после этого он начал накапливаться в атмосфере. Сначала образовавшийся кислород взаимодействовал с растворенным в воде железом, что привело к появлению окислов железа, которые постепенно осаждались на дне. Так в течение миллионов лет с участием микроорганизмов возникли огромные залежи железной руды, из которой сегодня выплавляется сталь.
Затем, когда основное количество железа в океанах подверглось окислению и уже не могло связывать кислород, он в газообразном виде ушел в атмосферу.
После того как фотосинтезирующие цианобактерии создали из углекислого газа определенный запас богатого энергией органического вещества и обогатили земную атмосферу кислородом, возникли новые бактерии – аэробы, которые могут существовать только в присутствии кислорода. Кислород им необходим для окисления (сжигания) органических соединений, а значительная часть получаемой при этом энергии превращается в биологически доступную форму – аденозинтрифосфат (АТФ). Этот процесс энергетически очень выгоден: анаэробные бактерии при разложении одной молекулы глюкозы получают только 2 молекулы АТФ, а аэробные бактерии, использующие кислород, – 36 молекул АТФ.
С появлением достаточного для аэробного образа жизни количества кислорода дебютировали и эукариотные клетки, имеющие в отличие от бактерий ядро и такие органеллы, как митохондрии, лизосомы, а у водорослей и высших растений – хлоропласты, где совершаются фотосинтетические реакции. По поводу возникновения и развития эукариот существует интересная и вполне обоснованная гипотеза, высказанная почти 30 лет назад американским исследователем Л.Маргулисом. Согласно этой гипотезе митохондрии, выполняющие функции фабрик энергии в эукариотной клетке, – это аэробные бактерии, а хлоропласты растительных клеток, в которых происходит фотосинтез, – цианобактерии, поглощенные, вероятно, около 2 млрд лет назад примитивными амебами. В результате взаимовыгодных взаимодействий поглощенные бактерии стали внутренними симбионтами и образовали с поглотившей их клеткой устойчивую систему – эукариотную клетку.
Исследования ископаемых останков организмов в породах разного геологического возраста показали, что на протяжении сотен миллионов лет после возникновения эукариотные формы жизни были представлены микроскопическими шаровидными одноклеточными организмами, такими как дрожжи, а их эволюционное развитие протекало очень медленными темпами. Но немногим более 1 млрд лет назад возникло множество новых видов эукариот, что обозначило резкий скачок в эволюции жизни.
Прежде всего это было связано с появлением полового размножения. И если бактерии и одноклеточные эукариоты размножались, производя генетически идентичные копии самих себя и не нуждаясь в половом партнере, то половое размножение у более высокоорганизованных эукариотных организмов происходит следующим образом. Две гаплоидные, имеющие одинарный набор хромосом половые клетки родителей, сливаясь, образуют зиготу, имеющую двойной набор хромосом с генами обоих партнеров, что создает возможности для новых генных комбинаций. Возникновение полового размножения привело к появлению новых организмов, которые и вышли на арену эволюции.
Три четверти всего времени существования жизни на Земле она была представлена исключительно микроорганизмами, пока не произошел качественный скачок эволюции, приведший к появлению высокоорганизованных организмов, включая человека. Проследим основные вехи в истории жизни на Земле по нисходящей линии.
1,2 млрд лет назад произошел взрыв эволюции, обусловленный появлением полового размножения и ознаменовавшийся появлением высокоорганизованных форм жизни – растений и животных.
Образование новых вариаций в смешанном генотипе, возникающем при половом размножении, проявилось в виде биоразнообразия новых форм жизни.
2 млрд лет назад появились сложноорганизованные эукариотные клетки, когда одноклеточные организмы усложнили свое строение за счет поглощения других прокариотных клеток. Одни из них – аэробные бактерии – превратились в митохондрии – энергетические станции кислородного дыхания. Другие – фотосинтетические бактерии – начали осуществлять фотосинтез внутри клетки-хозяина и стали хлоропластами в клетках водорослей и растений. Эукариотные клетки, имеющие эти органеллы и четко обособленное ядро, включающее генетический материал, составляют все современные сложные формы жизни – от плесневых грибов до человека.
3,9 млрд лет назад появились одноклеточные организмы, которые, вероятно, выглядели, как современные бактерии, и архебактерии. Как древние, так и современные прокариотные клетки устроены относительно просто: они не имеют оформленного ядра и специализированных органелл, в их желеподобной цитоплазме располагаются макромолекулы ДНК – носители генетической информации, и рибосомы, на которых происходит синтез белка, а энергия производится на цитоплазматической мембране, окружающей клетку.
4 млрд лет назад загадочным образом возникла РНК. Возможно, что она образовалась из появившихся на первобытной земле более простых органических молекул. Полагают, что древние молекулы РНК имели функции носителей генетической информации и белков-катализаторов, они были способны к репликации (самоудвоению), мутировали и подвергались естественному отбору. В современных клетках РНК не имеют или не проявляют этих свойств, но играют очень важную роль посредника в передаче генетической информации с ДНК на рибосомы, в которых происходит синтез белков.
А.Л. Прохоров
По материалам
статьи Ричарда Монастерски
в журнале National Geographic, 1998 г. No
3
Происхождение жизни на Земле - один из наиболее трудных и в то же время актуальный и интересный вопрос в современном естествознании.
Земля сформировалась, вероятно, 4,5-5 млрд. лет назад из гигантского облака космической пыли. частицы которой спрессовались в раскаленный шар. Из него в атмосферу выделялся водяной пар, а из атмосферы на медленно остывавшую Землю в течение миллионов лет в виде дождей выпадала вода. В углублениях земной поверхности образовался доисторический Океан. В нем примерно 3,8 млрд. лет назад зародилась первоначальная жизнь.
Возникновение жизни на Земле
Как произошла сама планета и как на ней появились моря? По этому поводу существует одна широко признанная теория. В соответствии с ней Земля образовалась из облаков космической пыли, содержащей все известные в природе химические элементы, которые спрессовались в шар. Горячий водяной пар вырывался с поверхности этого раскаленного докрасна шара, окутывая его сплошным облачным покровом, Водяной пар в облаках медленно охлаждался и превращался в воду, которая выпадала в виде обильных непрерывных дождей на еще раскаленную, пылающую Землю. На ее поверхности она снова превращалась в водяной пар и возвращалась в атмосферу. За миллионы лет Земля постепенно потеряла так много тепла, что ее жидкая поверхность, остывая, начала твердеть. Так образовалась земная кора.
Прошли миллионы лет, и температура поверхности Земли еще больше понизилась. Ливневые воды перестали испаряться и стали стекать в огромные лужи. Так началось воздействие воды на земную поверхность. А потом из-за понижения температуры произошел настоящий потоп. Вода, которая до этого испарялась в атмосферу и превратилась в ее составную часть, беспрерывно низвергалась на Землю, с громом и молниями обрушивались из облаков мощные ливни.
Мало-помалу в самых глубоких впадинах земной поверхности скапливалась вода, которая уже не успевала совсем испариться. Ее было так много, что постепенно на планете образовался доисторический Океан. Молнии рассекали небо. Но никто этого не видел. На Земле еще не было жизни. Непрерывный ливень начал размывать горы. Вода стекала с них шумными ручьями и бурными реками. За миллионы лет водные потоки глубоко разъели земную поверхность и кое-где появились долины. В атмосфере уменьшалось содержание воды, а на поверхности планеты ее скапливалось все больше.
Сплошной облачный покров становился тоньше, пока в один прекрасный день Земли не коснулся первый луч солнца. Непрерывный дождь кончился. Большую часть суши покрыл доисторический Океан. Из ее верхних слоев вода вымывала огромное количество растворимых минералов и солей, которые попадали в море. Вода из него непрерывно испарялась, образуя облака, а соли оседали, и с течением времени происходило постепенное засоление морской воды. По-видимому, при каких-то существовавших в древности условиях образовались вещества, из которых возникли особые кристаллические формы. Они росли, как и все кристаллы, и давали начало новым кристаллам, которые присоединяли к себе все новые вещества.
Солнечный свет и, возможно, очень сильные электрические разряды служили в этом процессе источником энергии. Может быть, из таких элементов зародились первые обитатели Земли - прокариоты, организмы без оформленного ядра, похожие на современных бактерий. Они были анаэробами, то есть не использовали для дыхания свободный кислород, которого тогда еще не было в атмосфере. Источником пищи для них служили органические соединения, возникшие на еще безжизненной Земле в результате воздействия ультрафиолетового излучения Солнца, грозовых разрядов и тепла, образующегося при извержении вулканов.
Жизнь существовала тогда в тонкой бактериальной пленке на дне водоемов и во влажных местах. Эту эру развития жизни называют архейской. Из бактерий, а возможно, и совершенно независимым путем, возникли и крошечные одноклеточные организмы - древнейшие простейшие животные.
Как выглядела первобытная Земля?
Перенесемся на 4 млрд лет назад. Атмосфера не содержит свободного кислорода, он находится только в составе окислов. Почти никаких звуков, кроме свиста ветра, шипения извергающейся с лавой воды и ударов метеоритов о поверхность Земли. Ни растений, ни животных, ни бактерий. Может быть, так выглядела Земля, когда на ней появилась жизнь? Хотя эта проблема издавна волнует многих исследователей, их мнения на этот счет сильно различаются. Об условиях на Земле того времени могли бы свидетельствовать горные породы, но они давно разрушились в результате геологических процессов и перемещений земной коры.
Теории происхождения жизни на Земле
В этой статье мы кратко расскажем о нескольких гипотезах возникновения жизни, отражающих современные научные представления. Как считает известный специалист в области проблемы возникновения жизни Стэнли Миллер, о возникновении жизни и начале ее эволюции можно говорить с того момента, как органические молекулы самоорганизовывались в структуры, которые смогли воспроизводить самих себя. Но это порождает другие вопросы: как возникли эти молекулы; почему они могли самовоспроизводиться и собираться в те структуры, которые дали начало живым организмам; какие нужны для этого условия?
Есть несколько теорий о происхождении жизни на Земле. Например, одна из давних гипотез гласит, что она занесена на Землю из космоса, но неоспоримых доказательств этого нет. Кроме того, та жизнь, которую мы знаем, удивительно приспособлена для существования именно в земных условиях, поэтому если она и возникла вне Земли, то на планете земного типа. Большинство же современных ученых полагают, что жизнь зародилась на Земле, в ее морях.
Теория биогенеза
В развитии учений о происхождении жизни существенное место занимает теория биогенеза - происхождение живого только от живого. Но многие считают ее несостоятельной, поскольку она принципиально противопоставляет живое неживому и утверждает отвергнутую наукой идею вечности жизни. Абиогенез - идея о происхождении живого из неживого - исходная гипотеза современной теории происхождения жизни. В 1924 г. известный биохимик А. И. Опарин высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4-4,5 млрд лет назад состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни. Предсказание академика Опарина оправдалось. В 1955 г. американский исследователь С. Миллер, пропуская электрические заряды через смесь газов и паров, получил простейшие жирные кислоты, мочевину, уксусную и муравьиную кислоты и несколько аминокислот. Таким образом, в середине XX века был экспериментально осуществлен абиогенный синтез белковоподобных и других органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли.
Теория панспермии
Теория панспермии - это возможности переноса органических соединений, спор микроорганизмов с одного космического тела на другое. Но она совершенно не дает ответа на вопрос, как зародилась жизнь во Вселенной? Возникает необходимость обоснования возникновения жизни в той точке Вселенной, возраст которой, согласно теории Большого взрыва, ограничен 12-14 миллиардами лет. До этого времени не было даже элементарных частиц. А если нет ядер и электронов, нет и химических веществ. Потом в течение нескольких минут возникли протоны, нейтроны, электроны, и материя вступила на путь эволюции.
Для обоснования этой теории используются многократные появления НЛО, наскальные изображения предметов, похожих на ракеты и «космонавтов», а также сообщения якобы о встречах с инопланетянами. При изучении материалов метеоритов и комет в них были обнаружены многие «предшественники живого» - такие вещества, как цианогены, синильная кислота и органические соединения, которые, возможно, сыграли роль «семян», падавших на голую Землю.
Сторонниками этой гипотезы были лауреаты Нобелевской премии Ф.Крик, Л.Оргел. Ф.Крик основывался на двух косвенных доказательствах: универсальности генетического кода: необходимости для нормального метаболизма всех живых существ молибдена, который встречается сейчас на планете крайне редко.
Зарождение жизни на Земле невозможно без метеоритов и комет
Исследователь из Техасского технологического университета, после анализа огромного объема собранной информации, выдвинул теорию о том, как же на Земле смогла образоваться жизнь. Ученый уверен, что появление ранних форм простейшей жизни на нашей планете было бы невозможно без участия упавших на нее комет и метеоритов. О своей работе исследователь поделился на 125-й ежегодной встрече геологического общества Америки, проходившей 31 октября в городе Денвер, Колорадо.
Автор работы, профессор геонауки в Техасском технологическом университете (ТТУ) и куратор музея палеонтологии при университете, Санкар Чаттерджи рассказал, что к такому выводу он пришел после анализа информации о ранней геологической истории нашей планеты и сопоставления этих данных с различными теориями химической эволюции.
Эксперт считает, что такой подход позволяет объяснить один из самых скрытых и не до конца изученных периодов в истории нашей планеты. По мнению многих геологов, основная масса космических «бомбардировок», в которых участвовали кометы и метеориты, приходилась на время около 4 миллиардов лет тому назад. Чаттерджи считает, что самая ранняя жизнь на Земле образовалась в кратерах, оставленных при падении метеоритов и комет. И вероятнее всего это произошло в период «Поздней тяжелой бомбардировки» (3,8-4,1 миллиарда лет назад), когда столкновение мелких космических объектов с нашей планетой резко возросло. На то время приходилось сразу несколько тысяч случаев падения комет. Что интересно, эту теорию косвенно поддерживает Модель Ниццы. Согласно оной реальное число комет и метеоритов, которые должны были упасть на Землю в то время, соответствует реальному числу кратеров на Луне, явившейся в свою очередь своего рода щитом для нашей планеты и не позволившей бесконечной бомбардировке ее уничтожить.
Некоторые ученые предполагают, что результатом этой бомбардировки является заселение жизнью океанов Земли. При этом несколько исследований на эту тему указывают на то, что наша планета имеет больше запасов воды, чем должна была. А излишек этот списывают на кометы, которые прилетели к нам с Облака Оорта, находящегося предположительно в одном световом годе от нас.
Чаттерджи указывает, что образовавшиеся в результате этих столкновений кратеры заполнились растаявшей водой из самих комет, а также необходимыми химическими строительными блоками, необходимыми для образования простейших организмов. При этом ученый считает, что те места, где даже после такой бомбардировки не появилась жизнь, просто оказались непригодны для этого.
«Когда около 4,5 миллиарда лет назад образовалась Земля, она была полностью непригодна для появления на ней живых организмов. Это был настоящий кипящий котел из вулканов, ядовитого горячего газа и постоянно падающих на нее метеоритов», - пишет онлайн-журнал AstroBiology, ссылаясь на ученого.
«А спустя один миллиард лет она стала тихой и спокойно планетой, богатой огромными запасами воды, населенной различными представителями микробной жизни - предками всех живых существ».
Жизнь на Земле могла возникнуть благодаря глине
Группа учёных под руководством Дань Ло (Dan Luo) из Корнеллского университета выступила с гипотезой, что концентратором для древнейших биомолекул могла служить обычная глина.
Изначально исследователи занимались не проблемой происхождения жизни – они искали способ повысить эффективность бесклеточных систем синтеза белка. Вместо того чтобы позволить ДНК и обслуживающим её белкам свободно плавать в реакционной смеси, учёные попробовали загнать их в частицы гидрогеля. Этот гидрогель, словно губка, впитывал реакционную смесь, сорбировал нужные молекулы, и в результате все нужные компоненты оказывались заперты в небольшом объёме – подобно тому, как это происходит в клетке.
Затем авторы исследования попытались использовать в качестве недорогого заменителя гидрогеля глину. Частицы глины оказались похожи на частицы гидрогеля, становясь своеобразными микрореакторами для взаимодействующих биомолекул.
Получив такие результаты, учёные не могли не вспомнить о проблеме происхождения жизни. Частицы глины с их способностью сорбировать биомолекулы могли бы на самом деле послужить самыми первыми биореакторами для самых первых биомолекул, пока те ещё не обзавелись мембранами. В пользу такой гипотезы говорит ещё и то, что вымывание силикатов и других минералов из скал с образованием глины началось, по геологическим прикидкам, как раз перед тем, когда, по мнению биологов, древнейшие биомолекулы начали объединяться в протоклетки.
В воде, точнее в растворе, мало что могло произойти, потому что процессы в растворе идут абсолютно хаотично, а все соединения очень неустойчивы. Глина современной наукой - точнее, поверхность частиц глинистых минералов - рассматривается как матрица, на которой могли образовываться первичные полимеры. Но это тоже только одна из многих гипотез, каждая из которых имеет свои сильные и слабые стороны. Но чтобы смоделировать зарождение жизни в полном масштабе, нужно действительно быть Богом. Хотя на Западе сегодня уже появляются статьи с названиями «Конструирование клетки» или «Моделирование клетки». Например, один из последних нобелевских лауреатов Джеймс Шостак сейчас активно предпринимает попытки создания эффективных клеточных моделей, которые размножаются сами по себе, воспроизводя себе подобных.
Современная концепция возникновения жизни на Земле является результатом широкого синтеза естественных наук, многих теорий и гипотез, выдвинутых исследователями разных специальностей.
Для возникновения жизни на Земле важна первичная атмосфера (планеты).
Первичная атмосфера Земли содержала метан, аммиак, водяной пар и водород. Воздействую на смесь этих газов электрическими зарядами и ультрафиолетовым излучением, ученым удалось получить сложные органические вещества, входящие в состав живых белков. Элементарными «кирпичиками» живого являются такие химические элементы, как углерод, кислород, азот и водород.
В живой клетке, по весу содержится 70 % кислорода, 17 % углерода, 10% водорода, 3% азота, затем идут фосфор, калий, хлор, кальций, натрий, магний, железо.
Итак, первый шаг на пути возникновения жизни заключается в образовании органических веществ из неорганических. Он связан с наличием химического «сырья», синтез которого может произойти при определённом излучении, давлении, температуре и влажности.
Возникновению простейших живых организмов предшествовала длительная химическая эволюция. Из небольшого числа соединений (в результате естественного отбора) возникли вещества со свойствами, пригодными для жизни. Соединения, возникшие на основе углерода, образовали «первичный бульон» гидросферы. Содержащие азот и углерод вещества возникли в расплавленных глубинах Земли и выносились на поверхность при вулканической деятельности.
Второй шаг в возникновении соединений связан с возникновением в первичном океане Земли биополимеров: нуклеиновых кислот, белков. Если предположить, что в этот период все органические соединения находились в первичном океане Земли, то сложные органические соединения могли образоваться на поверхности океана в виде тонкой плёнки и на прогреваемом солнцем мелководье. Анаэробная среда облегчала синтез полимеров из неорганических соединений. Несложные органические соединения начали объединяться в крупные биологические молекулы.
Образовались ферменты - белковые вещества - катализаторы, которые способствуют возникновению или распаду молекул. В результате активности ферментов возникли «первоэлементы» жизни - нуклеиновые кислоты, сложные полимерные вещества, состоящие из мономеров.
Мономеры в нуклеиновых кислотах расположены таким образом, что несут определенную информацию, код,
заключающийся в том, что каждой аминокислоте, входящей в белок, соответствует определённый белок из 3 нуклеотидов (триплет). На основе нуклеиновых кислот могут строиться белки и происходить обмен с внешней средой веществом и энергией.
Симбиоз нуклеиновых кислот образовал «молекулярно - генетические системы управления».
На этой стадии молекулы нуклеиновых кислот приобрели свойства самовоспроизведения себе подобных, стали управлять процессом образования белковых веществ.
У истоков всего живого стояли ревертаза и матричный синтез с ДНК на РНК, эволюция р - РНК - овой молекулярной системы в ДНК - овую. Так возник «геном биосферы».
Жара и холод, молний, ультрафиолетовая реакция, атмосферные электрические заряды, порывы ветра и водяные струи - всё это обеспечивало начало или затухание биохимических реакций, характер их протекания, генные «всплески».
К концу биохимической стадии появились такие структурные образования, как мембраны, ограничивающие смесь органических веществ от внешней среды.
Мембраны сыграли главную роль в построении всех живых клеток. Тела всех растений и животных состоят из клеток.
Современные учёные пришли к выводу, что первые организмы на Земле были одноклеточными прокариотами. По своему строению они напоминали бактерии или сине - зелёные водоросли, существующие в настоящее время.
Для существования первых «живых молекул», прокариотов необходим как для всего живого, приток энергии извне. Каждая клетка - маленькая «энергетическая станция». Непосредственным источником энергии для клеток служит АТФ и другие соединения, содержащие фосфор. Энергию клетки получают с пищей, они способны не только тратить, но и запасать энергию.
Учёные предполагают, что на Земле возникло множество первых комочков живой протоплазмы. Около 2 млрд. лет тому назад в живых клетках появилось ядро. Из прокариотов возникли эукариоты. Их на Земле насчитывается 25 - 30 видов. Самые простые из них - амёбы. У эукариотов существует в клетке оформленное ядро с веществом, содержащим код синтеза белка.
К этому времени наметился «выбор» растительного или животного образа жизни. Различия этих образов жизни связано со способом питания и возникновением фотосинтеза, который заключается в создании органических веществ (например, сахаров из углекислоты и воды при использовании энергии света).
Благодаря фотосинтезу, растения вырабатывают органические вещества, за счет которого происходит наращивание массы растений, и вырабатывают большое количество органических веществ.
С возникновением фотосинтеза в атмосферу Земли стал поступать кислород, и образовалась вторичная атмосфера Земли с высоким содержанием кислорода.
Появление кислорода и интенсивное развитие наземных растений - величайший этап в развитии жизни на Земле. С этого момента началось постепенное видоизменение и развитие живых форм.
Жизнь со всеми её проявлениями произвела глубочайшие изменения в развитии нашей планеты. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы всё шире распространялись по планете, принимая большое участие в перераспределении энергии и веществ в земной коре, а также в воздушной и водной оболочках Земли.
Возникновение и распространение растительности привели к коренному изменению состава атмосферы, первоначально содержащей очень мало свободного кислорода, и состоящей главным образом из двуокиси углерода и, вероятно, метана и аммиака.
Растения, ассимилирующие углерод из двуокиси углерода, привели к созданию атмосферы, содержащей свободный кислород и лишь следы углекислого газа. Свободный кислород в составе атмосферы служил не только активным химическим агентом, но также источником озона, преградившего путь коротким ультрафиолетовым лучам к поверхности Земли (озоновый экран).
Одновременно углерод, веками скапливавшийся в остатках растений, образовал в земной коре энергетические запасы в виде залежи органических соединений (каменный уголь, торф).
Развитие жизни в Мировом океане привело к созданию осадочных пород, состоящих из скелетов и других остатков морских организмов.
Эти отложения, их механическое давление, химические и физические превращения изменили поверхность земной коры. Всё это свидетельствовало о наличии на Земле биосферы, в которой развертывались и продолжаются поныне жизненные явления.
Живое на земле - откуда мы? В версиях недостатка нет - от сугубо научных до самых фантастических. Человечество ищет ответ на этот вопрос уже тысячелетия. Ответить на него попытался известный российский биофизик Всеволод Твердислов в ходе лекции, состоявшейся в образовательном центре «Сириус». Он объяснил, почему на Земле существует лишь один живой организм, что общего между слизевиком и железными дорогами в Токио и как нужно искать инопланетян. «Лента.ру» приводит основные тезисы его выступления.
Три вопроса
В науке для просвещенного человечества существует всего три вопроса: как появилась Вселенная, как в ней зародилась жизнь и как живое научилось думать. Чтобы разобраться в столь глобальных темах, мыслить нужно масштабно, не в рамках какой-либо одной конкретной науки.
Очень многие процессы можно объяснить с помощью такого понятия, как «самоорганизация активных сред». Активная среда энергетически и информационно совмещает разнородные процессы в пространстве и времени. Такие разные, казалось бы, явления, как распространение огня в степном пожаре, распространение слухов и инфекций, валют или языков объясняются одинаково, если рассматривать их с позиций биофизики.
Биофизика - раздел биологии, изучающий физические аспекты существования живой природы на всех ее уровнях, от молекул и клеток до биосферы в целом, а также наука о физических процессах, протекающих в биологических системах разного уровня организации и о влиянии на биологические объекты различных физических факторов. Биофизика призвана выявлять связи между физическими механизмами, лежащими в основе организации живых объектов, и биологическими особенностями их жизнедеятельности.
Иными словами, механизмы самоорганизации в физико-химических, биологических, экологических и социальных системах можно рассматривать с общих позиций. Имея представление о самоорганизации активных сред, можно создать модели, которые описывают такие несхожие на первый взгляд процессы, как работа лазера, свертывание крови, химические реакции, биение сердца или появление годовых колец у дерева.
Еще Аристотель утверждал: «Правильно в философии рассматривать сходство даже в вещах, далеко отстоящих друг от друга». Современная наука исходит из того, что это утверждение верно не только для философии.
Местные мы
Сколько на Земле организмов? Один: биосфера. Это единственный самодостаточный организм, под ногами у него таблица Менделеева, сверху аш ню падает, то есть кванты света. Ну и условия Земли, конечно, надо принимать во внимание.
Активная среда самоорганизуется по одинаковым принципам, независимо от ее размера. В качестве примера можно рассмотреть то, как по коре дуба расползается слизевик. Простейший организм, клетка размером в полмиллиметра, кусочек слизи, который может настолько разрастись, что покроет метры дерева.
Ученые провели эксперимент, взяв за основу географическую карту Токио и окрестностей. Вокруг слизевика, который как бы находится на месте японской столицы, они разложили пищу в тех местах, где располагаются соседние с Токио города и поселки. Слизевик начал движение в сторону пищи, прокладывая к ней каналы - «тропы». Когда исследователи сравнили схему движения подопытного организма и реальную карту японских транспортных артерий, они совпали. Все активные среды самоорганизуются, подчиняясь одним и тем же законам.
Самоорганизация - основа всего живого на земле. При этом важно учитывать, что определяется эта самоорганизация прежде всего физическими законами - даже в биологии, хотя люди привыкли трактовать биологию через химические соединения. Если речь идет о наследственности, то вспоминают ДНК. Если говорят о биологических рабочих инструментах, то подразумевают белки и ферменты. Если слышат об оболочке клетки, то на ум приходят липидные мембраны.
В результате даже астрономы, когда ищут жизнь во Вселенной, ориентируются на углеродные соединения, напоминающие аминокислоты. Если встречается что-то, напоминающее нуклеиновые кислоты, то делается предположение о существовании там форм жизни. Но ведь совершенно не очевидно, что вне Земли будут такие же ДНК, как здесь.
Как происходит естественный отбор на Земле? Природа предпочитает одни кислоты и отвергает другие не потому, что они ей нравятся или не нравятся. И даже не сами аминокислоты отбираются - природа выбирает среди разных физических форм принципы эффективности: самая эффективная побеждает. А значит, и внеземные цивилизации надо искать не через ДНК, из которых состоим мы, люди, а через физические формы потребления энергии.
На этом основана концепция сферы Дайсона, разработанная американским астрофизиком Фрименом Дайсоном. Идею он, кстати, позаимствовал из книги «Создатель звезд» фантаста Олафа Стэплдона. Как он предлагал искать инопланетный разум? Необходимо создать в космосе тонкую сферическую оболочку большого радиуса, сопоставимого с радиусом планетных орбит, со звездой в центре. Предполагается, что развитая цивилизация инопланетян может использовать сферу для полной утилизации энергии звезды или для решения проблемы жизненного пространства. По энергетическим колебаниям инопланетяне и будут обнаружены.
Пока вне Земли не найдено ни одного даже самого примитивного соединения, какое не могло бы быть синтезировано на нашей планете. Все, что обнаружено в космосе, производится самой Землей сейчас. Иными словами, нет никаких доказательств, что жизнь на Землю была привнесена извне. Это опровергает гипотезу панспермии, которая предполагает, что зародыш жизни (например, споры микроорганизмов) был занесен на нашу планету из космоса, скажем, метеоритом.
Если на метеорите прилетит пять аминокислот, ведь из них еще нужно сделать клетку. Представьте, что у вас есть скрипка, барабан и фагот, но один лишь факт наличия этих музыкальных инструментов еще не означает, что у вас есть оркестр. В этом и состоит главная тайна зарождения жизни. Этот оркестр нам на Землю никто не привозил. Все соединения, которые обнаружены в космосе, получаются и на Земле - с помощью молний и естественных природных катализаторов.
Избегайте равновесия
Часто можно услышать выражение «этот организм находится в равновесии с окружающей средой». Физик данную фразу трактует однозначно: «этот организм мертв». Мы с вами принципиально неравновесные и удалены от термодинамического равновесия, и уж если говорить о наших отношениях с окружающей средой, то находимся мы в термодинамическом, энергетическом и материальном балансе. Это могут быть стационарные отношения или нестационарные, но никак не равновесные. Равновесие у нас может быть только на погосте.
Сама суть жизни - это взаимодействия разностей химических и электрических потенциалов, концентраций и так далее. Только в случае неравенства и неравновесия может идти химический процесс. С точки зрения биофизика, энергетическая жизнь - это парабола. В нижней точке жизнь замирает, в каком-то смысле ее там нет. Процессы самоорганизации активной среды начинаются тогда, когда заканчивается равновесие и система удаляется от него.
Если взять две системы с одинаковым электрическим потенциалом - неважно, сколь он велик, - то никакого движения зарядов быть не может. Нужна асимметрия. Это - главное условие начала процессов. Химическими процессами движет физика. На этом строятся современные системные биология и биофизика. И сейчас одно из самых перспективных направлений - это наука, которая с одной стороны включает в себя биофизику, а с другой - синергетику.
Синергетика, или теория сложных систем - междисциплинарное направление науки, изучающее общие закономерности явлений и процессов в сложных неравновесных системах (физических, химических, биологических, экологических, социальных и других) на основе присущих им принципов самоорганизации. Синергетика является междисциплинарным подходом, поскольку принципы, управляющие процессами самоорганизации, представляются одними и теми же безотносительно природы систем, и для их описания должен быть пригоден общий математический аппарат.
Знаменитый французский физик, лауреат Нобелевской премии Пьер Кюри сказал, что природой движет нарушение симметрии, само движение по сути есть искажение симметрии, ведь симметрия - это статика.
Надо учитывать, что природа часто не подчиняется тому, что физики по традиции называют «законом». Например, закон Гука - утверждение, согласно которому деформация, возникающая в упругом теле, прямо пропорциональна приложенной к нему силе. Но этот закон неприменим к большим деформациям - невозможно растянуть пружинку, к примеру, на 10 километров. Значит, не каждый закон физики является законом природы. Надо разбираться в пропорциональных линейных зависимостях. Тут становится очевидным, что удаленные от равновесия системы могут проходить гладкие участки и попадать в так называемые точки бифуркации - то есть раздвоения.
Очень часто (особенно политики) говорят, что развитие должно идти по пути эволюции, а не революции. Но эволюция, в том числе биологическая, после гладкого развития идет как раз через бифуркацию, и предсказать, какой она будет, пройдя точку раздвоения, очень сложно. Степень точности прогноза - примерно как у синоптиков. Вероятность стопроцентного совпадения маловероятна, так как даже сама природа не знает, как себя поведет, пройдя точку бифуркации.
Предельно упрощая, можно сказать, что жизнь на Земле представляет собой систему, состоящую из двух сопряженных подсистем - биосферы и человеческой «экономики». Каждая из них является иерархически организованной активной средой, ни одна из них уже не может существовать сама по себе.
Именно в этом направлении сейчас развивается наука о живом - в поиске соотношения между потоками энергии вещества и информации и пространственно-временной самоорганизации. Например, почему рыбы часто плавают большими косяками? Таким образом они снижают сопротивление воды для каждой отдельной движущейся рыбы. Но вдруг появляется акула, и косяк распадается. Это функционально, но и это - изменение симметрии. А если посмотреть на произошедшее с точки зрения биофизика, это - бифуркация.
На пороге нового прорыва
К началу XX века практически все классические фундаментальные науки вроде бы были завершены. Географические открытия сделаны, астрономы все ближайшие созвездия и устройство Солнечной системы описали, геологи все разведали, физика и химия завершены, уравнения Максвелла написаны, электромагнетизм понят, теоретическая механика усвоена, таблица Менделеева есть, люди понимают, как устроены органические соединения. Казалось, все известно - дальше двигаться некуда.
И вдруг прорыв: появляется квантовая механика, появляется теория относительности, квантовая механика приходит в химию и придает ей новый мощный импульс. Уже к середине XX века у классических наук образовалось огромное количество ответвлений: физика твердого тела, физика высокомолекулярных соединений, физика космоса и так далее. Науки рассыпались по огромному числу прикладных направлений. Владимир Иванович Вернадский, знаменитый русский и советский ученый-естествоиспытатель, писал: «Рост научного знания XX века быстро стирает грани между отдельными науками. Мы все больше специализируемся не по наукам, а по проблемам».
Благодаря этому произошел сильнейший рывок цивилизации, мощный прорыв. Но человечество, обрадовавшись сильному старту, весьма бездарно провело вторую половину XX века и начало XXI. Прикладные направления наук не дали миру ничего по сути нового, они постоянно обновляют оболочку уже старых идей. Например, атомные электростанции стали намного надежнее, но сам принцип их функционирования не изменился с 1950-х годов. Гаджеты становятся тоньше, мы говорим, что они более современные, но принципы их действия остаются прежними.
Для нового цивилизационного прорыва настало время сосредоточиться не на прикладных направлениях науки, а на фундаментальных, чтобы дать миру новый прорыв, который затем прикладные направления будут еще сто лет эксплуатировать.
Происходит новое соединение наук. Физика начала соединять два своих крайних крыла, совмещая представления о самом малом и самом большом, то есть элементарные частицы и Вселенную. Ученые плотно занимаются теорией Большого взрыва. Такие же процессы идут в биологии. Исследователи консолидируют свои знания о большом (биосфере) и малом (геноме).
Кстати, в неспособности научить видеть картину мира в целом заключается одно из слабых мест и современного образования: ученики и студенты получают много разрозненных сведений, существующих в сознании обособленно, не превращаясь в единое знание. Часто употребляемое выражение «клиповое мышление» как нельзя лучше описывает эту ситуацию.
Что даст объединение наук? Скоро узнаем и, возможно, удивимся. Знаменитый английский писатель Артур Кларк, один из так называемой «большой тройки научных фантастов», чье влияние не ограничивалось рамками литературы, в своей книге «Черты будущего» (1962 год) сформулировал «законы Кларка», и первый из них гласит: «Если заслуженный, умудренный жизненным опытом ученый говорит, что нечто в науке возможно, он почти наверняка прав. Если же он говорит, что нечто невозможно, он почти определенно ошибается».
