5. Феномен жизни и человека

5. Феномен жизни и человека
5.1. Космические и планетарные предпосылки.
Основные концепции возникновения
До недавнего времени было принято считать, что жизнь на
нашей планете представляет собой локальный феномен, который
рассматривался в лучшем случае в масштабах Солнечной системы. Такой подход сложился исторически, со времён распространения геоцентрической системы мира Аристотеля − Птолемея, которая была поддержана в
течение более чем 2000 лет христианской церковью ввиду как нельзя лучшего совпадения
с библейской идеологией. Библия определяла Землю, как Богом избранную планету. Потом с большим трудом и многочисленными человеческими жертвами, своё место под
солнцем заняла система Николаса Коперника, которая отвела Земле рядовое штатное положение, каковых во Вселенной − ни один миллион.
Астрономические данные последнего времени дают учёным основание полагать, что
появление жизни на Земле стало возможным, как следствие эволюционного процесса всей
Вселенной. Если принять гипотезу Большого Взрыва, как начальную точку отсчёта, то вся
двадцати миллиардная история Вселенной может быть рассмотрена как подготовительный этап возникновения жизни во Вселенной и, в частности, на Земле. Жизнь в этом контексте следует рассматривать как один из закономерных этапов самоорганизации Космоса. Землю нельзя по современным понятиям рассматривать как некий изолированный объект, только условия которого способствовали возникновению живых организмов.
Земля, как космическое тело находится под воздействием вещества и физических полей самого различного свойства. Высокоэнергетические частицы и электромагнитное излучение широкого спектра длин волн и энергий, приходящие из дальнего космоса, взаимодействуя с ядрами атомов земной атмосферы и поверхности, рождают вторичные частицы и дополнительные виды излучения. Радиофизикам известно, что мощность излучения в радиодиапазоне галактики Лебедь-А превышает аналогичный параметр Солнца, несмотря на то, что находится от Земли на расстоянии 600 млн. световых лет. Солнце по
сравнению с Лебедем расположено рядом, всего − 8,5 световых минут [88].
Как отмечалось ранее, в период ранней Земли, когда её атмосфера только формировалась, уровень радиации Солнца и других космических объектов был существенно выше
нынешнего, что тоже внесло свою лепту в формирование условий возникновения жизни.
По мнению академика Шкловского И.С. при взрыве сверхновых звёзд синтезируется и
выбрасывается в космос огромное по массе количество атомов тяжёлых элементов, которые, взаимодействуя с водородом, рождали новые химические элементы, явившиеся
строительным материалом планет.
Наша Солнечная система движется вокруг оси, перпендикулярной галактической
плоскости, по траектории, в области которой маловероятно активное образование новых
звёзд и вспышек сверхновых. Если бы такая вспышка произошла на сравнительно малом
расстоянии от Солнечной системы, то живые организмы любой организации были бы
уничтожены.
Немаловажное значение на возникновение и развитие жизни имеет ритмичность космических процессов, периоды которых исчисляются сутками, месяцами, годами, столетиями, тысячелетиями и даже миллионами и миллиардами лет. Все живые организмы от
183
простейшей клетки до биосферы в целом существуют благодаря синхронизации биологических процессов с процессами в неживой природе, включая космические.
Современные данные учёных дают основание считать, что процессы преобразования
веществ и энергии в биологических системах любого известного уровня сложности протекают в колебательных, ритмичных процессах, синхронизированных с внешней средой
[83]. Исследования изменения во времени различных функций живых организмов показали, что можно выделить многочисленные периодические процессы, которые синхронизированы с ритмами более высокого уровня.
Некоторые колебательные
процессы в биологических
системах имеют автоколебательный и параметрический
характер. В том и другом
случае наблюдаются как процессы внутренней синхронизации, так и внешней синхронизации. Известен показательный пример. Сердце
представляет собой, широко
распространённую в природе,
автоколебательную систему
(Рис. 5.1), параметрами которой интересовались Леонардо
да Винчи, Галилео Галилей и
многие другие классики естествознания. Галилей в своих
Рис. 5.1. Сердце человека, изображённое Леонардо да
Винчи при выяснении причин его ритмических сокращений экспериментах использовал в
качестве отметчика времени
собственное сердце. При измерении периода колебаний маятника он устанавливал его величину по частоте своих сердечных сокращений, другого «секундомера» не существовало.
Если рядом с лежащим в спокойном состоянии человеком, сердце которого сокращается с частотой 60 раз в минуту, поставить метроном с частотой колебаний 55 колебаний в
минуту, то через некоторое время сердце человека подстроится под ритм метронома.
Галилей за единицу времени принял период между сокращениями его собственного
сердца, и эта единица странным образом вписалась в наши минуты, часы, месяцы и годы,
короче − в солнечный календарь. Естественно, что такие многофакторные совпадения маловероятны.
Исследователям к настоящему времени удалось установить, что клетки и макромолекулы находятся в зависимости от внешних и внутренних электромагнитных полей. Зарегистрированы циклические изменения распределения на уровне клеток и макромолекул
поверхностных зарядов и дипольных моментов. Организмы, в целом, периодически изменяют свой электрический потенциал.
В лабораториях установлено, что живые организмы разных видов могут обмениваться
электромагнитными сигналами и реагировать на внешние электромагнитные воздействия.
Мы уже говорили о влиянии солнечного излучения на состояние человеческого организма. Вполне вероятно, что есть и другие космические объекты, воздействующие на живые
организмы. Человеческая жизнь циклична, в целом. Часы, сутки, недели, годы − мы спим,
едим, работаем, отдыхаем, рождаемся и умираем в соответствие с этими естественными
циклами. Можно считать, что живые организмы упорядочены во времени, поскольку колебательные и волновые процессы с достаточной степенью точности можно прогнозировать на длительные промежутки времени.
184
Наряду с упорядоченностью во времени, живые организмы обнаруживают свойства
пространственной симметрии на разных уровнях своей внутренней структуры. Симметрия
атомов, молекул, кристаллических и аморфных структур, которая следует из свойств симметрии основных физических законов, в частности второго и третьего законов термодинамики, которые в сочетании с законом сохранения энергии предписывают всем физическим системам пребывать в состояниях с минимально возможным значением собственной
энергии и энергии, обусловленной взаимодействием. Следует упомянуть, так же, о симметрии электрических зарядов в объёме, занимаемом живыми организмами.
В зарождении и развитии живых организмов большую роль играют величины физических констант: гравитационной постоянной, постоянной Планка, массы и заряда элементарных частиц, которые определяют масштабы физических явлений.
Жизнь может возникнуть только на планетах обладающих вполне определёнными астрономическими, физическими и химическими характеристиками. Существует несколько
объективных ограничений. Прежде всего, следует указать ограничение по массе планеты.
Планеты, обладающие малой массой, не могут своим гравитационным полем удержать
газовую оболочку − атмосферу. В качестве примера можно взять Меркурий и Луну, хотя
последняя и не является планетой в полном смысле этого слова. В табл. 5.1 приведены параметры планет Солнечной системы.
Таблица 5.1.
Планета
Меркурий
Венера
Земля
Марс
Юпитер
Сатурн
Уран
Нептун
Плутон
Объём Земли VЗ ≅ 1⋅1021м3; масса Земли МЗ ≅ 6⋅1024 кг;
Период собственного
Радиус,
Объём
Масса
ρ, 103,
g, м/с2
3
вращения
км
VЗ = 1
МЗ = 1
кг/м
2420
0,055
0,053
5,3
3,6
57,7 суток
6200
0,91
0,815
4,95
8,5
243 суток
6378,39
1,00
1,00
5,517
9,81
24 часа
3400
0,150
0,107
3,95
3,76
24,5 час
71400
1317
318,0
1,33
26
10 часов
60400
762
95,22
0,687
11,2
10час 14 мин
23800
50
14,55
1,56
9,4
0,89 суток
22800
42
17,23
2,27
15
0,53 суток
3000
1,3
0,9
4
8
0,39 суток
Планеты с массой превышающей 1/20 массы Солнца (МС ≅ 2⋅1030 кг) не могут рассматриваться, как способные генерировать жизнь, потому что в их недрах вследствие гравитационного сжатия протекают термоядерные реакции, приводящие к высоким поверхностным температурам, при которых маловероятно существование живой материи. Кроме
того, на удалённых от Солнца массивных планетах с массами большими МС/1000 атмосфера вследствие гравитации настолько плотная, что солнечные лучи, по крайней мере, в
видимом и ультрафиолетовом диапазоне, на поверхность не проникают в должных количествах. К таким планетам относятся Юпитер и Сатурн. В благоприятный массовый диапазон попадают, таким образом, Земля, Марс и Венера. В масштабах Вселенной, по оценкам астрофизиков массу, удовлетворяющую условиям возникновения жизни, имеют около
1% планет. В абсолютном исчислении это выражается несколькими миллиардами.
Температурные ограничения зависят от того, какая форма жизни предполагается к рассмотрению. Если речь идёт об углеродной основе, как на нашей планете, то температура
не должна превышать предела температурной стабильности органических молекул, которые разрушаются при температуре + 250 0С. На поверхности Земли температурный предел
составляет + 100 0С. В области низких температур предельные значения имеют более широкий диапазон. Некоторые простейшие микроорганизмы в состоянии анабиоза могут
длительное время находится при температурах, близких к абсолютному нулю, -273 0С.
Температура на поверхности планеты определяется, прежде всего, параметрами светимости ближайшей звезды и расстоянием до неё. Так, например, в нашей Солнечной системе на поверхности близких к Солнцу планет температура несовместима с известными
185
человеку формами жизни. На Меркурии температура поверхности превышает температуру плавления свинца. Такая же ситуация складывается и на дальних планетах (Уран, Нептун), где температуры поверхности опускаются ниже -200 0С. В области благоприятных
температур помимо Земли находятся Марс и Венера.
Помимо температурных ограничений существуют, так называемые, траекторные ограничения. В соответствие с гелиоцентрической моделью Коперника и законам Кеплера,
планеты вращаются вокруг солнца по эллиптическим траекториям. Если эллипсы имеют
большой эксцентриситет, т.е. орбиты планет вытянуты, то на участках максимального
приближения к звезде температуры на их поверхности будут выше «жизненного» интервала температур, а на участках максимального удаления − наоборот, температуры опустятся ниже допустимого для жизни значений. Чем траектория планеты по форме ближе к
окружности, при соответствующем расстоянии от светила, тем наиболее вероятен на ней
процесс зарождения жизни. Эксцентриситет земной орбиты равен 0,017, т.е. она вращается практически по круговой траектории.
Существуют ещё ограничения по возрасту звезды. Если считать, что земная жизнь развивается примерно в течение 3,5 − 4 млрд. лет, то возраст звезды, в окрестностях которой
возможна планета с живыми формами, должен превосходить это значение.
Для возникновения живых организмов необходим вполне определённый набор химических элементов, который складывается из звёздной, солнечной компонент. В табл. 5.2.
приведен элементный состав солнечного и звёздного вещества в сопоставлении с набором
веществ в тканях растений и животных [88]
Таблица 5.2
Химический
элемент
Водород (Н)
Гелий (He)
Азот (N)
Углерод (С)
Магний (Mg)
Кислород (О)
Кремний (Si)
Сера (S)
Железо (Fe)
Прочие элементы
Звёздное
вещество
81,76
18,7
0,33
0,03
Содержание, %
Солнечное
Растения
вещество
87,0
10,0
12,9
−
0,28
0,33
0,3
0,8
0,25
79,0
Животные
10,0
−
0,3
18,0
0,05
65,0
0,01
0,004
0,15
0,254
0,001
0,04
7,49
3,696
Как можно видеть живые организмы и растения состоят из одних и тех же химических
элементов, что и космические объекты, что указывает на единство физического и химического устройства Вселенной. Самым распространённым во Вселенной химическим элементом является водород, на втором месте − гелий. В составе живых организмов и растений лидирующее место занимает кислород, затем − азот и элементы с более тяжёлыми ядрами. Живая природа на 92 − 96% состоит из атомов водорода, углерода, азота и кислорода. Другими словами, живые организмы и растения построены из комбинаций наиболее
распространённых во Вселенной атомов.
Водород, кислород и азот в таблице Д.И. Менделеева расположены в первых двух периодах. Атомы этих элементов обладают свойствами образовывать устойчивые кратные
связи с другими элементами, что характеризует их высокую реакционную способность.
Углерод, входящий в состав живых организмов и растений обладает способностью создания протяжённых цепных структур, что послужило причиной возникновения сложных полимеров, которые сыграли решающую роль при трансформации неживой материи в живую. К биогенным элементам принято относить серу и фосфор. Несмотря на незначительное удельное содержание в организмах и растениях, их роль в протекании сложных биохимических реакций неоспоримо велика.
186
На протяжении длительного времени, насколько это можно судить по оставленным
рукописным и рукотворным памятникам, человечество интересуется обстоятельствами
своего появления на Земле. Подтверждением такого неугасающего интереса могут служить построения религиозных теорий, как языческих, так и современных. Во все времена
одной из центральных тем религиозной догматики было описание сотворения живых организмов вообще и человека, в частности.
К настоящему времени можно выделить четыре основные гипотезы, которые особенно
интенсивно обсуждаются в научной и популярной литературе, с привлечением всех возможных средств массовой информации. Эта тема является своеобразной палочкойвыручалочкой в информационных игрищах современной цивилизации. Темой происхождения можно легко отвлечь от насущных проблем миллионы верующих и неверующих
людей и вызвать заинтересованную ответную реакцию, причем, не прибегая к применению глубоких знаний в области естественных наук. Ввиду давности произошедшего и неосведомлённости в тонкостях большинства заинтересованной аудитории можно без зазрения совести лоббировать любую из четырёх гипотез, приводя «весомые» аргументы против остальных.
Первой гипотезой, по крайней мере, по популярности среди основной массы читателей
и телезрителей, является − креационизм. Термин образовался от латинского слова creato −
творение, созидание. Эта гипотеза, как отмечено выше активно эксплуатируется всеми
религиями мира. Так, например, христианство, ислам и буддизм предполагают в разных
формах существование некого высшего создания − Бога, собственно создавшего весь сущий мир и управляющий его «работой». По религиозным представлениям Вселенная, созданная Творцом, имеет недопустимо младенческий, несоответствующий даже приближённо действительности, возраст, составляющий в лучшем варианте − несколько тысяч
лет. Эта гипотеза, по мнению её сторонником наиболее логична по сравнению с остальными. Концепция Творца позволяет все заботы о доказательствах возложить на него же,
отметя все вопросы одной сакраментальной фразой: «Такова воля Божья!».
В последнее время, правда, церковь видоизменила свои подходы, они стали не так категоричны и всеобъемлющи. В 1996 г. папа Иоанн Павел II в апостольском послании уведомил паству, что католическая церковь частично признаёт справедливость эволюционной теории в части формирования плоти. За Божьим промыслом оставлена только душа.
Гипотеза креационизма, вместе с тем, имеет право на дальнейшее изучение и обсуждение на соответствующем научном уровне хотя бы потому, что факт возникновения жизни на Земле является результатом большого числа маловероятных событий, помочь в организации которых могли «высшие силы».
Ещё одна гипотеза основывается на возможности возникновения живой материи самопроизвольно из неживой субстанции. Эта гипотеза превалировала над остальными в период средневековья и эпохи Возрождения. Луи Пастер в 1862 г. провёл серию опытов показавших несостоятельность этой гипотезы.
Не меньше сторонников, чем у креационизма у гипотезы, в основе которой лежит панспермия, т.е. внесение на Землю жизни из необъятных просторов космоса. У этой теории,
теории панспермии, на протяжении её существования с конца XIX в. было много сторонников среди учёного люда. В разной степени её поддерживали Кельвин, Гельмгольц, Томсон и др. Несмотря на принципиальную возможность такого факта, есть некоторые серьёзные противоречия, такие как длительность путешествия, высокая радиационная и термическая опасность гибели живых образований. Есть у этой гипотезы и неоспоримые положительные моменты. В живых организмах содержится молибден, которого на земле
слишком мало, чтобы природа решилась его использовать в своих живых конструкциях.
Кроме того, универсальность генетического кода всех живых организмов даёт некоторые
основания предположить, что начало жизни произошедшим от одного «зародыша». Если
принять это предположение, то вопрос о самом изначальном месте возникновения жизни
по-прежнему остаётся открытым.
187