Де й iз чого зароджуiться життя?

Реферат

Де й iз чого зароджуiться життя?

За останнi кiлька рокiв при дослiдженнi радiоастрономiчними методами газопилових хмар у Галактицi в них було виявлено кiлька типiв органiчних сполук. Особливо вiдзначимо синильну кислоту, формальдегiд, метиламiн, спирти. (Всi цi простi молекули - ключовi вихiднi продукти для синтезу бiльше складних сполук, абсолютно необхiдних для життя, наприклад, амiнокислот - будiвельних блокiв бiлка.) Таке вiдкриття тим бiльше дивно, що ранiше в газопилових хмарах передбачалася лише присутнiсть водню й деякого числа двохатомних сполук. Оскiльки цi хмари (або iхнi фрагменти) ототожнюються як райони зародження зiрок i планетних систем, те подiбнi результати спостережень становлять винятковий iнтерес.

Пiсля вiдкриття органiчних молекул у газопилових хмарах мiжзорянi порошини, на яких можуть концентруватися цi молекули, сталi називати носiннями життя. Зовсiм недавно знаменитий англiйський астрофiзик Ф. Хойл висунув iдею про те, що в глибинах Космосу життя може зароджуватися саме на мiжзоряних порошинах. Бiльше того, Ф. Хойл i його спiвавтор Н. Викрамсингх зв'язують епiдемii грипу на Землi iз внесенням збудникiв цiii iнфекцii з Космосу. Правда, Хойл делiкатно обходить питання про те, як виникаi життя на мiжзоряних порошинах.

Ще ранiше висловлювалися думки про те, що життя здатне розвиватися на кометах i астероiдах. Але подивимося, чи може дiйсно виникнути життя в результатi хiмiчних процесiв у холодних газопилових хмарах?

Порiвняно простi молекули, такi, як формальдегiд i синильна кислота, там i. Вони виникають iз льодiв простих газiв, таких, як пари води, метан, амiак, на поверхнi порошин. Що ж потiм?

Реакцii утворення бiльше складних полiмерiв iдуть при низьких температурах дуже повiльно. Крiм того, через дуже низьку температуру на порошинах немаi рiдкоi води, що необхiдна для всього живого. Та й мiжзорянi порошини дуже малi, менше мiкрона, навiть нормальна бактерiальна клiтка бiльше. Нi, для життя потрiбний комфорт, а тут i холодно й "тiсно".

У метеоритах знаходять уже бiльше складнi сполуки вуглецю - амiнокислоти. Здавалося б, усього один крок до живого. Але немаi. Метеорити теж свого роду еволюцiйний тупик, оскiльки в них немаi нi гiдросфери (хоча небагато води в хiмiчно зв'язаному видi все-таки i), нi атмосфери. Що ж тодi залишаiться? Тiльки планети?

Тiльки планети.

Спробуiмо розiбратися, чому. Для цього нам доведеться подивитися, якi природнi фактори критичнi для життя. Природно, спочатку ми будемо поки говорити про те, що ближче: про нашого, земний, життя.

Добре вiдомо, що так званi термофiльнi (теплолюбнi) форми мiкроорганiзмiв iснують, у гарячих вулканiчних джерелах, температура яких досягаi в деяких випадках 95-98 градусiв Цельсiя. Механiзми, якi усувають ушкодження в клiтках i пiдвищують iхня стiйкiсть до високоi температури, до кiнця незрозумiлi, так у нас iз вами немаi необхiдностi вдаватися в детальний аналiз бiохiмii термофiлiв. Ясно, що еволюцiя виробила захиснi механiзми. Однак верхня температурна межа життiдiяльностi органiзмiв, безумовно, i, i ми не допустимо серйозноi помилки, якщо встановимо його близько 100 градусiв Цельсiя.

У тому випадку, якщо життя вже iснуi, нижня температурна границя не настiльки критична. Однак ми акцентуiмо свою увагу на проблемi зародження життя, i нам необхiдно враховувати швидкостi хiмiчних реакцiй. Оскiльки бiльшiсть реакцiй проходить у рiдкiй фазi, то для нормальноi життiдiяльностi автоматично виходить i нижня температурна границя близько 0 градусiв по шкалi Цельсiя.

Отже, для зародження життя ми одержуiмо досить вузький температурний iнтервал, усього близько 100 градусiв. Причому важливо, що стабiльнiсть температур повинна зберiгатися дуже довгий час без помiтних перепадiв.

Де ж можуть бути такi умови? Тiльки на планетах, що мають атмосферу. Саме атмосфера - фактор планетарного масштабу, що виключаi рiзкi температурнi перепади. Наприклад, на Мiсяцi, позбавленоi повiтря, перепади температури вночi й удень великi: вiд + 110 до -120, бiльше двохсот градусiв, а на Венерi й Землi вони незначнi.

Оскiльки саме в атмосферi, гiдросферi й на поверхнi роздягнула фаз вiдбуваiться синтез органiчних молекул, те цiлком зрозумiло, що для проходження реакцiй синтезу на планетах повиннi бути якi-небудь джерела енергii.

Отже, планети, так ще планети з атмосфери. До речi, атмосфера виконуi ще одну дуже важливу функцiю: вона захищаi тендiтнi органiчнi молекули вiд руйнiвноi дii ультрафiолетового випромiнювання батькiвськоi зiрки. Наприклад, у нас на Землi життя навряд чи було б можливе, якби в атмосферi не було озонового екрана. Саме цей екран затримуi найнебезпечнiшу частину випромiнювання Сонця.

Умовимося називати планети, де життя типу земний у принципi може iснувати, "зеленими планетами".

На таких планетах повинна бути атмосфера, гiдросфера й досить комфортна м'яка погода. Але як довго все це повинне iснувати? Тисячу, мiльйон, мiльярд рокiв?

Вiк Землi - близько 4,5 мiльярди рокiв, i палеонтологи затверджують, що 3,5 мiльярди рокiв тому на Землi вже було життя. А скiльки живуть зiрки?

Адже вiдомо, що деякi з них вибухають. Це так званi новi й зверх новi зiрки. Ясно, що, якщо зiрка вибухне, бiля ii не залишиться нiчого живого. РЖснуi загальне правило в астрофiзику: чим зiрка гаряче, тим менше строк ii життя. Тому "зеленi планети" можуть бути тiльки бiля не дуже гарячих зiрок, i тодi в сферi нашого розгляду залишаться лише зiрки iз часом життя не менш мiльярда рокiв, тобто зiрки спектральних класiв F, G, ДО, М.

Тут, однак, iстотним фактором i тепловий потiк, що досягаi поверхнi планети, оскiльки всi ми не любимо, коли занадто холодно. Наприклад, енергiя випромiнювання М-Карлика становить лише близько 5 вiдсоткiв енергii зiрки типу Сонця. Але якщо планета в системi М-Карлика перебуваi недалеко вiд зiрки, там будуть цiлком комфортнi умови для життя.

Еволюцiя органiчних сполук може досягати високого рiвня лише на планетах. Дiйсно, у газопилових утвореннях концентрацii речовини занадто низькi, близько 1 атома в кубiчному сантиметрi, щоб з ефективнiстю йшли реакцii утворення бiополiмерiв. Не можна, щоправда, виключити можливiсть синтезу простих амiнокислот i в газопилових хмарах, i в атмосферах iнфрачервоних зiрок. Що стосуiться комет, то в лабораторних умовах, що вiдтворюють "кометну" обстановку, ученi продемонстрували можливiсть утворення досить складних органiчних молекул, а в метеоритах амiнокислоти втримуються в помiтних кiлькостях. Проте для всiх процесiв ускладнення необхiднi досить високi концентрацii матерiалу, i саме тому всi перерахованi об'iкти i свого роду еволюцiйними тупиками. Отже, все-таки планети.

Скiльки ж "зелених планет" у нашiй Галактицi?

Якщо вважати, що системи типу нашоi сонячноi не виключення, тодi тiльки в нашiй Галактицi планет, придатних для життя, може бути бiльше мiльйона.

А чи можуть бути планети без зiрок? У принципi, так.

На таких планетах за рахунок iхнього внутрiшнього тепла теж могла б iснувати життя, аналогiчна найпростiшим формам нашого земного життя, наприклад, бактерii.

Так чому ж все-таки вуглець i вода становлять основу життя?

Ще в 1913 роцi бiохiмiк з Гарвардського унiверситету, Л. Гендерсон, видав книгу "Придатнiсть навколишнього середовища". Автор дiйшов висновку, що все живе повинне складатися з води й вуглецю, оскiльки сам Л. Гендерсон складаiться з води й вуглецю. Аргумент, звичайно, сильний, але спробуiмо подивитися на це завдання бiльш серйозно.

Всi вiдомi на Землi живi органiзми, а також викопнi форми життя в певному змiстi хiмiчно однаковi: бiлки, нуклеiновi кислоти, жири, цукрi й ряд iнших бiологiчно важливих молекул, побудованих з обмеженого кола елементiв. Це так званi абсолютнi органогени, серед яких центральне мiсце займаi вуглець. У число абсолютних органогенiв входять також кисень, азот, фосфор, водень, сiрка, калiй, кальцiй i магнiй.

Всi хiмiчнi реакцii в клiтках iдуть у водяному розчинi, причому саме у водi реалiзуються тисячi бiохiмiчних процесiв, що пiдтримують життiдiяльнiсть органiзму.

Але чому ж саме вуглець i вода грають настiльки унiкальну роль у хiмii живого? Бути може, на Землi iснували iншi форми життя, побудованi на iншiй хiмiчнiй основi, якi згодом були знищенi вуглецевим життям? Чи можливi в принципi "iншi хiмii" життя? Цi питання мають фiлософське й наукове значення.

Моделi живих систем, заснованих не на водно-вуглецевiй основi, розроблялися останнiм часом досить широко. У першу чергу тут потрiбно вiдзначити життя на основi амiаку, кремнiю й галогенiв. Ми спочатку викладемо основнi принципи цих псевдо життя, а потiм проаналiзуiмо спiввiдношення мiж гiпотетичними живими системами й вуглецевими формами життя.

Звичайно як можливий замiнник вуглецю розглядаiться кремнiй. Дiйсно, мiж цими двома елементами дуже багато загального. У перiодичнiй системi елементiв вони перебувають в однiй групi, мають однакову валентнiсть. Тому "кремнiiве життя" обговорюiться досить часто не тiльки в науково-фантастичнiй лiтературi, але й на сторiнках науковоi печатки.

РЖз приводу можливостi iснування життя, заснованоi на кремнii, iснують полярнi точки зору.

Так, наприклад, англiйський астроном-аматор В. Фiрсов у своiй книзi "Життя поза Землею" затверджуi, що кремнiiве життя може бути широко представлена у Всесвiтi.

Проте подiбнiсть кремнiю й вуглецю не даi достатнiх пiдстав для побудови гiпотетичних живих систем, що мiстять як основна ланка кремнiй. Проти кремнiiвого життя можна висунути ряд серйозних аргументiв.

Американський хiмiк Д. Уолд у своiй роботi "Чому жива речовина базуiться на елементах другого й третього перiодiв перiодичноi системи" звертаi увагу на те, що зв'язок мiж атомами кремнiю (ми будемо iх називати надалi кремнiй кремнiiвi зв'язки) нестiйка в присутностi води, амiаку або кисню. Це дуже сильне заперечення проти кремнiiвого життя.

Вiдносна поширенiсть кремнiю в земнiй корi, майже на два порядки вище вуглецю. Проте, кремнiй не граi практично нiякоi ролi в бiохiмii живого. Здавалося, для природи було б набагато легше сконструювати життя на основi бiльше доступного елемента. Однак у цьому випадку природа не пiшла за принципом економii, i в неi були вагомi причини. Кремнiй володii поруч характерних хiмiчних властивостей, якi роблять його зовсiм непридатним для побудови складних бiологiчних молекул, що працюють у клiтцi.

Так, всi сполуки кремнiю з воднем нестiйкi при нормальних температурах, i, навпаки, сполуки, побудованi на основi зв'язкiв кремнiй - кисень (це просто добре всiм вiдомий пiсок), досить стiйкi в термiчному вiдношеннi до дуже високих температур.

Помiтимо також, що в цей час невiдомi сполуки, що i аналогами молекул, що мiстять вуглець, кисень i водень: альдегiдiв, кетонiв, карбонових кислот, складних ефiрiв i амiнiв. Це обумовлено нездатнiстю кремнiю утворювати подвiйнi й потрiйнi зв'язки, настiльки характернi для органiчноi хiмii; тому кремнiй утворить твердi полiмери iз кремнiй-кисневими зв'язками.

Перерахованi вище властивостi кремнiю (а також аргументи, наведенi Уолдом) роблять досить малоймовiрним використання такого елемента як основу для побудови життя. Правда, американський хiмiк з Берклi, Г. Пиментел, уважаi, що при низьких температурах кремнiiве "псевдо життя" може розвиватися бiльш успiшно, нiж вуглецеве. Однак потрiбнi неводнi розчинники, а ця обставина знову веде нас у сферу спекуляцiй. Фiрсов пропонуi як можливi замiни води як унiверсального розчинника на сульфiди фосфору й таке абсолютно невивчена сполука, як Н3PS4 - сiрчаний аналог ортофосфорноi кислоти, що виходить iз фосфористого водню й H2S. Менi здаiться, що це все малоймовiрно в силу деяких загальних мiркувань астрофiзичного плану. Адже вода - одне з найпоширенiших сполук у Космосi.

Розглянемо тепер модель так званого "рiдкого амiачного життя", що також досить часто пропонуiться як можлива форма iснування неземних живих систем.

Гiпотетична амiачна бiохiмiя, або, як ii ще називають, хiмiя Франклiна, виходить простою замiною кисню в органiчнiй молекулi на амiногрупу (= NH). Сiрка в сполуцi залишаiться або також замiщаiться на азот, а замiсть води як унiверсальний розчинник використовуiться амiак.

Розглянемо деякi властивостi амiаку докладнiше.

При нормальному тиску амiак iснуi як рiдина в дуже вузькому iнтервалi температур вiд -77,7 до - 33,4 градуси Цельсiя. Критичнiй температурi + 132,4 градуси, тобто температурi, вище якоi не можна одержати амiак у виглядi рiдини, вiдповiдаi тиск 120 атмосфер. Схованi теплоти в амiаку рiвнi 332 калорiям на грам для паротворення й 84 калорiям на грам для плавлення. По цих параметрах амiак схожий на воду.

Автори моделей "амiачного життя" затверджують, що в повнiстю безводних умовах амiачнi форми бiлкiв будуть дiяти як ферменти-каталiзатори настiльки ж добре, як i у звичайних водних середовищах. Це припущення виглядаi сумнiвно, тому що швидше за все в рiдкому амiаку бiлки-ферменти через змiну iхньоi структури не зможуть "працювати". Крiм того, якщо виходити з вимоги нормальних швидкостей хiмiчних реакцiй, необхiдно сильно пiдвищити крапку кипiння амiаку (скажемо, до 100 градусiв), що вiдповiдаi бiльше високим тискам близько 60 атмосфер.

Дуже важко уявити собi, що при обраних значеннях тиску й температури можуть де-небудь iснувати повнiстю безводнi умови. Але як тiльки ми переходимо до водяних розчинiв амiаку, амiачнi аналоги бiлкiв виявляються в сильно лужному середовищi й перестають працювати як ферменти.

Для регулювання дiяльностi клiтинних мембран в амiачнiй хiмii пропонуються такi екзотичнi сполуки, як хлористий цезiй або хлористий рубiдiй.

Через малу космiчну поширенiсть цезiю й рубiдiю подiбна схема може становити iнтерес тiльки для умоглядних побудов.

Таким чином, "амiачне життя" з погляду загальних фiзико-хiмiчних мiркувань здаiться досить малоймовiрною.

Ще бiльше екзотичнi варiанти пов'язанi з використанням галогенiв замiсть водню (галоген вуглецева форма). У цьому випадку використовуiться хлор або фтор, тому що атоми брому i йоду мають занадто бiльшi розмiри.

Якi ж повиннi бути умови на планетi, багатоi галогенами? Атмосфера на такiй планетi повинна мiстити бiльшi кiлькостi фтору й хлору, а гiдросфера може складатися iз соляноi або плавиковоi кислоти.

Не говорячи вже про те, що всi мiнерали нестiйкi в присутностi плавиковоi кислоти, виникнення подiбних систем виключено в силу одного простого мiркування. Життя iснуi на Землi на поверхнi дуже тонкого (у порiвняннi з радiусом Землi) шару - земноi кори. Здавалося б, хiмiчний склад живих систем повинен бути хоч у якiмсь ступенi схожий на хiмiчний склад екологiчноi нiшi перебування - кори.

Але немаi. По своiму хiмiчному складi жива речовина набагато ближче до Всесвiту, чим до земноi кори. Ця обставина i непрямим доказом принципу унiверсальностi побудови живих систем у рiзних дiлянках Всесвiту.

Як видно, саме абсолютнi органогени здатнi в процесi еволюцii утворювати живi системи. Концентрацii хлору й фтору у Всесвiтi винятково малi стосовно водню (одна десяти мiлiонна й одна стомiльйонна частка вiдповiдно). От чому подiбнi моделi виглядають досить непереконливо. Незрозумiло, навiщо й де буде вiдбуватися замiна водню на галогени?

Добре вiдомо, що саме водень i основним елементом Всесвiту. РЖ тому, розглядаючи нормальнi змiсти елементiв у Всесвiтi, ми приходимо до iдеi водно-вуглецевого шовiнiзму.

Варто пiдкреслити, що формальнi замiни вуглецю на кремнiй, водню на галогени й так далi малопродуктивнi в планi побудови якоiсь новоi хiмii життя. Ми, очевидно, нiколи не зумiiмо пiдiбрати елемента, здатного краще вуглецю утворювати макромолекули, i розчинника бiльше унiверсального, чим вода. Крiм того, абсолютнi органогени i найбiльше "доступними" елементами в Космосi.

Безперечно, не можна повнiстю виключити хiмiчнi флуктуацii у Вселеноi, i теорiя пiдказуi нам такi можливостi. Однак спостережливi данi астрономii (я маю на увазi органiчнi молекули в Космосi) служать серйозною пiдтримкою того положення, що якщо де-небудь ще, крiм Землi, у Всесвiтi й iснуi життя, то в основi ii повинна лежати хiмiя вуглецю.

А це значить, що життя-те у Всесвiтi повинна бути схожоi в цiлому на нашу. Це дуже серйозний висновок, i зроблений вiн у досить категоричнiй формi, хоча в попереднiй фразi не вживаiмо слiв "обов'язково" i "тiльки". Але адже вiн зроблений пiсля досить ретельного аналiзу, з використанням арсеналу сучасноi фiзики й хiмii. РЖ цей висновок не накладаi нiяких обмежень на можливiсть iснування форм життя, що зовнi вiдрiзняються вiд земноi.

Адже навiть iз чисто фiлософських позицiй важко вважати, що наша форма життя унiкальна. У Вселеноi немаi унiкальних явищ i об'iктiв. Про це говорилося на Бюраканськоi конференцii. Ще ранiше цю думку висловлювали древнi фiлософи.

Ну а як же знаменитi кiборги - синтез машини й розуму - або вже згадуване плазмена хмара Ф. Хойла?

На жаль, закони фiзики виключають можливiсть стабiльного iснування таких плазмених утворень.

Один з аспiрантiв Мiнського побудував машину, що стоiть нiяк не нижче рiвня розвитку дитини. Вона (машина) умii спiлкуватися з людьми, причому досить своiрiдно. У програму цiii машини закладенi поняття маленького механiчного миру: iдея, що одне тверде тiло може опиратися на iнше, щось може перебувати в ящику праворуч, лiворуч, i кулi, куби й т.д. Машина обговорюi з людиною цей мир.

Все це вiдбулося в 1970 роцi в Масачусетському технологiчному iнститутi.

А що може трапитися через 50-100 рокiв?

Цiлком можлива подорож у часi. Для цього всього-на-всього потрiбно знайти електричне заряджену "чорну дiру". Умови польоту можуть виявитися прийнятними. За короткий час розширення "бiлоi дiри" спостерiгач на космiчному кораблi побачить все минуле нашоi Вселеноi й все майбутнi пiд час занурення в глиб "чорноi дiри".

Дуже може бути. Температура деяких дiлянок цього об'iкта близька до нашим кiмнатних, i вуглецеве життя в принципi могли б там iснувати, якби не дивовижнi потоки твердого рентгенiвського випромiнювання. Залишаiться вiдкритим питання: ВлА що, якщо життя пристосуiться коли-небудь до такого випромiнювання?В»

Лiтература

1.Вуд Дж. Метеориты и происхождение Солнечной системы. тАУ М., 2001

2.Кац Я.Г. Рябухiн А.Г. Космiчна геологiя. тАУ К., 2004

3.Войткевич Г.В. Геологiчна хронологiя Землi. тАУ К., 2003

4.Друянов В.А. Загадочная биография Земли. тАУ М, 1991

Вместе с этим смотрят:

Aerospace industry in the Russian province

РЖсторiя астрономii

РЖсторiя ракетобудування Украiни

РЖсторiя спостереження НЛО

Авиационно-космические отрасли в российской провинции