Эволюция биосферы
Шрифт:
1. Наличие массы относительно простых компонентов.
2. Принципиальная способность компонентов к образованию связей.
3. Источник энергии, обеспечивающий взаимодействие между компонентами.
4. Условия, благоприятствующие некоторой стабильности вновь образующихся систем.
Для обеспечения многостадийности процесса, помимо перечисленных четырех условий, требуется еще пятое — сохранение возможности участия вновь возникшей организации в дальнейших эволюционных преобразованиях. В случае преобразования водородного облака имели место все пять условий:
1. Водород — самый распространенный элемент во Вселенной.
2. Экспериментально доказана способность водорода превращаться при высоких температурах в гелий. Ядерный синтез лежит в основе взрывной реакции водородной бомбы.
3. Источником
4. Относительная стабильность вновь возникших химических элементов обеспечивается, во-первых, внутриядерными силами и, во-вторых, выбросом в космическое пространство при взрывах звезд.
5. Выброс некоторой части тяжелых элементов в Космос открывает возможности для их участия в дальнейшей эволюции материи. «Значительная, вероятно большая часть этих тяжелых атомов навсегда остается в плотных белых карликах. Только выброшенное в межзвездную среду вещество продолжает участвовать в дальнейшей эволюции звезд и туманностей» [20] .
Возникновение сложных химических элементов из водорода, таким образом, — длительный, сложный и многоступенчатый процесс. Их структура и распространенность — результат циркуляции веществ между звездами и межзвездной средой, своеобразного космического круговорота веществ, а также отражение космической истории их формирования.
20
Аллер Л. Распространенность химических элементов. М.: ИЛ, 1963, с. 352.
Возникновение более сложной организации из относительно простой, следовательно, представляет собой закономерную интеграцию в небольшом объеме особенностей эволюции больших материальных систем. Прогрессивное развитие, характеризующееся возникновением сложного из простого, представляет собой в своей сущности процесс интеграции рассеянной информации.
Образование химических элементов в недрах звезд — закономерный процесс эволюции материи. Но для ее дальнейшего развития в направлении жизни необходимы планетарные системы с условиями, благоприятными для возникновения живого.
Первое условие: жизнь может развиться на планете, масса которой не превышает определенной величины. Так, если масса планеты превысит 1/20 массы Солнца, на ней начнутся интенсивные ядерные реакции, поднимется температура, она начнет светиться. Даже планета с массой, составляющей 0,01 массы Солнца, по своим температурным данным непригодна для развития жизни. Планета, имеющая массу 0,001 массы Солнца, будет холодной, но в ее атмосфере сохранится водород, аммиак, метан в соотношениях, характерных для Космоса, а лучи Солнца не смогут проникать сквозь мощную атмосферу. Таковы Юпитер, Сатурн и другие крупные планеты солнечной системы. Следовательно, планеты большой массы непригодны для развития жизни.
Другая крайность — планеты малой массы типа Меркурия и Луны. Они в силу слабой интенсивности тяготения не способны удерживать в течение длительного времени атмосферу, необходимую для развития жизни. Из планет солнечной системы первому условию, таким образом, удовлетворяют лишь Земля, Венера и в меньшей степени Марс. А. И. Опарин и В. Г. Фесенков (1956) оценивают вероятность встречи в Космосе планеты подходящей массы в один процент.
Второе важное условие — относительное постоянство и оптимум радиации, получаемой от центрального светила. Для соблюдения этого условия планета должна иметь орбиту, приближающуюся к круговой, ее расстояние от звезды не должно быть слишком малым или слишком большим. Наконец, центральное светило должно характеризоваться относительным постоянством излучения. Переменные и тем более взрывающиеся звезды явно не подходят. Вероятность второго условия А. И. Опарин и В. Г. Фесенков оценивают в 0,01%.
Вычисления вероятности соблюдения первого и второго условий (оптимум массы и постоянства, оптимум радиации) дают величину, равную 0,001%. Это значит, что лишь около одной из 100 тыс. звезд или,
В недрах звезд образовались химические элементы. Из них слагается Земля. В табл. 1 сопоставлено относительное содержание химических элементов в веществе звезд, в солнечном веществе и в телах растений и животных [21] .
Основываясь на данных таблицы, можно сделать вывод о почти полном тождестве элементарного состава звездного и солнечного вещества и о существенном возрастании процентного содержания тяжелых элементов в телах растений и животных. Второй вывод, пожалуй, еще более примечателен: четыре элемента — водород, углерод, азот и кислород, наиболее широко распространенные во Вселенной, в организмах тоже представлены в наибольшем количестве — от 92,28 до 96,0% от общего числа химических элементов, составляющих их тела. Живые организмы, таким образом, построены из наиболее простых и наиболее распространенных в космосе атомов.
21
Кальвин М. Химическая эволюция. М.: Мир, 1971, с. 113, 116.
Таблица 1. Элементарный состав звездного и солнечного вещества при сопоставлении с составом растений и животных
| Химический элемент | Содержание в % | |||
|---|---|---|---|---|
| Звездное вещество | Солнечное вещество | Растения | Животные | |
| Водород (Н) | 81,76 | 87,0 | 10,0 | 10,0 |
| Гелий (Не) | 18,17 | 12,9 | — | — |
| Азот (N) | 0,33 | 0,33 | 0,28 | 3,0 |
| Углерод (С) | 3,0 | 18,0 | ||
| Магний (Mg) | 0,08 | 0,05 | ||
| Кислород (О) | 0,03 | 0,25 | 79,0 | 65,0 |
| Кремний (Si) | 0,01 | 0,004 | 0,15 | 0,254 |
| Сера (S) | ||||
| Железо (Fe) | ||||
| Другие элементы | 0,001 | 0,04 | 7,49 | 3,696 |
Жизнь прежде всего использовала самые доступные атомы. Водород, углерод, азот и кислород находится в двух первых периодах таблицы Д. И. Менделеева. Атомы этих элементов имеют наименьшие размеры и способны к образованию устойчивых и кратных связей. Углерод способен, кроме того, образовывать длинные цепи, что обусловливает возможность возникновения сложных полимеров. Кратные двойные и тройные связи повышают реакционную способность атомов.
Два других химических элемента — фосфор и сера, занимающие место в третьем периоде таблицы Менделеева, также обладают способностью образовывать кратные связи. По мнению лауреата Нобелевской премии американского биохимика Дж. Уолда (1964), это делает их особенно пригодными для накопления энергии и ее переноса строго дозированными порциями. Кроме того, сера входит в состав белков, а фосфор — неотъемлемая составность также связана с фосфорным обменом.