Наука и удивительное (Как человек понимает природу) - Вайскопф Виктор (читать книги онлайн регистрации .txt) 📗
При этом развитии только небольшая часть водорода превращается в другие элементы. Требуются огромные количества водорода, чтобы создать условия, при которых небольшая его часть объединится в более сложные единицы. Звезды должны собраться, взорваться и вновь собраться для того, чтобы пренебрежимо малая доля исходной материи превратилась в те разнообразные вещества, которые мы видим на Земле.
Сколько времени длилось это развитие? Как мы узнали в гл. II, солнечная система образовалась около 4,5 миллиарда лет назад. Взрыв звезды, при котором освободились различные атомы, должен был произойти раньше; есть указания, что это случилось 7—10 миллиардов лет назад. Длительность жизни звезды считают примерно равной 10 миллиардам лет. Следовательно, первое водородное облако начало образовывать звезды примерно 20 миллиардов лет назад. Потребовалось чрезвычайно много времени и чрезвычайно большое количество материала, чтобы создать вещество нашего мира.
Развитие жизни
Начала. Мы проследили эволюцию нашего мира от водородного облака до развития звезд с их планетами. Планеты — это собрания вещества в более «прогрессивной» форме, они состоят главным образом из более сложных элементов, чем водород. Земля, например, состоит из множества элементов. В тело Земли входят тяжелые металлы, главным образом железо; наружные ее слои состоят из горных пород и минералов, на поверхности Земли мы видим много воды. Земля окружена слоем газа — атмосферой.
Остальные этапы эволюции нашей планеты происходили под этим защитным слоем газа, на поверхности Земли. Это история дальнейшей дифференциации материи, образования и распространения сложных единиц материи, из которых состоит живой мир на Земле. Любое утверждение о происхождении и ранних стадиях развития жизни может быть только гадательным, так как условия того времени существенно отличались от нынешних.
Рассматривая эту проблему, как и предыдущие проблемы развития звезд и планет, мы находимся в положении исследователей, пытающихся начертить карту неизвестного континента. Их знания отрывочны, они видели только малые участки побережья, наблюдали устья рек и участки их русла в глубине материков. Пытаясь составить карту, они должны были, полагаясь на свое воображение, воспроизвести неизвестные части побережья и предположить, что наблюденные ими устье и отдельные участки реки являются частями одной реки. Это лучшее, что они могут сделать. Позднейшая карта покажет, что они чрезвычайно сильно упростили и исказили картину, и что два водных пространства не принадлежат одной и той же реке. Однако, несмотря на ошибки, в этой карте можно будет узнать в общих чертах контуры материка.
Наши сведения о развитии мира тоже отрывочны. Мы должны прибегать к воображению почти на каждом шагу, чтобы восполнить неизвестное. Многое, из того, что я здесь скажу, позднее, вероятно окажется неверным. Однако есть веские основания полагать, что уже теперь мы правильно представляем себе общий ход событий.
Постараемся увидеть нашу планету такой, какой она была 3 миллиарда лет назад (рис. 58).
Рис. 58. Первобытная Земля до возникновения на ней жизни.
В целом вид Земли не столь сильно отличался от ее нынешнего вида. Ее орбита вокруг Солнца и ее внутреннее строение были почти такими же, как и теперь. Иной была только поверхность Земли. Были только скалы и вода — ничего больше. Атмосфера содержала азот, двуокись углерода, метан, аммиак, но в ней не было кислорода. Кислород сильно реагирует с большинством веществ и образует стойкие соединения. Следовательно, этот элемент может существовать в атмосфере только в том случае, если он непрерывно воспроизводится в каком-то процессе, освобождающем кислород из химических соединений. В гл. VIII мы показали, что это происходит в настоящее время в хлорофилле зеленых растений, но на ранних стадиях развития Земли растения еще не существовали.
На Землю падает солнечный свет, с которым на нее приходит тепло. Расстояние между Землей и Солнцем таково, что температура на большей части земной поверхности поддерживается в пределах между 0 и 100 °C и значительная часть воды может оставаться жидкой. Это обстоятельство имеет чрезвычайно большое значение для дальнейшей истории Земли, так как жидкая вода наилучшим образом «воспринимает» многие химические вещества и позволяет им реагировать друг с другом.
Отсутствие кислорода имело очень важные последствия: ультрафиолетовые лучи от Солнца свободно достигали поверхности Земли, тогда как теперь они почти полностью поглощаются кислородом в самых верхних слоях атмосферы. Ультрафиолетовый свет химически активен. Он разрушает химические связи между атомами и позволяет им соединяться другим способом. Он производит таким способом новые химические соединения из старых. Мы можем предположить поэтому, что солнечное излучение создало много новых, до того не существовавших химических соединений. Среди этих соединений, несомненно, были также молекулы, играющие столь важную роль в живых структурах, как, например, сахар, нуклеотиды и аминокислоты. Их образование должно было протекать очень медленно. Ультрафиолетовым лучам сначала пришлось разложить молекулы, содержащие необходимые атомы; затем случай сблизил эти атомы в положениях, необходимых для образования новых молекул. Простые структуры должны были возникать чаще сложных, потому что гораздо вероятнее сблизиться в правильном положении нескольким атомам, чем большему их числу. Спирты и сахар были образованы солнечным светом во много больших количествах, чем аминокислоты и нуклеотиды.
Образование новых соединений шло очень медленно, но за много миллионов лет эти вещества накопились. Возникнув на поверхности воды, они спускались в нижние слои и были там защищены от разложения ультрафиолетовыми лучами. В настоящее время такое накопление было бы невозможным, так как аминокислоты и нуклеотиды быстро поглотились бы живыми организмами или разложились бы от окисления свободным кислородом атмосферы. Только стерильные условия ранних периодов эволюции допускали медленное накопление этих веществ. Случилось так, что в водах Земли постепенно начали появляться небольшие количества сахара и аналогичных соединений и еще меньшие количества аминокислот и нуклеотидов.
В больших океанах эти молекулы оказывались очень далеко друг от друга. Но в малых прудах и в небольших водоемах их концентрация могла становиться уже заметной. Некоторые нуклеотиды могли даже соединяться и образовывать небольшую цепь нуклеиновой кислоты, а некоторые аминокислоты— соединяться в белковую цепь. Небольшие водоемы могли поэтому содержать короткие цепи нуклеиновых кислот и белков. Однако цепи, образованные при случайных соединениях, отличны от тех, которые нужны для жизни. Эти цепи не имеют особого значения и не обладают особой химической активностью.
Один раз мог образоваться один белок, другой раз иной.
Нуклеиновые кислоты, образованные случайным соединением нуклеотидов, имели большее значение. Мы видели в гл. VIII, что цепь нуклеиновой кислоты типа ДНК может точно воспроизводиться, расщепляясь на две половинки, причем каждая из этих половинок потом собирает нуклеотиды, необходимые для построения двух одинаковых полных цепей. Таким образом, если цепочка нуклеиновой кислоты помещена в среду, содержащую нуклеотиды, в среде возникает все больше и больше повторений цепи, пока весь запас нуклеотидов не истощится. Если случайное сближение образовало одну цепь, она заставит все нуклеотиды в своей окрестности соединяться подобным же способом. Нуклеиновые кислоты способны производить свои повторения, если около них имеются нуклеотиды. Во многих отношениях этот процесс и есть основа жизни, потому что он позволяет сложным структурам воспроизводиться в благоприятных условиях.
Нуклеиновые кислоты могут делать больше, чем просто воспроизводиться. В гл. VIII мы узнали, что они служат шаблонами, по которым строятся аминокислоты, строятся в определенном порядке, нужном для образования белков. Вероятно, каждая цепь нуклеиновой кислоты (или винтовая лестница типа ДНК) служит как бы формой для одного или нескольких белков. Поэтому, если в жидкости, где есть и аминокислоты, присутствует нуклеиновая кислота, она заставит аминокислоты соединяться в белковые цепи; будут получаться те белки, для которых данная нуклеиновая кислота служит как бы шаблоном.
