Возраст солнечной системы и гипотеза Геи

	Скачать реферат: Возраст солнечной системы и гипотеза Геи

В настоящее время известны многие уникальные характеристики Земли. Например, химический состав планеты и ее атмосферы, наклон земной оси, связь с Луной, траектория орбиты Земли и расстояние до Солнца. Эти характеристики делают возможной жизнь на нашей планете.

Источник энергии   Солнца — это термоядерная реакция. Этой энергии хватит для поддержания нынешней яркости Солнца в течение десяти миллиардов лет.

Около 4,6 миллиардов лет назад Солнце стало звездой главной последовательности с момента образования. Можно предположить, что за этот период времени Солнце израсходовало около половины своего запаса энергии. Т. е. примерно половина водорода в его ядре сменилась гелием. Подобное изменение химического состава приводит к смене структуры ядра. Если полагаться на данные выводы, то на сегодняшний день Солнце должно светить приблизительно на 40% ярче, чем 4,6 миллиарда лет назад.

Изменение яркости Солнца на 40% привело бы к перемене климата, сравнимой по масштабу с нынешними отличиями между Венерой, Марсом и Землей. Это неизбежно повлияло бы на температуру планет. Даже самые малые отклонения в яркости Солнца повлекут за собой трагические последствия для земного климата.

Атмосфера изменилась, чтобы защитить развивающуюся жизнь от угрозы нарастающей яркости Солнца.

Около четырех миллиардов лет назад, согласно теории эволюции, когда, как считается, жизнь на Земле только что зародилась, температура планеты была близка к нынешней. Можно предположить, что изначально на Земле было гораздо прохладней, а со временем потеплело.

Однако биологи утверждают, что для развития и эволюции жизни необходима постоянная средняя температура. Геологи утверждают, что, по данным изучения горных пород, средняя температура Земли за последние четыре миллиарда лет не слишком изменилась.

В галактике большинством звезд тоже управляют аналогичные ядерные реакции. По этому поводу Лавлоковым была выдвинута гипотеза Геи, однако она не завоевала всеобщего признания из-за того, что в ее основе лежит духовное начало. В ней говорилось о том, что биосфера представляет собой некий сверхорганизм, получившийся в ходе эволюции.

Путем случайных изменений атмосфера эволюционировала так, чтобы противостоять нагреванию. Эволюционисты стоят перед выбором одного из двух возможных объяснений того, каким образом на Земле установилась почти постоянная температура вместо неуклонно нарастающего притока энергии. Физические принципы, на которых основан парадокс молодого слабого Солнца, тверды и незыблемы, поэтому астрономы уверены в реальности этого эффекта.

Если Земля была сотворена недавно, если разумный замысел создал ее атмосферу такой, какая она сейчас, если яркость Солнца существенно не менялась, то парадокс молодого слабого Солнца можно считать разрешенным. Возможно, системе Земля – Солнце вовсе не миллиарды лет, и не было никакого 40% увеличения солнечной яркости.

  Любой вид симбиоза или обратной связи с Солнцем совершенно исключен. Некие жизненные силы провели атмосферу эволюционным путем через это испытание. Большинство ученых не могут и помыслить о том, чтобы высказать вслух телеологические или духовные выводы, которые могут отсюда последовать; однако в физике существует соответствующее направление.

Атмосфера прошла через целый ряд состояний неустойчивого равновесия или даже неравновесия. С живыми организмами происходит нечто подобное под воздействием сложных систем регуляции, закодированных в ДНК.

Чудеса симбиоза

Льюис Томас в качестве примера симбиоза в природе приводит термитов.

Строительная деятельность термитов кажется удивительной уже сама по себе и не может не вызывать восхищения.

Мы увидим десятки и сотни крохотных существ, обитающих в тернистых недрах и чем-то там энергично и хлопотливо занятых. Приблизим мысленно одно из них и тоже увеличим, чтобы разглядеть во всех подробностях.

В биологии существо это называется миксотриха. На первый взгляд, оно представляется обычным простейшим (одноклеточным) организмом, отличающимся разве что очень быстрыми и целеустремленными перемещениями с места на место. Присмотревшись, можно, однако, увидеть, что миксотриха устремляется не куда угодно, а лишь в те места, где плавают кусочки проглоченной термитом древесины. Оно настолько хорошо изучено, что о нем можно рассказать довольно многое. Скорость этого зигзагообразного перемещения миксотрихи в глубинах пищеварительного тракта термита делает ее подобной водяному паучку, стремительно скользящему по поверхности воды. Тут и выясняется, чем, собственно, занято это деятельное существо.

Место обитания — австралийский термитник, обиталище того особого отряда насекомых, что строят в тропических лесах огромные, до пятнадцати метров высотой, конусообразные гнезда. В пищеварительном тракте маленького термита съеденная целлюлоза превращается в углеводороды, необходимые для жизнедеятельности термита, а отходы превращаются в крохотные, геометрически правильные и поразительно твердые лепешечки лигнина, из которых, собственно, и воздвигаются бесконечные стены, арки и своды запутанного лабиринта термитника. Строят они их из древесины, которую жадно пожирают, разрушая окрестный лес. Древесина является лишь исходным материалом для строительства.

Невозможно убедить себя, глядя на огромный конус термитника, что весь он воздвигнут из крохотных лепешечек, исторгнутых из миллионов микроскопических желудочков. День за днем, желудочки, не зная устали, перерабатывают целлюлозу в лигнин.

Попробуем представить себе отдельного термита — насекомое величиной в несколько миллиметров. Мысленно увеличим его так, чтобы нам стал видимым его микроскопический пищеварительный тракт.

Глотает древесные кусочки термит уже перетертые и тщательно пережеванные челюстями. На сегодняшний день   биологам   уже известно, что оно глотает их затем, чтобы где-то в своих глубинах добавить к ним ферменты.

Эти ферменты разлагают древесную целлюлозу на поддающиеся усвоению углеводороды и исторгаемый термитом лигнин.

Миксотрихи действительно являются опорой всего этого большого и сложно организованного термитного мира.

Если рассмотреть вблизи одну из микроскопических миксотрих, можно обнаружить, что те изящные реснички, которые выступают из ее боков и так удивительно согласованно, в такт, поднимаются и опускаются, придавая миксотрихе ее стремительное движение в пищеварительном тракте термита, на самом деле, являются совсем не ее ресничками, а совершенно отдельными существами еще меньших размеров; существа эти — точнее, клетки — принадлежат к семейству так называемых спирохет, то есть микроорганизмов, имеющих форму извилистых подвижных жгутиков.

Без этих крохотных миксотрих не было бы ни огромного термитника с его стенами, арками и сводами, ни тех “грибных ферм”, которые культивируют в лесу термиты, ни переработки гнилой древесины этого леса в плодородный перегной, которой заняты растущие на “фермах” грибы, ни самих термитов.

Следует заметить, что десятки и сотни этих микроскопических существ, живущих в   пищеварительном тракте термита, осуществляют тот сложнейший биохимический процесс, что лежит в основе всей термитной жизни и всего термитного сообщества.

Патогенные виды спирохет вызывают сифилис, возвратный тиф и некоторые другие болезни, но в данном случае перед нами вполне безвредные представители этого семейства, и вся их жизненная цель состоит лишь в том, чтобы присоединиться к огромной (для них) миксотрихе и воспользоваться крохотной порцией тех питательных углеводородов, которые она производит с помощью своих ферментов. В свою очередь, эти спирохеты, на идеально равных интервалах покрывающие всю поверхность миксотрихи, как мы видели, помогают ей перемещаться в поисках еще непереваренной древесины.

Но и это не все. Тщательно оглядев все поле этой кипучей, неутомимой деятельности, идущей в пищеварительном тракте термита, мы увидим других ее участников. Поблизости от спирохет на поверхности миксотрихи располагаются какие-то овальные тельца, а между жгутиками самих спирохет суетится множество той же формы микросуществ тех же крохотных — в сравнении даже с миксотрихой — размеров. Все это — бактерии, тоже живущие в симбиозе, то есть во взаимном сотрудничестве с миксотрихой и спирохетами и поставляющие в “общий котел” часть тех ферментов, которые нужны для переработки целлюлозы в углеводороды и лигнин.

Льюис Томас завершает свой рассказ словами: “Вся эта симбиотическая экосистема, застрявшая в тупике эволюционного пути, представляет собой наглядную модель того, каким образом произошли наши клетки”. Дальше он упоминает имя Линн Маргулис, и с этого места я могу уже сам подхватить нить рассказа и продолжить его в задуманном направлении.

Некоторые коллеги считают Линн Маргулис одним из крупнейших биологов нашего века. Другие с этим категорически не согласны и считают ее фанатиком сомнительных идей, провозглашаемых с раздражающим высокомерием и презрением к оппонентам. Сама Линн Маргулис, ныне профессор биологии Амхерстского университета, рассказывает о себе и своих идеях так: “Я занимаюсь эволюционной биологией, но объектом моих исследований являются одноклеточные и микроорганизмы. Ричард Доукинс, Джон Мэйнард Смит, Джордж Уильямс, Стивен Джей Гулд и многие другие принадлежат к зоологам, исследователям животных, что, на мой взгляд, означает, что они изучают проблему, которая утратила свою актуальность примерно три миллиарда лет назад. Они занимаются организмами, которые возникли на Земле каких-нибудь 500 миллионов лет назад. Это примерно то же самое, что изучать историю человечества только с 1800 года. Ведь жизнь на нашей планете существует уже почти четыре миллиарда лет! Вплоть до шестидесятых годов нашего века все исследователи систематически игнорировали этот фундаментальный факт эволюции по той простой причине, что в силу своего невежества не могли его объяснить.

На основании бесчисленных наблюдений и экспериментов известно, что эволюция основана на естественном отборе, выбирающем из всех разновидностей данного организма те, которые в результате мутаций приобрели некоторые способствующие выживанию свойства. Неизвестно только, откуда берутся эти полезные свойства. Этот вопрос до сих пор не имел достаточно ясного ответа. Я утверждаю, что важнейшими такими свойствами мы обязаны связям между организмами, тому явлению, которое русский исследователь Константин Мережковский когда-то назвал “симбиогенезом”. Под симбиогенезом я понимаю включение генетического материала микроорганизмов в наследственные клетки растений или животных. Возникающие в результате новые генетические системы — гибриды бактериальной и растительной или бактериальной и животной клеток — являются чем-то подлинно новым, принципиально отличающимся от исходных клеток, не содержавших материалы симбионта. Из таких “химер” постепенно складываются все более и более сложные биологические системы. Я не верю, что такие новые системы, новые биологические виды могут возникать на основе одних лишь случайных мутаций”.

“Симбиоз, — говорит далее Линн Маргулис, — это физическое объединение различных организмов, их совместное проживание в одном и том же пространстве и времени. Но истинный симбиоз не имеет ничего общего с банальным его пониманием как “сотрудничества”, основанного на одном лишь балансе выгод и затрат. Нельзя уподоблять биологический симбиоз простому взаимовыгодному сотрудничеству людей или компаний. Такой “экономический” подход пригоден только для объяснения и понимания современных симбиотических систем, которые, как правило, представляют собой систему нескольких механически сосуществующих организмов, застрявшую на полпути эволюции и уже не развивающуюся далее”.

“Истинный симбиоз, — говорит Линн Маргулис, — состоит в том, что в результате длительного сосуществования он всегда приводил к органическому “слиянию” разнородных организмов в некое новое целое и в этом смысле всегда являлся главным фактором эволюционного обновления”.

Этот взгляд на симбиоз может показаться — и многим биологам действительно кажется — крайним. Сама Маргулис пришла к нему на основании нескольких биологических фактов. Маргулис обратила внимание на то, что у простейшего организма Парамеция аурелия существует так называемый ген-“убийца”, передача которого по наследству происходит по иным правилам, нежели передача по наследству хромосомных генов. Оказалось, что этот ген содержится не в клеточном ядре Парамеции, а в ее цитоплазме, окружающей это ядро. У простейших уже обнаружено довольно много таких цитоплазменных генов. Не так давно два американских исследователя, Давид Лак и Джон Холл, заявили, что нашли их даже в клетках довольно сложных водорослей. Все эти факты побудили некоторых ученых выдвинуть предположения, согласно которым эти внеядерные гены являются остаточным генетическим материалом каких-то вирусов или бактерий, случайно попавших в клетку и “застрявших” в ней. Маргулис отбросила всякую осторожность и выдвинула радикально смелую гипотезу, утверждающую, что все такие “гены” являются в действительности частью отдельных (и весьма древних) живых организмов, по сей день живущих внутри клеток более высокой сложности в симбиотическом сосуществовании с ними.

В 1966 году она написала статью, в которой излагались эти представления. В ней утверждалось, что сложные клетки возникли из более простых путем симбиоза и объединения их вещества и генетического материала, то есть путем симбиогенеза. Статья была отвергнута пятнадцатью научными журналами как “не подходящая для публикации”, прежде чем ее принял “Журнал теоретической биологии”. Маргулис получила 800 (!) запросов от специалистов-биологов, заинтересовавшихся ее идеями, но на факультете биологии Бостонского университета, где она тогда числилась ассистенткой, ее успех был воспринят весьма нервно. Через десять лет у нее накопилось так много нового материала, что статья разрослась в книгу, она предложила рукопись в издательство “Академик пресс” и столкнулась с очередным отказом. Потребовалось еще четыре года, прежде чем книгу (“Происхождение эукариотных клеток”) решились опубликовать в издательстве Йельского университета. В последующие годы она выдержала еще три издания и сегодня считается классическим текстом. Прошло тридцать с лишним лет, но гипотеза симбиогенеза, выдвинутая и развитая Линн Маргулис, получила если не всеобщее, то, во всяком случае, весьма широкое признание.

Открытия, подтверждающие теорию Геи

В основном это произошло благодаря новым открытиям, подтвердившим ее правоту. Прежде всего, здесь надо отметить исследования так называемых хлоропластов в растительных клетках и митохондрий — в клетках животных. Эти внехромосомные гены тоже передаются от клетки к ее потомкам по особым правилам, которые во многом отличаются от правил передачи ядерных, или хромосомных генов. Так, гены митохондрий в сложных организмах (например, у человека) передаются лишь по материнской линии. (И именно поэтому общий предок современных людей, обнаруженный благодаря сходству их митохондриальных генов, получил название “митохондриальной Евы”.)

Главная особенность этих двух органелл, если не считать наличия у них собственных генов, состоит в том, что они выполняют важнейшие для жизнедеятельности клетки функции. Хлоропласты с их хлорофиллом осуществляют процесс фотосинтеза, столь характерный для растительных клеток и снабжающий их органическими материалами для роста. Митохондрии, имеющие в своих мембранах молекулы фермента АТФ-синтеза, осуществляют процесс создания молекул АТФ, которые являются аккумуляторами химической энергии для клетки в целом, позволяя ей двигаться в поисках пищи намного энергичнее, чем способны двигаться простейшие, лишенные митохондрий.

Эти особенности убедительно говорят о том, что эукариотные клетки в целом имеют как минимум две генетические родословные, возникают от двух родителей. Миллиарды лет назад эти органеллы были отдельными живыми простейшими организмами. Затем на каком-то этапе эволюции они соединили свою судьбу с судьбой каких-то других таких же простейших клеток, вступив с ними в тесный симбиоз, и в результате такого симбиоза образовали вместе с ними нынешние эукариоты. Не исключено, что даже главная отличительная характеристика этих эукариотов — наличие клеточного ядра с его мембраной, отделяющей это ядро от окружающей цитоплазмы с ее органеллами, — тоже возникло благодаря симбиозу или вследствие него: появление мембраны могло быть эволюционным шагом, предназначенным для защиты “своего” генетического материала от генов “симбионта”.

“Почти миллиард лет подряд, — пишет Маргулис, — единственными существующими на Земле формами жизни были так называемые прокариоты — простейшие одноклеточные организмы, вроде бактерий и сине-зеленых водорослей, лишенные ядра. Они и сегодня являются господствующими формами жизни на нашей планете — потому, что их чудовищно много. Однако сами по себе, взятые по отдельности, они не очень интересны и не очень сложны. Весь этот первый миллиард лет они просуществовали без изменений. Подлинная эволюция началась с появления эукариотов. И этот решающий шаг эволюции был вызван как раз симбиозом прокариотов различного типа”.

Сегодня, благодаря работам Маргулис, мы знаем, как это произошло. Симбиогенез на первых этапах больше походил на вторжение в любой организм чужеродных патогенов. Он и был таким вторжением, только со сверхблагополучным исходом.

Одни бактерии вторгались в цитоплазму других, неся на своем пути опустошения, болезни и зачастую гибель клеток-хозяев.

Замечательным доказательством верности всех этих представлений является выявленная недавно структура хлоропластовой мембраны в одном из видов растительных клеток: эта мембрана оказалась не двухслойной, как все обычные клеточные мембраны, а четырехслойной, как и следовало ожидать для двухслойной мембраны бывшей бактерии, окутанной двухслойной же мембраной клетки, некогда “проглотившей” эту бактерию.

Многие биологи убеждены, что в клетках нашего организма дремлют древние вирусы, укрывшиеся там от бурь и перипетий предшествующей борьбы с этими же клетками. Может быть, поразительная способность так называемых ретровирусов встраивать свои гены в наши ДНК — это остаток некогда существовавшего и нарушенного симбиоза. Может быть, генетический материал таких вирусов стал частью наших ДНК.

На первых порах сосуществование жертвы и агрессора напоминало скорее борьбу не на жизнь, а на смерть. Организмы, которые по счастливой случайности выжили в ходе этой войны, ухитрились дать начало истинным симбионтам — клеткам-гибридам, внутри которых теперь уже мирно сосуществовали бок о бок уставшие от многомиллионолетних склок бывшие враги. На сегодняшний день сложно воспроизвести первые этапы симбиотической эволюции.

Когда стала развиваться техника микровидеосъемки процессов взаимодействия клеток с вторгшимися в них микробами и бактериями, в начале девяностых годов, многие детали этих процессов стали воочию зримыми, и эти детали вынудили специалистов прийти к выводу, что “для танго требуются двое”.

Доктор Джулия Теорио из Института биомедицинских исследований в Кембридже сказала, что “практически во всех случаях такого инфекционного вторжения ущерб, причиняемый им организму, является в определенной мере также и “виной” самого организма: ущерб вызывает не только сам патоген, но и спровоцированная им ошибочная реакция клетки на его вторжение”.

На сегодняшний день различают несколько уровней симбиотической, “помощи”. Рассмотрим стафилококки. Сам патоген такого “негативного симбиоза” “усаживается” на рецепторы. Холерный вибрион, используя эту удобную позицию, чтобы выделить в клетку свои токсины, поступает таким образом. Некоторые их виды выделяются под полезные для клетки вещества, и она “распахивает” перед ними свои рецепторы. Приведем еще один пример — так простейшая кишечная палочка, эшерихия коли, вызывает диарею.

Чтобы бактерии было легче усесться на поверхности клетки, она обманом понуждает клетку кишечника сбросить наружные волосинки. Далее она провоцирует ту же клетку создать для нее выпячивание в мембране, своего рода “пьедестал”. Тут бактерия оказывается недоступной для клеточных средств защиты.

Как сказал Льюис Томас, с рассказа которого о миксотрихе я начал эту статью, “быть может, поняв эту суть, эту подстилающую жизнь тенденцию к объединению и кооперации клеток, которая в конечном счете породила розы, дельфинов и нас самих, мы поняли бы, что та же самая тенденция побуждает организмы объединяться в коллективы, коллективы организмов — в экологические системы, а все эти системы — в единую биосферу. И тогда все наши защитные иммунные реакции и рефлекторные ответы на агрессию “чужого” оказались бы лишь средствами регулировки и модуляции этого великого и всеобщего процесса симбиоза, предназначенными не для полного его прекращения, а только для того, чтобы он не вышел из-под контроля”.

Можно сказать, что невидимые чудеса симбиоза, как плодотворного, так и негативного, поистине окружают нас со всех сторон и составляют одну из непременных основ жизни — а возможно, какую-то универсальную суть.

Гипотеза Геи, будь она верна, была бы высшим, предельным чудом симбиоза — разве что вслед за американским астрономом Лео Смолиным признать “живой” всю Вселенную. Древние греки называли Геей богиню Земли. Эта гипотеза обсуждается очень широко, но принимается очень немногими. Льюис Томас и Линн Маргулис принадлежат к этому воодушевленному грандиозным видением меньшинству.

Далекие начальные этапы древнего симбиогенеза, которые привели к возникновению первых эукариотов, тоже выглядели изнурительными битвами, в которых противники-симбионты прибегали к таким изощренным военным хитростям, бесконечно меняя свою стратегию и пользуясь невольными услугами друг друга.

Те патогены, которые проникают внутрь клетки, демонстрируют наивысшую степень интимной близости. Такой способностью наделен не только пресловутый вирус СПИДа, но и очень многие обычные бактерии-патогены.

Оказавшись внутри клетки, бактерия тотчас секретирует свои ферменты, которые продырявливают клеточную мембрану и позволяют бактерии войти в цитоплазму, где она зачастую становится постоянным “гостем”, образовав вокруг себя защитную вакуоль. Во многих случаях такие бактерии используют эту вакуоль как средство перехода к новому этапу инфекции. Они реализуют ее посредством посылки особого химического сигнала о своем присутствии, который играет роль своеобразного троянского коня — в ответ на этот сигнал клетка выпячивает свою мембрану в сторону приблизившейся бактерии, обволакивает ее и втягивает в себя. Они начинают напрямую переходить из клетки в клетку, минуя защитные системы организма.

Лавлок, в сущности, утверждает, что вся Земля представляет собой единый огромный организм. Ее можно охарактеризовать также как единую экологическую систему. Такая система состоит из огромного числа симбиотически взаимодействующих меньших экосистем и благодаря этому способна в большой мере сама “залечивать” свои раны и регулировать свои отклонения от равновесия.

Такие планетарные параметры, как, например, температура и химический состав атмосферы являются результатом совместной деятельности всех живых организмов планеты.

Джеймсом Лавлоком утверждал, что симбиоз существует не только на уровне телесных клеток и бактерий, но и на уровне таких сложных систем, как атмосфера, почва и даже наша Земля в целом.

Библиографический список

Жизнь и Земля составляют единый сверхорганизм http://kokshetau. online. kz/ ot/black. htm

Вернадский В. И. Начало и вечность жизни. М., 1989 г.

Вернадский В. И. Научная мысль как планетное явление. М., 1989 г.

Четыре измерения глубинной экологии. http://baltchild. org. ru/rus/mater/ dpecol. htm