Читать книгу: «О природе людей», страница 2

Физико-химическое основание жизни

Поскольку нам вполне хватает проблем в нашем современном мире и на Земле, то мы и опустим вопросы микромира, Большого Взрыва, эволюцию звёзд, самой Земли, и её космического будущего, а перейдем к прошлым и настоящим событиям непосредственно на ней, и начнём с упомянутых выше микрочастиц, – атомов. Атомы, являясь простейшими частями сложных соединений, и определяют их химические и физические свойства. Из них и состоят ощущаемые соединения: газы, жидкости и твёрдые тела. И вполне естественно, что с атомов, и начинается эволюция на Земле.

Атомы состоят из нейтронов (кроме водорода 1), протонов и электронов. Протон и электрон имеют равные электрические, но противоположные по знаку заряды, число электронов равное числу протонов, и в каждом атоме оно различно. Протоны и электроны в атоме связаны между собой ядерными и электрическими притяжениями.

В центре атома, в его массивном ядре находятся положительно заряженные протоны, удерживаемые ядерными притяжениями, и нейтроны. Лёгкие, отрицательно заряженные электроны, вращаются вокруг ядра, по своим устойчивым стационарным орбитам сохраняя свою энергию. Переход на другие орбиты, приводит к потере или к поглощению электроном порции энергии. Количественный состав, и состояние атома, и определяют его свойство.

Отдельные, неподвижные, и электрически нейтральные атомы, существуют только в таблице Менделеева. В действительности, атомы, обладая массой и находясь в непрерывном движении, оказывают воздействие на другие атомы измеряемое энергией движения, – механической кинетической энергией, которая воспринимается нами как температура. А внешним воздействием, в чём недостатка не бывает, электроны не только переходят на другие орбиты, но и удаляются и присоединяются. Вследствие чего атомы становятся электрически заряженными, и способными к взаимосвязи, измеряемой энергией связи, – потенциальной электрической энергией.

Эти атомы, и нейтральные, находясь в случайном непрерывном движении, сталкиваясь, соединяются во взаимодействии в молекулы, молекулярные ионы или кристаллы. Устойчивость соединений, обеспечивается минимальной потенциальной энергией связи, при которой притяжение в соединении максимальное.

Молекулы и свободные атомы, случайно сталкиваясь между собой, в свою очередь, вступая во взаимодействие, соединяются в более сложные соединения. Их связи подвергаются испытанию на устойчивость в следующем случайном взаимодействии. Происходит естественный отбор устойчивых связей. Слабые связи в молекулах при взаимодействии разрываются, и их осколки вступают в новые взаимодействия. Возникшие устойчивые соединения, с необходимостью приобретающие свойства отличные от свойств исходных соединений, приобретают и возможность вступать в новые связи, образуя ещё более сложные соединения. При благоприятных условиях возможность становится действительностью, в результате которой могут возникнуть последовательные устойчивые связи соединений, – линии химического развития.

Энергия связи атомов в необходимой мере проявляет себя только на расстояниях соизмеримых с их размерами. Поэтому, взаимодействие между ними и молекулами, возможно только на этих расстояниях, и, следовательно, в ограниченном объёме, и с ограниченным их количеством. Поэтому, если в ближайшем окружении образуются несколько линий развития, то между ними возникает борьба за строительный материал. А победителями в ней, окажутся линии, соединения которых не только устойчивые, но и имеющие большую возможность присоединять новые атомы; а имеют её те, у которых атомов, имеющих возможность вступить во внешнее взаимодействие, больше. Побеждают те, которые объединяет в себе, противоположности, – устойчивость и изменчивость. Те, которые, кинетически совершеннее. Кинетическое совершенство, под каким названием ввёл его в эволюционную биологию С.Э. Шноль, – и является критерием естественного отбора, задающим развитию направленность.

Свойства, накопленные соединением за всю предысторию своего развития, и внешние обстоятельства на данный момент, задают возможность и направление следующего шага развития. Развитие может продолжиться, изменить направление, разъединится, соединиться, прекратиться или, потеряв устойчивость разрушиться. Но, оно, необратимо.

Необходимый для обратного развития разрыв соединений, как следствий предшествующей цепи случайных причин, не зависит уже от них, а зависит от другой цепи случайных причин. А поскольку, необходимая для обратного развития «траектория» в цепи случайностей невозможна, то эти случайности становятся причиной разрушения развитого.

Развитие, сосуществует, с разрушением. А поскольку, как развитие, так и разрушение высвобождающее материал следующему шагу развития в круговороте движения, последовательно направляются от причин к следствию, то и «течение» времени, определяемое этим, – необратимо.

Не всякого изменения в соединении, достаточно для образования нового качества, для этого требуется превышающее меру устойчивости качества, и его количество, которое и меняет его скачком. Поэтому развитие, происходит чередованием эволюций, при которых происходят количественные изменения качества, и революций, изменяющих качество соединений. Но по исторической причине, развитие и эволюция стали синонимами.

Развитие, в своём многообразии, имеет вероятностный характер, направление его кинетическим совершенством, имеет тенденцию, закономерность, и конечного заданного результата, Природа не предусматривает, она творит, не ведая о последствиях. – Ей «в грядущем нет желанья, и прошедшего не жаль».

Поскольку наш мир, насколько мы его знаем, состоит из устойчивых атомов, находящихся в непрерывном взаимодействии, то он обречён на развитие структуры своих соединений. Вопрос только в том, откуда и куда, он, в своей бескрайности развивается. Этого знать, мы не можем. Но ни очень жалея о давно прошедшем, мы кое – что о нём знаем – а о ближайшем грядущем было бы желательно, подумать.

Продолжая рассмотрение взаимодействия, обратимся к соединению атомов; обратимся к знакомым нам вещам в форме физических тел. Взглянем на их внутреннее устройство, и выясним их способности к дальнейшему развитию.

В газе, молекулы находятся в свободном движении; среднее расстояние между молекулами, в частности кислорода, в обычных условиях порядка 10⁴—той степени размеров самих молекул, что делает образование сложных соединений в газе затруднительным. Образовавшиеся в газе соединения (под воздействием внешней энергии), с потенциальной энергией тяготения большей кинетической энергии молекул газа, находиться в нём не могут.

В противоположность газу, в твёрдых телах, связанные атомы и молекулы плотно упакованы, и совершают только незначительные колебательные движения. Это обеспечивает их устойчивость, но препятствует изменчивости. Не лучше обстоит дело и с взаимодействием этих тел как целых, у которых кинетическая энергия может быть выше энергии связи атомов. Сталкиваясь при определённой скорости, они разрушаются.

Остаётся надежда на жидкости. И действительно, жидкости, занимают промежуточное положение между газом и твёрдым телом. Атомы и молекулы в ней плотно сжаты, но не связны, благодаря чему они могут свободно перемещаться и взаимодействовать. Связи атомов многих твёрдых тел жидкостью разрываются, и их атомы создают с жидкостью смесь – растворы, или образуют с её атомами химические соединения. И поэтому жидкости и являются самой благоприятной средой для химических взаимодействий и превращений. Но сами жидкости образовать устойчивых соединений тоже не могут.

Особое место среди жидкостей занимает вода. Занимает тем, что своими физическими и химическими свойствами, и своим распространением на Земле, став колыбелью жизни задала ей и форму.

Итак, эти физически и химически изменчивые представители Природы, к дальнейшему своему развитию не пригодны. Их развитие, начавшись ещё в Космосе, закончилось на Земле тогда, когда она была ещё в расплавленном состоянии. В расплаве, в горячей жидкости, и образовалось большинство химических соединений. Этих соединений, газов и твёрдых тел, получивших название минеральных, насчитывается несколько сот тысяч. Остывая, расплав начал кристаллизоваться, двигаясь не торопясь к вершине своего развития.

При кристаллизации сталкивание атомов и молекул носит случайный характер, но каждый атом и молекула в кристалле могут занять только то, место, которое определяется их устойчивым свойством; и поэтому через массу случайностей, и прокладывает себе дорогу порядок и гармония. А самый твёрдый кристалл, алмаз, образуют атомы углерода. И многие кристаллы, для нас представляются идеалом красоты; а горы, в свободном нагромождении которых кристаллы принимают непосредственное участие, со своими стремительными и сверкающими гранями вершинами, не менее красивы.

Эта красота придел их совершенства. На этом их развитие закончилось. А тот булыжник, о которого мы часто спотыкаемся, и который в массовом сознании олицетворяет материю, действительно, к сознанию прямого отношения не имеет. Но как увидим ниже, всё – таки имеет, – но только косвенное.

* * *

Как следует из выше изложенного, и как будет видно из нижеизложенного. Творец многообразия устойчивой и изменчивой Природы, – материальные тела с противоположными свойствами, находящиеся в случайном взаимодействии. Творец, – единство необходимости и случайности.

Органический синтез

«Гадким утенком», превратившегося не только в красавца лебедя, оказалось соединение углерода и водорода – углеводороды. И действительно, разве можно сравнить красоту сверкающих гранями кристаллов, с чёрной, липкой, с неприятным запахом жидкостью называемой нефтью, или, с вообще неощущаемым газом.

Углеводороды, простейшие органические соединения, и до температуры около 300^о С является самой химически устойчивой молекулой, что обеспечивается особенностью атомной структуры углерода и водорода. Уступая кристаллу красотой, эти устойчивые и различной длинны молекулы, давая возможность своим атомам вступать во внешнее взаимодействие, создают и возможность для образования сложных устойчивых соединений. Структура углеводородов, и становится основой кинетического совершенства органических соединений.

В состав сложных органических соединений, кроме углерода и водорода, входят такие же лёгкие и близкие по структуре к углероду, азот и кислород, и, в небольшом количестве фосфор и сера. Всё живое на Земле, в основном, и состоит из этих элементов. Остальных атомов в их составе несколько процентов. В теле человека, например, около 96 % его массы составляет масса первых четырёх элементов. Фосфор, сера, кальций и калий, составляют примерно 3 % от всей массы, а все остальные 1 %.

Органических соединений, включая и искусственных, около десяти миллионов.

Впервые гипотезу, зарождения жизни из взаимодействий химических соединений, выдвинул биохимик А.И. Опарин.

Согласно одной из версий, зарождения простейших органических соединений, основы живых организмов, их синтез, начался ещё в первичной атмосфере, и тогда, когда Земля остыла до температур их устойчивого существования. Первичная атмосфера молодой Земли, предположительно, состояла из метана, аммиака и паров воды. Свободный кислород в ней отсутствовал, и это обстоятельство очень важно для синтеза первичных белков, поскольку кислородом белки окисляются и разрушаются.

В этой первичной атмосфере, под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца, электрических разрядов молний, тепла вулканов и других источников энергии, и синтезировались простейшие органические соединения, – аминокислоты и азотистые основания нуклеотидов. Имея молекулярную массу около ста и более, и не имея возможности оставаться в обществе своих лёгких родителей, они, опускаясь в воду и образуя коллоидный раствор, «бульон», продолжили развитие.

Возможность этого синтеза доказана многочисленными лабораторными опытами. Эти опыты устранили сомнения в возможности естественного образования органических соединений из минеральных.

В лабораторных опытах были получены аминокислоты, которые не обнаружены в живых организмах. Поэтому можно предположить, что первоначально их было на много больше, чем сейчас, но естественный отбор на устойчивость сохранил их только около тридцати.

В воде и продолжились взаимодействия, но уже между аминокислотами и азотистыми основаниями нуклеотидов, и началась полимеризация аминокислот в простейшие белки, и азотистых оснований нуклеотидов, в нуклеотиды.

Как подтверждают лабораторные опыты, полимеризация могла происходить как в воде, с участием катализаторов, так и на местах часто пересыхающих мелководий. В последнем случае, полимеризация могла происходить на песке, прогреваемом солнцем, а полимеры смывались следующим появлением воды. Здесь, в воде, при полимеризации, видимо и происходит окончательный отбор аминокислот, которые вошли во все организмы. Их всего 20, остальные встречаются редко. Произошёл отбор и азотистых оснований нуклеотидов, молекулярного «алфавита» ДНК, которым и «записывается» структура белков. Их всего 5.

Вероятно во время полимеризации, и началось складываться взаимопонимание, сотрудничество и дружба, между аминокислотами и нуклеотидами. Что в конечном итоге, и привело к созданию артели, по ускоренному производству белов.

Во главе артели, несущая ответственность за её белковое содержание, становится устойчивая сдвоенная молекула ДНК, состоящая из сочетаний четырёх нуклеотидов. Сочетание связей нуклеотидов в сдвоенной молекуле ДНК, определяет и связи аминокислот будущего белка. Молекулярная масса ДНК доходит до нескольких сотен миллионов. Три различные, и небольшие молекулы РНК, по копии с необходимого участка ДНК, совместно на строительной площадке, в соответствие этому сочетанию, и соединяют аминокислоты в белок. Белок с молекулярной массой около миллиона, собирается всего за несколько минут. А время полураспада белков, часы и месяцы.

Белки, своими разнообразными физическими и химическими свойствами, и организуют её внутренние обменные взаимодействия, её физиологию. Так, стихийное взаимодействие молекул, было обуздано согласованным взаимодействием ДНК и аминокислот, и положенное в основание жизни, стало её фундаментом.

Клетка

Производство белка, их упорядоченное взаимодействие между собой, сложные физические и химические автоматические процессы, которые не могут происходить в больших объёмах и «на семи ветрах», подвергаясь случайным воздействиям.

Возможностей, для ограждения микроскопического процесса от внешних воздействий забором, превращающего его в изолированную клетку, много. Первые клетки могли образоваться из капель «бульона» на прибрежных глинах. Другая возможность, и сейчас наблюдается в море. Эта возможность дана некоторыми органическими молекулами, имеющими заряд на одном своём конце. Такие молекулы обращённые зарядом к поверхности воды, и образуют на ней плёнки толщиной в свою длину. А поверхность воды даже в тихой заводи, редко бывает спокойной, и микроскопическая капля «бульона» покрытая плёнкой, легко может оторваться от воды. Заряженные концы молекул плёнки обращены к капле, а падая обратно в воду, капля, прогибая плёнку на её поверхности, может обрести и вторую плёнку, но с зарядами, обращёнными наружу, к воде.

Мембраны клеток, и состоят из двух слоёв плёнок, между молекулами которых имеются изменяющие свои размеры поры, через которые с участием ионов натрия, калия и кальция, и осуществляются обменные процессы между клеткой и внешней средой.

Первые клетки, ещё очень простые и не имеющие ещё ядра, усваивая вещество внешней среды и производя белок, должны были увеличиваться в размере, – расти. Но рост не мог быть безграничным, поскольку увеличение объёма клетки приводит к неустойчивости синтетических реакций внутри неё, и к разрушению самой клетки. Но не всякое разрушение клетки, приводит к гибели её осколков. Некоторых осколки клеток, могли перехватывать эстафету синтеза у своих родителей. Так возможно, и появилось размножение клетки делением. И с тех пор, как рост и разделение породнились, этот процесс на Земле не прекращается, и длиться уже несколько миллиардов лет.

Но полное разделение клетки, не единственная возможность обеспечения устойчивости синтеза. С развитием клеток, в них обосабливаются внутренние обменные, и синтетические процессы. Поэтому клетки имеют сложнее строение, и некоторые имеют «гигантские» размеры, достигающее несколько сантиметров в длину. Самые большие клетки яйца птиц, но они зародышевые. С делением клеток связано и образование многоклеточных организмов, но как, и почему это произошло, мы ещё не знаем.

Молекула ДНК очень устойчива, но и её устойчивость не безгранична. При различных воздействиях возможны небольшие изменения в ДНК, что при делении клетки, и приводит к изменениям в новых клетках. Будут ли это изменения прогрессивными или нет, решается уже за пределами клеток.

По данным палеонтологии простейшие формы живых тел, одноклеточные организмы, появились около 3,5 миллиардов лет тому назад.

Так ли в общем, как изображено выше или несколько иначе происходило зарождение жизни, это не так и важно. Важно другое, важно то, что для её зарождения есть естественные предпосылки. А предпосылки эти, в свойствах и законах движущейся материи, представленной в форме атомов и молекул, участвующих в органическом синтезе.

Среди учёных, связанных вопросами зарождения жизни, нет единого мнения по поводу непосредственной причины её появления, но о естественности этой причины, у них разногласий нет, в этом они едины. А многочисленность возможных конкретных причин зарождения жизни, говорит о её закономерности и неизбежности в земных условиях.

Жизнь

Здесь мы, с этапом органического синтеза в развитии, вследствие чего и зародилась клетка, прощаемся, и переходим к биологическому взаимодействию живых организмов.

Живой организм, это обособленная часть некогда существовавшего в истории становления Земли естественного органического синтеза. Часть, ставшая особью, с замкнутым органическим синтезом и внутренними обменными процессами, но сохранившая связь с внешней средой, как местом и источником своего существования. А жизнь, это обменное взаимодействие с сохранением структурной организации, живых особей между собой и неорганической природой; их рост, размножение, и эволюционное изменение форм. А если коротко, – «способ существования белковых тел».

Сохранение структурной организации особей, в обменном взаимодействии, и отличает их от неживых, минеральных тел, структура которых при их взаимодействии изменяется. Но провести абсолютную границу между ними, поскольку она, как и всякая граница есть состояние качественной неопределённости, невозможно. Вирус, не взаимодействуя, существует, не изменяясь, но устроившись в живой клетке, размножается. Он как граница, и минерал и живой, он и ни тот, и ни другой, поскольку чего – то третьего в качестве границы существовать не может.

Жизнь, среди органических соединений естественного происхождения, начинает проявляться в форме обособленных тел, для которых эти первичные соединения становятся необходимым жизненным средством. В этот, ещё качественной неопределённости жизни, период, между ними не могла не развернуться эволюционная борьба, связанная с их усвоением. А эта борьба и разрешилась естественным отбором отвечающего кинетическому совершенству живого тела в форме клетки, ставшей основой всех организмов. Многоклеточные организмы, и продолжили развитие жизни.

Изменившаяся атмосфера Земли, появление в ней кислорода, сделала невозможным естественный органический синтез. И некоторые организмы под воздействием излучаемой солнцем энергии, перешли на их внутренний синтез, и в основном из воды, углекислого газа и соединений азота. Такими умельцами оказались предки растений, и с той поры растения и остались единственными поставщиками органических соединений травоядным животным, а травоядные, хищникам. Между ними, включая и микроорганизмы, и развернулось биологическое взаимодействие.

Свойствами тел – особей и определяются особенности взаимодействия и их следствия. Естественно, что ни сами свойства этих тел, ни их изменения, не возможны без соответствующего им внутреннего содержания, и его изменения. А эти изменения, результат изменений составных частей молекулы ДНК – генов: как случайных при размножении клеток делением, так и комбинацией при половом размножении.

Те особи, сохранённое или изменённое внутреннее содержание которых, не обеспечивает свойств необходимых для успешного взаимодействия в условиях своего существования, уступают в них место счастливчикам.

Нам нет необходимости рассматривать биологическое развитие во всей её раскрытой полноте, оно изложено в обширной литературе. А рассмотрим мы только развитие высших животных, да и то, не касаясь, их внутреннего содержания, и свойств во всём их разнообразии, нам это не нужно. Нам, рассматривая только существенные ступени в развитии жизни, направляемой кинетическим совершенством, необходимо отметить только то, существенное в содержании животных тел, и в деятельных их свойствах, которое и обеспечивает это совершенство.

Жизнь даже простейших организмов не возможна без стабилизации их внутренних обменных процессов, которая в простейшем случае, в клетке, обеспечивается автоматическим регулированием уже самим свойством химических реакций – замедляться с увеличением концентрации продукта реакции, и ускорятся с её уменьшением.

При простейшем автоматическом регулировании, у животных, избыток или недостаток вещества вызванных изменением в обменном процессе, оказывая обратное воздействия на процесс, восстанавливает его. Это гуморальное регулирование обменных процессов.

На более высоком уровне развития живого организма, когда у животных появляются многоклеточные органы, между которыми устанавливается физиологическое взаимодействие, появились и органы (железы) выделяющие химические вещества, гормоны, регулирующие их взаимодействие.

Стабилизирующее регулирование в неразрывной и замкнутой цепи связей в контуре физических, химических и физиологических процессов отслеживающее их отклонение от необходимой меры, – следящее регулирование.

Возможно уже на уровне клетки, белки, организуя обменные процессы в ней, оказывают и обратное воздействие на ДНК; а в зародышевой клетке, поочерёдно синтезируемые специфические белки, воздействуя на ДНК, разворачивают развитие организма особи.

Физиология живых организмов, уходит в основание биологического взаимодействия особей с внешней средой. Во взаимодействие, которое, начиная с простейших его форм, и определяет направление дальнейшего развития, как самого взаимодействия, так и физиологии.

Простейшее биологическое действие особи, раздражимость. Раздражимость, это деятельная реакция особи на внешнее воздействие, или на нарушение внутренних физиологических процессов недостатком необходимых питательных веществ.

Раздражимость, обеспечивающая взаимодействие с внешней средой, только при непосредственном и случайном контакте, не может обеспечить с ней устойчивого вещественного обмена. И поэтому, микроорганизмы, полностью зависящие от случайностей внешней среды, существуют только благодаря огромной скорости своего размножения.

Преимущество получили те организмы, которые, не ожидая милости от природы, в многочисленных своих эволюционных и революционных изменениях, приобрели способность к внешнему перемещению. А для перемещения особи в пространстве, необходимы для начала, хотя бы самые простейшие способы движения, с энергетическим обеспечением всё теми же физическими и химическими внутренними процессами. Эти процессы, изменением поверхностного напряжения, и давления (тургора) в некоторых участках живого тела, и обеспечивают ему простейшие физические движения. Разделение электрохимическими процессами, электрических зарядов, на противостоящих участках тела, становятся причиной их относительного физического движения, а это, и становится основой развития органов движения животных. Наши руки и ноги, с электрическим приводом.

Внешнее, или внутреннее раздражение недостаточностью жизненно необходимых веществ, вызывают физиологическую реакцию, которая посредством своей непрерывной внутренней связи, и приводит особь к простейшему внешнему физическому движению.

Передвижение особи в окружающей среде, не гарантируя ей выживание, повышает его вероятность. Поскольку выживание вида особей, не зависит от отдельной особи, а зависит от количественного отношения выживания и размножения особей. То если выжившие особи, вероятность чего повышается, размножаясь, восстанавливают свою исходную численность или увеличивают, то и вид сохраняется или размножается.

Но вид, не завися от отдельной особи, зависит от особей, поскольку без особей вид не существует, как не существует общее без единичного. А какие особи такой и вид, и поэтому биологическое развитие естественным отбором, непосредственно и связано с особью.