Сотворение мира

Валерий Александрович Гуров, 2018

Сущность – есть проявление бесконечных причинно-следственных отношений во Вселенной. Наше знание – некая модель этой сущности. В книге делается попытка систематизации концептуальных положений части известных и новых фактов, теорий и гипотез для построения определенного приближения к целостной и непротиворечивой картине мироздания. Такая систематизация не только представляет сама по себе интерес, но и приводит к новым и неординарным выводам, иногда расходящимися с установившимися взглядами.

Лучше уж сочинять новый вздор, чем повторять старый, приведший классиков к непрочности как в мышлении, так и в общественных отношениях.

Д. Менделеев

Принимается, что энергия распределена во Вселенной в форме энергии стационарных полей, энергии излучений, кинетической и потенциальной энергии тел, обладающих массой. С другой стороны, энергия и материальные тела — это имманенты одной сущности, обладающие различными наборами свойств, позволяющими их дифференцированно различать. Разделение сущности на энергию и материальные тела — это первый этап систематизации внешнего мира. Все остальное является бесконечным проявлением причинно-следственных отношений между материальными телами, возникающими в ходе перераспределения энергии Вселенной. Чтобы осмыслить это разнообразие — надо попытаться его систематизировать. Полагаем, что наиболее понятной будет систематизация по степени масштабности проявлений энергетических взаимодействий материальных тел. При этом на каждом из выделенных уровней строится своя модель проявления сущности. Такую модель сущего на выделенном уровне своей масштабности предлагается называть стратой.

Страта — понятие, используемое в основном для характеристики социальных слоев социума [1]. Здесь же предлагается это понятие использовать для выделения и концептуального анализа иерархических слоев сущностного мира.

Нулевая страта. Гносеологическая

Инструментом познания внешней сущности является человеческий мозг. Здесь и далее полагается, что мозг обрабатывает сигналы, поступающие через органы чувств от воздействия внешней сущности на основе собственной модели этой сущности. Эта модель строится в нейронной сети мозга, на базе генетически заложенной начальной информации и последующего опыта индивидуума. Уже в силу такой особенности нет оснований для утверждения о полном соответствии таких моделей объективной сущности внешнего мира. Адекватность модели воспринимается каждым организмом как статистически устойчивое соответствие ожидаемой реакции внешней среды на действия организма, сформированные на основе их собственной модели внешнего мира. Общим для всех индивидуумов является статистически устойчивое восприятие трехмерного мира с временной последовательностью причинно-связанных событий внешнего мира. Но такое восприятие не является основанием для отрицания того, что внешняя сущность имеет измерений больше.

Мозгу, работающему с трехмерной моделью, трудно представить особенности модели с большим числом измерений, тем более что этого и не требуется для адекватной реакции организма на внешние раздражители. Чтобы обосновать реальную возможность многомерного мира, представим себе, что наблюдаем двумерный мир. Тот же экран, на который проецируется изображение. Он имеет свои особенности представления этих изображений. Правда, элементы изображений не причинно-зависимы друг от друга в пределах данной плоскости, а, скорее, зависят от событий, происходящих в бесконечном множестве других плоскостей, которые, вдобавок, связаны причинно-следственными отношениями. Аналогично и наш трехмерный мир, воспринимаемый нашими органами чувств, лишь один из множества таких же трехмерных миров, существующих параллельно с нашим. Поскольку причинно-связанные отношения между сущностями возможны, начиная с трехмерного мира, то такие миры могут существовать независимо друг от друга, либо быть слабосвязанными, проявляясь в том или ином мире непредсказуемыми явлениями. Хотя возможны и другие проявления многомерности сущности. То, что нам в трехмерном мире представляется объектом определенной формы и содержания, на самом деле является многомерной сущностью с другими свойствами и причинно-следственными отношениями. И если это так, то рано или поздно наши теории мироздания упрутся в невозможность адекватной интерпретации опытных результатов в рамках представлений нашего трехмерного мира.

Первая страта. Космогоническая

Быт.1:4 И увидел Бог свет, что он хорош, и отделил Бог свет от тьмы.

Быт.1:5 И назвал Бог свет днём, а тьму ночью. И был вечер, и было утро: день один.

Теория не терпит исключений. Если отдельные факты не укладываются в рамки теоретических представлений, то эта теория, в лучшем случае, лишь приближение к истине. Так и с теорией Большого взрыва. Слишком много допущений. Возрастает число наблюдательных фактов, плохо согласующихся с изотропностью и однородностью наблюдаемой Вселенной: наличие преимущественного направления вращения галактик, неоднородности в распределении галактик на наибольших доступных масштабах, «ось зла». «Стандартная модель уродлива и запутанна, — считает доктор Магуэйо. — Надеюсь, ее финал не за горами, хотя объяснить всю совокупность фактов, в том числе те, которые стандартной моделью описывались вполне удовлетворительно, будет чрезвычайно непросто». [2]

Вот и последний факт обнаружения протогалактик, возраст которых сопоставим с возрастом Вселенной, рассчитанной по формуле Хаббла. Есть и достаточно убедительное доказательство на основе наблюдаемых скоростей галактик, что возраст Вселенной никак не меньше 100 млрд лет, что ставит под сомненье расчет по формуле Хаббла. Само образование галактик, их взаимное движение, столкновение галактик как-то плохо вяжутся с разлетом материи после взрыва. Да и целый ряд допущений относительно нарушения фундаментальных законов в начальный период взрыва, списываемых на сингулярность. Есть и другие плохо согласующиеся с теорией Большого взрыва явления, как-то черные дыры, темная энергия, темная материя и т.п.

В то же время появилось гениальное доказательство Перельмана гипотезы Гамильтона, что топология 3-сферы неизбежно сводится к 3-сферам.

«Гамильтон столкнулся с определенными трудностями: в некоторых случаях поток Риччи приводит к пережиму многообразия и образованию бесконечно тонкой шейки». [5]

«Применение потока Риччи для постепенного изменения формы 3-многообразия иногда приводит к возникновению особенностей. Например, когда часть объекта имеет форму гантели, трубка между сферами может оказаться пережатой до точечного сечения, нарушающего свойства многообразия». [там же]

«Когда поток Риччи и «хирургическую операцию» применяют ко всем возможным 3-многообразиям, любое из них, если оно столь же простое, как 3-сфера (иначе говоря, характеризуется такой же гомотопией), обязательно сводится к той же самой однородной геометрии, что и 3-сфера. Значит, с топологической точки зрения, рассматриваемое многообразие и есть 3-сфера. Таким образом, 3-сфера уникальна». [там же]

Cказанное делает убедительной гипотезу, что наша Вселенная — некая 3-сфера, заполненная как взаимодействующей материей и энергией, так и темной материей и энергией, физические характеристики которых отличны от известных. Черные дыры, существующие во Вселенной, — суть сингулярные переходы во внешние 3-сферы — Вселенные, существующие параллельно с нашей, видимой, Вселенной. И в таких черных дырах при достижении критической плотности материи происходит фазовое изменение значений фундаментальных констант, порождающих другую Вселенную, заполненную материей, взаимодействующей при других физических константах. (Возможно, что такое фазовое изменение величин претерпевают всего две константы: диэлектрическая ε₀ и магнитная проницаемость µ₀ вакуума или электрическая и магнитные постоянные, которым будет соответствовать другое значение скорости света в соответствии с формулой c² = 1/ ε₀ µ_{0). Такой} переход проявляется в других Вселенных как эффект Большого взрыва. Другими словами, происходит взрывной фазовый переход материи черной дыры в новое качественное состояние, с другими физическими константами.

Если исходить из этой гипотезы, то наша Вселенная, некогда порожденная черной дырой высшего порядка, должна наследовать ряд свойств прародителя, в частности, иметь определенное направление вращения и обладать зеркальной симметрией.

Черных дыр в нашей Вселенной много. Естественно предположить, что подобные фазовые переходы свойственны и им, по достижении критической массы. Тогда во вторичной Вселенной, проявившей себя как пространство, заполненное материей с физическими константами, отличными от исходных, будут возникать новые и новые центры генерации материи. Таким образом, данная гипотеза предполагает, что и в нашей Вселенной, некогда порожденной взрывным переходом, возможно проявление множества центров генерации материи, разнесенных и пространственно, и во времени. Это и проявляется в ячеистой структуре видимой Вселенной и объясняет разнонаправленное движение галактик.

Нет оснований считать, что субстанция в черной дыре не подчиняется тем же физическим законам, что и вне ее. Поэтому уплотнение субстанции внутри черной дыры будет развиваться во времени. Тогда субстанция, достигшая критических значений плотности, будет лишь частью общего объема дыры. Нет оснований считать также, что процесс уплотнения субстанции внутри черной дыры будет строго регулярный, как и то, что область фазового перехода будет строго сферической. Более того, логично предположить, что при фазовом переходе части субстанции черной дыры будет выделяться энергия, которая, распространяясь в объеме этой черной дыры, вовлечет в процесс фазового перехода дополнительные ее объемы. Таким образом, взрывной фазовый переход, в рамках данной гипотезы, не одномоментный, а развивающийся во времени и в пространстве, и поэтому неизбежно будет порождать нерегулярности в формирующейся субстанции вторичной Вселенной. Процессы возникновения субстанции во вторичной Вселенной, скорее всего, будут в чем-то схожи с процессами, описанными в теории Большого взрыва, за исключением разве что сингулярного периода и эффекта симметричного разлета материи. Да еще ближайшим результатом, после конденсации вещества с новыми физическими константами, будет не вся Вселенная, а лишь некое образование. Скорее всего, таким образованиям соответствуют гигантские космические гелиево-водородные облака нашей Вселенной, протяженностью в десятки килопарсеков. Порождение таких облаков будет сопровождаться гигантскими гравитационными волнами, которые, воздействуя на уже существующие облака, будут вызывать в них нерегулярные процессы, ведущие к звездообразованию.

Исходя из теории процессов, сопровождающих Большой взрыв, следует, что такие облака будут обладать повышенной плотностью и высокой энергетической составляющей. Поэтому вероятность возникновения в них массивных звезд с коротким периодом существования и последующим эволюционированием таких звезд в нейтронные звезды, сверхновые или в черные дыры будет высока. Подобные переходы носят взрывной характер, побочным продуктом которого являются также малые газопылевые облака с незначительным содержанием тяжелых элементов, успевшим образоваться в короткие мгновенья заключительной фазы таких взрывов.

Есть точка зрения, что звездные системы, типа Солнечной, возникают из вещества, образовавшегося после взрыва сверхновой. Но это вызывает сомненье, так как логично предположить, что вещества взорвавшейся звезды, разметанного относительно равномерно в пространстве, будет недостаточно для вторичного формирования систем типа Солнечной. Хотя бы в силу того, что верхняя граница массы звезды-гиганта максимально в несколько сотен раз может превышать массу Солнца. Очевидно, что к началу образования новой системы скорость разлета вещества взорвавшейся звезды должна быть близка к нулевой, чтобы силы тяготения флюктуационных сгустков вещества могли изменить вектора движения отдельных частиц, а это обуславливает большой радиус разлета и слишком низкую плотность вещества в газовом образовании. В той или иной степени, это допустимо для газопылевого облака, возникшего как результат слияния вещества от множественных взрывов сверхновых. Но взрывы сверхновых столь редки, что такой сценарий представляется маловероятным.

И совсем плохо обстоят дела с объяснением наличия в таких облаках достаточно большой массы вещества с атомными весами, больше атома железа, то есть вещества, для образования которого требуется затрата энергии. И немалая.

Активный период фазовых изменений в черной дыре по закону сохранения энергии должен сопровождаться в первичной Вселенной запредельным по мощности излучением, воздействие которого на вещество, попавшее под действие этого излучения, будет более чем достаточно для термоядерного синтеза элементов всей таблицы Менделеева. Если при этом исходить из закона сохранения момента импульса, то излучение черной дыры должно быть полярным и равным по мощности. В результате воздействия излучения в диаметрально противоположных направлениях от центра черной дыры можно ожидать возникновение областей межзвездного вещества с повышенным содержанием тяжелых элементов. Последние открытия астрофизиков при исследовании излучений сверхмассивных черных дыр в квазарах, состоящие в том, что такие дыры выбрасывают вещество с фантастически высокой температурой, позволяют считать, что именно при этих выбросах и происходит синтез веществ с атомными весами по всей таблице Менделеева.

«Новые наблюдения струй, излучаемых черной дырой, показывают удивительные температуры внутри струй в 10 триллионов градусов Кельвина или 18 триллионов градусов по Фаренгейту. Наблюдения квазара 3C 273 были сделаны русским спутником Спектр-Р, работающим совместно с тремя наземными обсерваториями». [4]

Наша Галактика также имеет в своем центре массивную черную дыру. Масса этой черной дыры растет за счет активных процессов аккреции звездного вещества в центре Галактики. Предположительно возрастает и плотность вещества в черной дыре. При достижении плотности значений фазового перехода черная дыра активизируется. Осуществляется фазовый переход части вещества дыры в другую Вселенную и одновременно дыра выбрасывает струи материи, соответствующей энергии этого перехода, в нашу Вселенную за пределы Галактики. Энергия выбрасываемой материи столь высока, что ее хватает для термоядерного синтеза элементов с любым допустимым атомным весом. Это вещество затем конденсируется в облако и спустя определенное время под действием сил гравитации возвращается обратно, насыщенное элементами с высокими атомными весами. Такое облако (Стрелец В2), из вещества, выброшенного центром Галактики n-е количество лет назад, астрофизики в своих наблюдениях как раз и отмечают, как движущееся по направлению к нашей Галактике [5]. Стрелец В2, имея массу в три миллиона масс Солнца, является областью интенсивного звездообразования и формирования в этом облаке массы внесистемных космических тел типа астероидов. При достижении пределов Галактики, такое облако вольется в нее новыми звездными образованиями и привнесет в планетарные системы существующих в ней звезд новые порции космических пришельцев-астероидов. Вот из таких пришельцев могли в свое время образоваться внутренние планеты Солнечной системы, а также спутники ее больших газовых планет. Либо же Солнечная система, сформировавшись целиком на стадии подлета к Галактике, была потом втянута в орбиту движения составляющих ее звезд.

Вторая страта. Планетарная

Быт.1:7 И создал Бог твердь, и отделил воду, которая под твердью, от воды, которая над твердью. И стало так.

Быт.1:8 И назвал Бог твердь небом. [И увидел Бог, что это хорошо.] И был вечер, и было утро: день второй.

«Согласно современным представлениям, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвёздного молекулярного облака. Большая часть вещества оказалась в гравитационном центре коллапса с последующим образованием звезды — Солнца». [8]

Подобный процесс звездообразования подтверждается основательной базой наблюдений зарождения звезд в газопылевых скоплениях. Но вот общепризнанной единой теории формирования планетарных звездных систем нет. Есть достаточно просчитанная теория образования газовых гигантов — планет типа Юпитера, Сатурна. А вот в отношении происхождения внутренних планет Солнечной системы нет единства.

Обоснованием предпочтения из известных гипотез формирования внутренних планет Солнечной системы могут быть следующие положения [11]:

Чтобы образовать планетную систему, центральное тело должно обладать магнитным полем, уровень которого превышает определенное критическое значение, а пространство в его окрестностях должно быть заполнено разреженной плазмой. Без этого процесс планетообразования невозможен.

В результате многолетнего изучения изотопного состава вещества метеоритов Солнца, Земли обнаружены отклонения в изотопном составе ряда элементов, содержащихся в метеоритах и земных породах, от изотопного состава тех же элементов на Солнце. Это говорит о различном происхождении этих элементов. Отсюда следует, что основная масса вещества Солнечной системы есть вещество некого газопылевого облака. Значительно меньшая часть вещества с другим изотопным составом поступила из другого газопылевого облака, и она послужила материалом для формирования внутренних планет, спутников газовых планет, астероидов, комет. Смешение двух газопылевых облаков произошло примерно 4,5 млрд лет назад, что и положило начало образованию Солнечной системы.

В Солнечной системе: на долю планет, суммарная масса которых составляет только 0,1% от массы всей системы, приходится 99% суммарного момента количества движения.

Все горячие звезды, температура поверхности которых превышает 7000 К, имеют высокие скорости вращения. По мере перехода ко все более холодным звездам на определенном температурном рубеже возникает внезапный резкий спад скорости вращения. Звезды, входящие в класс желтых карликов (типа Солнца), температура поверхности у которых порядка 6000 К, имеют аномально низкие скорости вращения, почти равные нулю. Скорость вращения Солнца — 2 км/с. Низкие скорости вращения могут быть результатом передачи 99% первоначального момента количества движения в протопланетное облако.

Последняя из перечисленных особенностей позволяет утверждать, что Солнечная система возникла как планетарная система газовых гигантов, перераспределивших в процессе своего формирования момент количества движения протозвезды в момент количества движения этих планет.

Где-то 4,5 млрд лет назад такая первичная Солнечная система пересекла газопылевое облако класса Стрельца В3, содержащего большое количество тяжелых твердых фракций в форме крупных космических тел, содержащих практически всю таблицу элементов Менделеева, с большими включениями льда, связанного газа и органики, в том числе довольно сложных органических соединений. Какая-то часть этих фракций была поглощена Солнцем и ее планетами. Другая ее часть пополнила уже сильно разреженный газопылевой диск первичной Солнечной системы как газопылевыми фракциями, так и большим количеством сформировавшихся твердых крупных образований.

Дальнейшее формирование планетарной Солнечной системы в ее новом виде шло под влиянием как сильного излучения Солнца, так и влияния крупных газовых планет. Многие особенности внутренних планет объясняются действием давления излучения светила и его магнитного поля на фрагменты диска. Под действием излучения происходило вытеснение легких компонентов диска, прежде всего водорода, на периферию. Другими словами, давление излучения Солнца осуществляло начальную дифференциацию по массе частиц и крупных фрагментов, составлявших диск.

Если принять эту гипотезу, то распределение элементов по планетам Солнечной системы должно зависеть от удаленности планеты от Солнца. Наименьшее содержание легких элементов будет у Меркурия. На Венере в составе газов следует ожидать преобладание летучих соединений серы, хлора, азота. Из-за малого исходного содержания водорода воды и углеводородных соединений в составе атмосферы Венеры будет невелико. А вот на Марсе в соответствии с данной гипотезой воды должно было быть изначально много. Много и углеводородных соединений. Но сравнительно небольшой размер планеты не способствовал длительному удержанию плотной атмосферы на Марсе. И с затуханием вулканической деятельности он потерял со временем большую ее часть. Существование астероидного пояса между Марсом и Юпитером в рамках излагаемой гипотезы объясняется, во-первых, обедненным составом тяжелых элементов в составе вещества астероидов и, во-вторых, гравитационным влиянием гигантских газовых планет Солнечной системы.

Из вышеизложенного следует, что внутренние планеты Солнечной системы имеют внешний, по отношению к Солнцу, генезис, но общую среду происхождения. Поэтому и процентное распределение изотопов элементов в общей массе каждой из планет будет близким. Но на этом и кончается схожесть. Планеты различны по массе и по удаленности от Солнца. Эти факторы оказывают решающее воздействие на физические условия на поверхности этих планет.

С момента своего рождения силы гравитационного сжатия разогревали внутренние слои планет. Процессу разогрева способствовало и тепло, выделяемое при распаде нестабильных элементов, а также от ядерных реакций, происходящих под действием вторичных нейтронов, образующихся при распаде нестабильных изотопов. Выделяемого тепла в планетах, начиная с определенной их массы, вполне хватает для перевода внутреннего вещества планеты в расплавленное состояние. Перемешивание пород в расплавленном состоянии ведет к интенсивному газообразованию. Газы, вырываясь на поверхность планет, образуют вокруг них атмосферу, удерживаемую гравитационным притяжением этих планет. Сила гравитационного притяжения для планет внутренней группы Солнечной системы не в состоянии удержать выделяющиеся газы у поверхности. Газы испаряются с поверхности планет и под действием внутренних условий на планете, и под воздействием излучения Солнца, а также действия гравитационного притяжения массивных спутников планет, метеоритных бомбардировок поверхности планет.

Вулканическая деятельность планет восполняет атмосферу. Со временем интенсивность выделения газов на планетах падает. Снижается и плотность атмосферы. Очевидно, что затухание вулканической деятельности идет обратно пропорционально массе планет. Отсюда, казалось бы, должна соответственно изменяться и плотность атмосферы. Но Венера выпадает из этой зависимости. Объяснением такого явления может быть отсутствие естественных спутников; очень малая скорость вращения; у нее меньшая плотность, и поэтому термодинамические процессы начались значительно позже, чем на Земле. Есть еще две гипотезы. Первая, что Венера вошла в состав Солнечной системы намного позже остальных внутренних планет. Вторая, связана с наличием у Земли Луны.

Она состоит в том, что Луна образовалась 4,3 млрд лет назад в результате столкновения Земли с протопланетой Тейей, которая сформировалась в точке Лагранжа, либо в результате удара массивного астероида, выбившего вот такой осколок. Сценарий с ударным воздействием на Землю объясняет и наклон оси вращения Земли, и создание условий для движения тектонических плит, и ряд других особенностей системы Земля — Луна. Версия столкновения с протопланетой выглядит менее убедительной в силу и малой вероятности возможности возникновения такой планеты именно в точке Лагранжа, и причин, обусловивших начало ее движения в сторону Земли по весьма сложной траектории.

Более вероятен удар крупного космического тела в планету Земля по наклонной траектории. Эта версия становится более правдоподобной, если принять, что Солнечная система в ее нынешнем виде сформировалась при пересечении первоначальной Солнечной системой вышеописанного газопылевого облака. Только такое облако на тот момент уже трудно было назвать газопылевым, в силу глубокой стадии эволюционных процессов формирования в нем молодых звезд и крупных космических тел. Учитывая гигантскую протяженность газопылевых облаков, можно предположить, что Солнечная система в своем движении вокруг центра Галактики неоднократно пересекала это облако. Каждый раз при этом захватывая часть его вещества. Но это облако пересекало и множество других звезд Галактики, увлекая за собой части его общей массы. Поэтому при каждом последующем пересечении Солнечной системы такого облака количество захватываемого системой вещества облака уменьшалось и, видимо, основательно. Причем, если при первых прохождениях захватывались крупные астероидные тела, из которых и сформировались планеты, то при последующих пересечениях размеров и количества захваченных астероидов было достаточно только для бомбардировки поверхности сформировавшихся планетных тел.

Вот удар одного из таких крупных астероидов в Землю сильно уменьшил плотность зарождавшейся ее атмосферы, расколол ее литосферу и выбросил ее часть в космическое пространство, затем тело астероида слилось с телом планеты, пополнив ее массу. Часть энергии соударения воплотилась в кинетическую энергию осколка и в тепло, которое разогрело осколок до температур плавления пород. Из-за большой массы выброшенного вещества кинетической энергии осколка оказалось недостаточно, чтобы приобрести вторую космическую скорость и покинуть пределы притяжения Земли, но достаточно, чтобы он стал ее спутником.

Первоначальная орбита Луны была намного ближе к Земле. Приливы, вызванные силами взаимного тяготения, послужили причиной постепенного замедления вращения Земли. Вызывая приливы, Луна пытается затормозить вращение Земли до своего собственного орбитального периода, и это, в свою очередь, удлиняет орбитальный период Луны. В конце концов земные сутки и лунный месяц станут одинаковыми — 55 современных суток каждый. В результате такого взаимодействия радиус орбиты Луны увеличивается, ее гравитационное влияние на Землю ослабевает. Все эти изменения происходят очень медленно. Так за прошедшие 400 млн лет сутки Земли удлинились с 22 до 24 часов. Сразу же после соударения сутки длились немного более 5 часов.

Сильное гравитационное влияние Луны в начальный период ее возникновения никак не способствовало увеличению плотности атмосферы Земли, связанной с интенсивной вулканической деятельностью из-за ударного воздействия на Землю. Но, с другой стороны, столь интенсивная деятельность вулканов не могла не сформировать на тот период более плотную атмосферу, чем сейчас, и с более высокой температурой из-за ее дополнительного нагрева энергией соударения.

В результате ударного воздействия астероида на Землю было выброшено в космос и значительное количество литосферного земного вещества. А в оставшемся образовались тектонические трещины, послужившие первопричиной раскола литосферы на тектонические плиты. Эти плиты со временем, по мере разогрева мантии Земли и снижения ее вязкости, пришли в движение, которое продолжается и ныне. Современная скорость такого движения составляет сантиметры в год. Учитывая затухание вулканической деятельности на Земле, связанное с постепенным остыванием мантии Земли, можно предположить, что в более ранних геологических периодах скорость перемещения плит была выше. Но все равно существенное географическое изменение положения плит, особенно по широтам, совершалось за десятки миллионов лет. Десятками миллионов лет исчисляются и геологические периоды в истории Земли, связанные с кардинальными изменениями биологических процессов на ее поверхности.

Физика перемещения плит по поверхности мантии такова, что передний фронт плиты при таком движении вздымается, а задний, наоборот, опускается, порождая массу островов. Особенно интенсивно происходит горообразование по границам стыка плит, преобразовывая кинетическую энергию плиты в потенциальную энергию вертикального перемещения горных масс. В последующем эти плиты меняли направление своего движения, расходились и некогда высокие горы опускались и даже отрывались от основной плиты, образуя автономные тектонические плиты островных дуг.

По той же причине, по которой формировалась атмосфера Земли, параллельно происходило и формирование атмосферы Луны. Но, в отличие от Земли, Луна, по сути, представляла единый вулкан с интенсивным газообразованием. Несмотря на небольшую силу тяжести, такой выброс газов создавал достаточно плотную атмосферу. Но высокая ее температура и близкое соседство Земли мало способствовали ее сохранению. По мере остывания поверхности Луны и выплавления из ее пород летучих элементов интенсивность газообразования падала, и атмосфера стала терять свою плотность. С другой стороны, вовлечение в процесс гидродинамического перемешивания расплавленного вещества Луны приводило к формированию послойной структуры ее мантии. В том числе и к формированию слоев тяжелых элементов, обогащенных радиоактивными изотопами. Этот фактор обеспечил Луне, даже после поверхностного остывания, длительное существования мантии в расплавленном состоянии и поддержание вулканической деятельности. Как следствие — относительно длительное сохранение атмосферы. Таким образом, вполне вероятным являлось и длительное существование водных образований на поверхности Луны. Открытые недавно залежи льда в полярных областях лишь подтверждают обоснованность данного вывода. Вероятность же зарождения и существования жизни на Луне крайне низка из-за ее начальной стерилизации высокими температурами от всех изначальных органических образований.

На Венере высокая температура и давление почти наверняка стерилизовали поверхность планеты от органики. Но, с другой стороны, высокая плотность атмосферы и высокая температура на поверхности планеты ведут к интенсивным электростатическим процессам и разрядам молний колоссальной интенсивности. Эти условия вполне могут способствовать развитию органического синтеза в атмосфере Венеры, а возможно и ее самоорганизации в более совершенные системы.

Те условия, которые сейчас фиксируются на Марсе, скорее всего, соответствуют закату эволюции планеты и прекращению вулканической деятельности, этого единственного источника поддержания приемлемой плотности атмосферы для обеспечения благоприятных условий развития органики, а возможно и жизни. В девять раз меньшая масса Марса, чем масса Земли, позволяют предполагать, что и эволюция планеты происходила более динамично и сейчас близка к завершению. Планета в своей эволюции наверняка прошла тот период, когда и на ней существовали условия для возникновения органической жизни. И именно в силу меньших размеров планеты эти условия на планете сформировались существенно раньше, чем на Земле, и вполне возможно, что и органическая жизнь достигла вершин в своем развитии намного раньше. Вопрос состоит лишь в том, успела ли эта органическая жизнь достичь цивилизационного уровня, прежде чем условия на планете приблизились к условиям экстремального ее выживания. Если гипотеза относительно вступления Марса в завершающую фазу эволюции верна, то в силу остывания его внутренних слоев следует ожидать проявление признаков теплового сжатия в виде цепей протяженных высоких горных образований на его поверхности, по типу морщин на поверхности высыхающего яблока.

Земля из-за гравитационного влияния Луны эволюционно более продвинутая планета, чем Венера. И поэтому фазу наличия атмосферы высокой плотности и температуры она исторически миновала давно. И сейчас приблизилась к периоду, когда из-за снижения активности вулканической деятельности на Земле плотность, и, как следствие, температура атмосферы неуклонно снижаются. Это регулярное снижение достигло фазы, когда сравнительно небольшие колебания плотности атмосферы вызывают существенные температурные колебания, сопровождающиеся ледниковыми периодами и межледниковыми оттепелями.

Страта третья. Биоорганическая

Быт.1:12 И произвела земля зелень, траву, сеющую семя по роду [и по подобию] её, и дерево [плодовитое], приносящее плод, в котором семя его по роду его [на земле]. И увидел Бог, что это хорошо.

Быт.1:13 И был вечер, и было утро: день третий.

Жизнь с биологических позиций — непрерывная самоподдерживающаяся реакция. С излагаемых концептуальных позиций жизнь — утонченная форма утилизации части энергии, излучаемой Солнцем. Известен только один элемент, на основе которого такая утилизация возможна, — углерод. Есть предположения, что такая утилизация возможна и на основе кремния, но доказательств нет. И, самое главное, для кремниевых соединений предположительно нет подходящих растворителей в достаточном количестве на поверхности планет Солнечной системы либо их спутников. Уникальность углерода подтверждается и тем, что в космических телах находят лишь сложные органические соединения на основе углерода. В частности, астрономы обнаружили в газопылевом облаке Стрельца В2 структурные изомеры пропилцианида — бутиронитрил. Бутиронитрил представляет собой плохо растворимую в воде бесцветную жидкость и используется на Земле для органического синтеза. В 2009 г. в облаке нашли аминоацетонитрил — предшественника аминокислоты глицина. В 2016 г — окись пропилена. [6 — 8] Эти и другие данные позволяют утверждать, что именно в таких газопылевых облаках и зарождается химическая основа жизни.

Астрофизики выявили, что в области формирования молодых звезд существует некоторая небольшая зона, в которой метанол вырабатывается особенно интенсивно. В следующей стадии происходит его оседание на космической звездной пыли, образуя своеобразную основу для дальнейших процессов химического синтеза. Именно на таких пылевых частицах, содержащиеся в оболочке кислород, азот и углерод превращаются в результате облучения излучением нарождающейся звезды в органические крупные молекулярные соединения, с максимальной молекулярной массой, ограниченной лишь самим размером пылинки (до 0,1 мкм).

Эти и другие факты дают определенные основания под гипотезу о принципиальной возможности криогенной химии органических соединений. Действительно, с квантовых позиций для химической реакции требуется некоторая начальная энергия, переводящая валентные электроны молекул на возбужденные уровни. Этого для реагентов зачастую является достаточным, чтобы тепловая энергия столкновения молекул послужила тем необходимым и достаточным условием перехода электронов с возбужденных уровней одной молекулы на энергетические уровни другой молекулы и спонтанного их последующего встраивания в квантованные состояния новой молекулы с выделением избыточной энергии в форме излучения. Избыточная энергия поглощается реагентами, поддерживая реакцию. Тепловая энергия, таким образом, является фактором, необходимым для поддержания реакции. Но, с другой стороны, тепловая энергия является фактором, препятствующим химической реакции за счет возрастания хаотичности движения молекул реагента, возрастания вероятности рекомбинации и пр. А вот при низких температурах, когда энергетика тепловых колебаний молекул пренебрежительно мала, а молекулы реагентов достаточно плотно упакованы и перемешаны, то энергии внешнего излучения становится достаточно для возбуждения валентных электронов одной молекулы до уровней, позволяющих свободно переходить в валентные уровни другой молекулы, формируя химическое соединение.

Если гипотеза найдет свое экспериментальное подтверждение, то это даст толчок к кардинальным изменениям в технических областях, открыв эру низкотемпературной утилизации энергии химических элементов путем преобразования выделяющейся при этом энергии излучения непосредственно в электрическую.

И еще. Экспериментальные попытки воссоздать в лабораторных условиях молекулы РНК без начальных затравок в виде молекул РНК или ферментов наталкиваются на серьезные трудности синтеза сколь-нибудь их длинных цепей, превышающих 30-40 нуклеотидных оснований. В этой связи возникают серьезные основания считать, что основным препятствием такому синтезу является тепло. И синтез длинных цепей РНК возможен только при низких температурах. В том числе и в физических условиях плотных газопылевых облаков при зарождении в них молодых звезд.

Еще один довод в достоверность гипотезы о внешнем по отношению к Земле происхождении молекул РНК и аминокислот говорит тот факт, что подавляющее число химических реакций, в том числе и органических, при положительных температурах имеют «финишный» результат. Другими словами, неизбежно заканчиваются полным расходом реагента. И только наличие изначальной генетической информации и механизма ее переноса в структуру белков, обладающих ферментивными свойствами, позволяет возвращать реагенты в исходное состояние, утилизируя при этом тепловую энергию Земли и энергию излучения Солнца. Поддерживая тем самым процесс, называемый жизнью. Данный процесс, развиваясь во времени, обладает четкой направленностью совершенствования как структурных систем такой утилизации, так и развития ее генной информационной базы в плане обеспечения устойчивости и независимости биологических систем от внешних условий.

Да и современные исследования углеродистых метеоритов, особенно групп CI, CM и CR, показывают, что они содержат в себе богатейший набор сложных органических соединений, в том числе пуриновые и пиримидиновые азотистые основания, которые в земных организмах являются структурными единицами хранения информации в РНК и ДНК. Характерно, что эти метеориты даже внешне похожи на уголь, за что и называются зачастую"углеродистыми". Кометные ядра точно так же имеют очень темный цвет.

Среди многочисленных гипотез и теорий возникновения жизни на Земле немало сторонников панспермизма. Одна из примечательных работ в этом направлении В.А. Анисимова [18], в которой приводится заслуживающая внимания доказательная база, что для самопроизвольного возникновения молекулярных комплексов типа РНК и ДНК потребовался бы временной промежуток, превышающий время существования Земли. Поэтому сам исходный посыл, что из растворов неорганики может самопроизвольно зародиться сложнейший мир органического синтеза вряд ли когда-либо будет подтвержден экспериментально.

С другой стороны, гипотезы возникновения жизни на Земле в результате эволюции биологических структур из спор, привнесенных метеоритами, представляется крайне спорным в силу ничтожной вероятности такого процесса. Да и само существование мира РНК-прокариот как-то плохо вяжется с этими гипотезами. Вместо эволюции — сотни миллионов лет деградации биологических структур? Сказанное лишний раз подтверждает гипотезу о внешнем генезисе органики на Земле. Возможно до уровня молекул РНК. И вот эта органика, в обилии вносимая метеоритами и астероидами на поверхность формирующейся Земли, при высоких температурах большей частью переходит в газовую фазу и включается в состав плотной газопылевой атмосферы молодой Земли по типу атмосферы Венеры. Такая атмосфера, насыщенная неорганическими и органическими кислотами, терзаемая непрерывными электрическими разрядами, представляла на то время идеальную среду для самых разнообразных химических реакций на поверхности пылевых частиц. Многие из которых вдобавок содержали изрядное количество разнообразных металлов. В этих условиях вероятность расширенного синтеза органики и ее усложнения, вплоть до полимеризации аминокислот и нуклеиновых кислот, уже не представляется бесконечно малой.

По мере остывания Земли прежде всего происходила конденсация полимерных образований и крупных органических молекул на поверхности Земли, образуя бассейны с высококонцентрированным раствором органических соединений. И ничего удивительного тогда нет, что именно в них смог сформироваться тот РНК-мир, который и породил жизнь на Земле.

Сказанное позволяет утверждать, что процессы начального формирования органики и реагентов происходили с протовеществом, из которого формировались внутренние планеты Солнечной системы. Это объясняет относительно быстрое возникновение жизни на Земле ко времени ее оформления в планетное образование 4,2 млрд лет назад, когда уже в породах возрастом примерно в 3,83 млрд лет обнаруживаются ее первые следы.

Эти факты позволяют утверждать, что все внутренние планеты Солнечной системы и большинство спутников планет имели, а возможно и имеют, изначально большой запас сложных органических соединений в составе пород, из которых они образовались. Дальнейшая их судьба зависела от физических условий, в которые эта органика попадала на планетах. Диапазон таких условий для химического взаимодействия органики весьма узок. И чем сложней структура органических молекул, образующихся в результате химического взаимодействия, тем сильнее возможность их длительного существования без распада зависит от температуры и уровня радиационного фона на поверхности планеты. Самое важное условие — наличие на планете растворителя, обеспечивающего высокую коммутативность органических молекул. Наиболее распространенным растворителем является вода. Но не исключено, что и другие растворители, если они в избытке присутствуют на планете, могут стать приемлемой средой для коммутационного взаимодействия органических молекул. Например, метановые моря.

В отличие от неорганических соединений, которые при взаимодействии образуют кристаллические или аморфные структуры, органические соединения могут полимеризоваться в линейные структуры. Такие протяженные структуры, состоящие из сотен тысяч, миллионов исходных молекул, приобретают уникальные свойства, которыми не обладают молекулы, составляющие эти цепи. Новые свойства зависят как от состава молекул, образующих цепь, так и от их взаимного расположения в этой цепи. При этом полимеры приобретают свойство образовывать более сложные структуры, свиваясь или объединяясь друг с другом водородными связями по комплементарным участкам. Так образуется двойная спиральная структура ДНК, так образуются и динамичные структуры из молекул РНК и белков.

Есть одно фундаментальное свойство таких нитей — это уникальная их электропроводность. Молекулы нуклеиновых кислот содержат множество отрицательно заряженных фосфатных групп и образуют комплексы с ионами металлов. Их калиевые и натриевые соли хорошо растворимы в воде. Эти особенности приводят к тому, что в отличие от электропроводящей цепи полимерные нити молекул РНК проводят электроны «эстафетой» от одной их структурной единицы к другой. Электроны при этом продвигаются вдоль полимерных нитей от молекулы к молекуле по сложной электронно-транспортной цепи из связанных этими нитями ионов металла. Соединение, принявшее электрон, возбуждается и приобретает способность к ионной связи с другими нитевидными полимерами, передавая им принятый электрон. Те, в свою очередь, приобретают возможность установления связей с другими соседями или же могут израсходовать энергию свободного электрона на образование валентных связей между молекулами при построении новой полимерной цепи. Это свойство обеспечивает динамичное структурообразование и при наличии притока исходного строительного материала (молекул), энергии (свободных электронов) и периодического удаления результатов синтеза процесс может протекать сколь угодно долго. Отсутствие структур поддержания процесса делает его зависимым от внешних условий, и в стационарных условиях такой процесс быстро затухает.

У коротких полимерных нитей, имеющих общее название «липиды», есть важное свойство. Они с одного конца оканчиваются гидрофобными остатками, с другого — гидрофильными. В результате такие нити способны самопроизвольно перестраиваться в продольные упорядоченные структуры. Множество таких упорядоченных структур способно образовывать пленку с определенными свойствами, обеспечивающими направленную проницаемость. Другими словами, такие полимерные структуры могут самопроизвольно образовывать мембраны. Мембраны позволяют по разные стороны от своей поверхности создавать среды с разной концентрацией ионов металлов. Тем самым они способны обеспечить разность потенциалов, достаточную для поддержания перетока электронов по полимерным нуклеотидным цепям, встроенным в эти мембраны. Этот процесс активирует нуклеотидные полимерные цепи, запуская механизм их репродукции или полимеризации на матрице исходной цепочки нуклеиновых кислот, в том числе и из других органических кислот, а именно — аминокислот. Синтезированная полимерная цепь аминокислот является белком. По сути, появляется простейшая органическая система с самоподдерживающейся реакцией синтеза.

Жизненный цикл рассмотренных выше примитивных образований, скорее всего, первоначально был крайне краток из-за самоотравления продуктами синтеза. И вероятность того, что из таких структур могла бы развиться более совершенная структура, ничтожна, если бы не существовали другие замечательные особенности полимерных цепей из нуклеиновых молекул, называемых РНК.

Рибонуклеиновая кислота — это фосфорный эфир нуклеозида (сахар рибоза и азотистое основание). Синтез нуклеозида монофосфата требует энергетических затрат. Но уже синтез нуклеозидов дифосфата самодостаточен, а энергии трифосфата достаточно для построения цепочки из двух нуклеозидов, связанных фосфатной группой, то есть для полимеризации нуклеотидов. Однако энергетическая достаточность не все условие, чтобы процесс самопроизвольной полимеризации происходил сколь-нибудь заметно. Полимеризация резко ускоряется в присутствии затравки — уже сформировавшихся цепочек РНК. Водородные связи по комплементарным участкам ограничивают случайность, упорядочивают свободные нуклеозиды и создают условия для их полимеризации. Таким образом, РНК могут копировать себя или, другими словами, самореплицироваться. А это уже не просто химическая реакция, а воспроизведение информации, называемой генной. А так как на результаты копирования сильно влияют как хаотичное тепловое движение молекул, так и изменчивые условия внешней среды, то нередки при таком самореплицировании «бракованные» копии, многие из которых способны к самостоятельному самореплицированию. Таким образом, это уже не просто информационное копирование, а выработка новой генетической информации в функции условий внешней среды.

Способность молекул РНК одновременно служить катализатором химических реакций и носителем информации позволяют выдвинуть гипотезу о том, что РНК и была первым сложным полимером, появившимся в процессе добиологической эволюции. Эта гипотеза получила название «гипотеза РНК-мира».[19-21] Согласно ей, РНК на первых этапах эволюции автокатализировала синтез других молекул РНК, а затем и ДНК. В отличие от РНК, молекулы ДНК обладают более сильными водородными связями, способными удерживать на своей нити комплементарную ей другую нить, которая, по сути, нейтрализует катализирующие способности одиночной ДНК. Образно говоря, двойная спиральная нить ДНК вносит систематизирующий порядок, обеспечивая долговременную устойчивость генетической информации.

Следующей важной особенностью молекул РНК является то, что их короткие полимерные образования, включающие тройную комбинацию из четырех возможных оснований, могут образовывать комплементарную связь с одной из 22 возможных аминокислот. Это свойство обеспечивает избирательную выборку определенных молекул аминокислот из их смеси в форме комплекса РНК — аминокислота. С другой стороны, такие РНК с присоединенной аминокислотой, называемые транспортными РНК, продолжают сохранять способность к установлению комплементарной связи с определенными участками более длинной РНК, называемой матричной. Это обеспечивает выстраивание на матричной РНК аминокислот в определенной последовательности. Если увешанная гроздьями аминокислот РНК возбуждается (приобретет электрон), то энергия этого электрона расходуется на установление валентных связей между соседними аминокислотами. Другими словами, возбужденная матричная РНК выступает в роли катализатора полимеризации аминокислот.

Как уже отмечалось, поступление и продвижение электронов по молекуле РНК осуществляется пошагово, поэтому и процесс полимеризации аминокислот на матричной РНК осуществляется последовательно и упорядоченно, что обеспечивает не только синтез полимерной аминокислоты, но и перенос на нее генетической информации с матричной РНК.

Из изложенного следует, что одним из условий синтеза полимерной аминокислоты (белка) на РНК является наличие постоянной энергетической подпитки этого нуклеидного полимера. В современных биосистемах такая подпитка осуществляется либо с помощью мембранных комплексов, создающих и поддерживающих разность потенциалов за счет различной концентрации ионов металлов по разные стороны от мембраны, либо с помощью так называемых, полимераз — длинных белковых нитей, связывающих в различных своих частях ионы металлов и обеспечивающих тем самым необходимый биопотенциал для энергетической подпитки процесса полимеризации. Очевидно, что полимеразы — это более поздняя наработка природы в процессе эволюции живых систем. На первых порах синтез белков осуществлялся преимущественно на мембранных структурах.

Синтез белка на матрице РНК расширил свойства добиологических систем, постепенно белок заменил РНК в структурных аспектах.

Белки — качественно новые химические соединения, которые вносят в микромир совершенно новые свойства, а также зависимость ее свойств от значений рН. Изоэлектрической точкой аминокислоты называют значение рН, при котором максимальная доля молекул аминокислоты обладает нулевым зарядом. При таком рН аминокислота наименее подвижна в электрическом поле, что позволяет использовать данное свойство для разделения аминокислот, а также белков и пептидов.

Цвиттер-ионом называют молекулу аминокислоты, в которой аминогруппа представлена в виде — NH₃⁺, а карбоксигруппа — в виде — COO⁻. Такая молекула обладает значительным дипольным моментом при нулевом суммарном заряде. Именно из таких молекул построены кристаллы большинства аминокислот. Эта особенность белков позволяет им из окружающей субстанции извлекать определенные химические соединения, упорядочивать их и утилизировать поступающую извне энергию в новое химическое соединение. К другим важным свойствам белков относится то, что они, взаимодействуя с ионами металла, создают уникальные катализирующие центры (ферменты) для многих биологических соединений; создают проводящие пути для ионов металла и органических соединений через мембраны; выступают универсальным строительным материалом в структуре клетки; являются основой сократительных молекул; образуют рецепторы клетки; используются как химические соединения для «обмена информацией» между клетками.

Характерным является тот факт, что в клетке каждый отдельный вид белка катализирует лишь определенный тип химических реакций. Такая избирательность упорядочивает во времени и в пространстве процессы в клетке. Библиотека информации о структуре белка содержится в матричной РНК или ДНК. Выбор участков считывания информации с них осуществляется с помощью так называемых промоторов. А вот где хранится партитура, управляющая этими пальцами-промоторами, или процесс выбора формируется автоматически, логикой химических изменений в клетке, вопрос остается открытым.

Следует отметить, что катализ вообще, а ферментивная способность белков в особенности, сильно зависит от температуры. Поэтому для большинства клеток очень важен термический гомеостаз. И чем сложнее химико-биологические процессы, реализуемые клеткой, тем уже диапазон допустимых температур. И особенно критичны процессы в клетках к высоким температурам, при которых кардинально меняется вся последовательность химико-биологических реакций, необратимо повреждающих клетку.

Массовое воспроизводство белков формирует уникальную среду вокруг репродуцирующей системы. Вплоть до формирования из белков и липидов оболочки, что обеспечивает значительную устойчивость молекулярного комплекса репродукции к внешним воздействиям. Структурное обособление репродуцирующего комплекса резко ограничивает влияние случайных факторов, упорядочивая процессы биосинтеза и порождая биосистемы на клеточном уровне. Самое существенное, что в таких клетках возникают условия для системного разделения функций направленного воспроизводства генетической информации с высокой вероятностью идентичности создаваемой копии. Такое системное разделение проявляется в том, что РНК в клетке функционально разделяются на матричные, транспортные, рибосомные и другие.

Рибосо́мные рибонуклеи́новые кислоты — несколько молекул РНК, составляющих основу рибосомы. Основной функцией рРНК является осуществление процесса трансляции — считывания информации с мРНК при помощи адаптерных молекул тРНК и катализ образования пептидных связей между присоединёнными к тРНК аминокислотами.

Структурное оформление репродуцирующих систем порождает качественно новую страту в биологии — эволюцию биосистем.

Страта четвертая. Биологическая

И увидел Бог, что это хорошо.

Быт.1:19 И был вечер, и было утро: день четвёртый.

Для обоснования логики дальнейшего полагаем, что все биологические формы, проявившиеся в ходе эволюции, имеют право на существование. Их реальное наличие зависит лишь от условий, обеспечивающих их возникновение и существование, а также промежутка времени, на котором эти формы проявляются. Среда меняется как под воздействием физических процессов, происходящих на планете или в Солнечной системе, так и в ходе конкурентной борьбы биологических форм за источники энергии и ресурсы. Избыток энергии и ресурсов порождает структурное совершенствование этих форм. Недостаток — дифференцирует формы до простейших, разваливая их структурные образования.

Структурная идентификация биохимического образования, с одной стороны, придавала ему системную устойчивость к внешним факторам, но, с другой стороны, приводило к своеобразному самоотравлению продуктами синтеза. Если до структурного оформления процесс поддерживался перемешиванием под воздействием среды, то теперь этот механизм исключался. Единственный компенсационный механизм, который мог противостоять такому самоотравлению, заключался в репродуцировании структуры. Самопроизвольное деление на части обеспечивало возможность поддерживать процесс полимеризации по меньшей мере на периферии структурного образования. Да и для мелких периферийных образований была выше вероятность отделиться от конгломерата подобных структур под действием внешних факторов. Таким образом, первые биосистемы, скорее всего, походили на современные раковые опухоли.

Кроме генетического — другое отличие заключалось в том, что прабиологические системы целиком и полностью зависели от наличия во внешней среде в достаточном количестве исходного химико-биологического материала и источников энергии. Поэтому процесс эволюции прабиологических систем и пошел по пути статистической выборки из бесчисленных вариаций формируемых белков тех,

— которые бы обеспечивали энергетическую независимость прабиосистемы от внешних источников энергии;

— которые обладали ферментными свойствами по химическому воспроизведению из элементов внешней среды молекул фосфорной кислоты, сахаров, аминокислот, нуклеозидов и т. д.;

— которые обладали ферментными свойствами разлагать биохимические структуры на составные молекулы, с целью их последующего вовлечения в процесс нового формирования прабиосистемы.

Предположение о статистической выборке на множестве вариаций остается в данной статье открытым, так как непонятен иной механизм закрепления случайно найденного решения в структуре матричной РНК. Полагать, что мутации в структуре РНК могут привести к адекватному решению биологической проблемы бессмысленно в силу бесконечно малой вероятности такого события. Видимо, уже тогда существовал и существует ныне некий механизм вариационного изменения свойств белков под действием внешних условий с обратной транскрипцией в структуру РНК, позволяющий закрепить данное изменение и воспроизводить его в последующих поколениях путем создания матрицы построения нового белка с необходимыми свойствами. Такое предположение делает процесс эволюции биологических систем процессом последовательного приближения к соответствию изменившимся внешним условиям. Что, в общем-то, соответствует реалиям.

Но есть еще один путь.

Выше высказывалось предположение о том, что биологическая жизнь зарождалась как мир РНК. Отсутствие системных источников энергии на этом этапе для поддержания биологических процессов с необходимостью порождало структурирование и дифференциацию активных центров РНК. Такую, которая позволяла бы использовать механические способы их переноса в более благоприятные условия реализации возможностей РНК. По сути, этот прамир РНК быстро превратился в вирусоподобную форму существования биологической жизни. Структурная дифференциация с необходимостью привела к конкурентной борьбе вирусоподобных форм за ареалы обитания. Но конкурентная борьба не обязательно завершается вытеснением менее приспособленных форм. Похоже, даже чаще природа находит компромиссное решение симбиоза этих форм, при котором альтернативные формы объединяют генетический материл (макромолекулы РНК) либо полностью, либо существенными частями. Такая модификация генетической системы приводила и к модификации белкового материала, продуцируемого вирусоподобной частицей. Описанная эволюционная схема представляется более правдоподобной. Тем более что ее истинность теоретически можно подтвердить на основе более полного осмысления результатов расшифровок генной структуры ДНК существующих биологических видов. Ведь если данное предположение верно, то генетический материал любого биологического вида — это, по сути, книга его эволюционного становления из правирусных структур.

Акцентирование биосистемы на том или ином из перечисленных выше аспектов определило ее эволюционный путь развития. Процесс биоорганического синтеза необходимых неорганических и органических соединений из элементов внешней среды — энергетически затратный процесс. Источниками энергии на этапе возникновения биоорганической жизни могли быть либо излучение Солнца, либо геотермальное тепло. Большинство реакций биологического синтеза имеют сколь-нибудь значимый выход только при наличии катализаторов. Основными и, пожалуй, единственными катализаторами являлись на тот период ионы металлов. Можно предположить, что ферментная адаптация биосистем пошла по пути встраивания этих катализаторов в синтезируемые белковые цепочки.

Механизм фиксации энергии излучения с последующей его утилизацией в энергию химических связей представляется более сложным, чем использование геотермального тепла для тех же целей. Тем более что геотермальные источники уже предполагают наличие среды, насыщенной солями металлов. Поэтому и первые биоорганические структуры, скорее всего, возникли в этой среде. Реликтами тех первичных структур являются хемолитотрофные организмы, дошедшие до наших дней. И в частности тионовые и серобактерии.

Серобактерии окисляют сероводород до молекулярной серы или до солей серной кислоты.

Тионовые бактерии способны окислять тиосульфаты, сульфиты, сульфиды и молекулярную серу до серной кислоты (часто с существенным понижением pH раствора), процесс окисления отличается от такового у серобактерий (в частности тем, что тионовые бактерии не откладывают внутриклеточной серы). Некоторые представители тионовых бактерий являются экстремальными ацидофилами (способны выживать и размножаться при понижении рН раствора, способны выдерживать высокие концентрации тяжелых металлов и окислять металлическое и двухвалентное железо).

Именно на прототипах таких бактерий природа создавала и совершенствовала структуру клеток. Но запасы сероводорода на Земле достаточно ограниченны, да и геологические процессы, происходящие на Земле, рано или поздно меняли среду. Геотермальные источники исчезали, создавая для популяции хемолитотрофных клеток крайне неблагоприятную среду, включая в таких клетках приспособительные реакции выживания в изменяющейся среде. Одним из эффективных способов выживания клеток стал переход с термальных источников энергии на энергию излучения Солнца. Основой такого перехода послужил белок хлорофилл. Это совершенная структура, созданная природой, по превращению энергии излучения Солнца в биоэнергию белковых тел. Для функционирования молекулы хлорофилла в процессах фотосинтеза существенное значение имеет ее пространственная организация. Магний-порфириновое кольцо молекулы представляет собой почти плоскую пластинку толщиной 0,42 нм и площадью 1 нм². Эта пластинка и воспринимает кванты света. Ведущую роль при этом в поглощении квантов света играет ион магния. Поглощенный им квант света переводит связанные с ионом электроны на такой энергетический уровень, который позволяет им продвигаться по атомам молекулы и преобразовывать валентные связи ее отдельных атомов таким образом, что они вступают в восстановительную реакцию с водой, высвобождая кислород и поглощая протоны. Часть же возбужденных электронов просто рекомбинирует, выделяя тепловую энергию. В дальнейшем, такая энергетически возбужденная и нагруженная активными протонами молекула хлорофилла вступает в химическое взаимодействие с другим химическими элементами, производя новые химические соединения, требующие энергетических затрат. Но и это не все.

Как правило, молекулы хлорофилла своими длинными алифатическими остатками фитола (2 нм), образующим угол с порфириновым кольцом, прикреплены к мембранам. Выше отмечалось, что такое прикрепление создает участок проводимости в мембране, по другую сторону которой другими ионами металлов создается потенциал, достаточный для продвижения электронов по белковой цепи и выходу их за мембрану, где они используются белковыми структурами для синтеза энергетически-емких соединений — молекул АТФ.

Молекулы АТФ, в свою очередь, являются универсальным источником энергии для работы белковопроизводящих органелл — рибосом. Таким образом, молекула хлорофилла может выступать не только в роли первичного акцептора электрона, но и в роли его первичного донора.

Из всего сказанного следует, что молекула хлорофилла благодаря структурным и физико-химическим особенностям способна выполнять три важнейшие функции:

1) избирательно поглощать энергию света;

2) запасать ее в виде энергии электронного возбуждения;

3) фотохимически преобразовывать энергию возбужденного состояния в химическую энергию первичных фотовосстановленных и фотоокисленных соединений.

В эволюционировавших биологических системах молекулы хлорофилла, начиная пусковую стадию фотосинтеза, взаимодействуют со средой не в одиночку, а сгруппировавшись в фотосистемы I и II.

Процесс фотосинтеза высокоэнергетической органики параллельно запустил еще три очень важных механизма.

Первый. Часть поглощенной энергии излучения Солнца в процессе фотосинтеза передавалась природной среде через свободные молекулы кислорода и обеспечивала энергетикой через окислительные реакции другие биологические системы, никак не связанные с преобразователем энергии Солнца.

Второй. Запасенная энергия при фотосинтезе в форме возбужденных и химически присоединенных протонов использовалась для возвращения основного низкоэнергетического отхода биосинтеза — оксида углерода — , в цепочку органического синтеза.

Третий. Оставшаяся избыточная часть поглощенной энергии тратилась на фиксацию атмосферного азота для расширенного воспроизводства биомассы.

Этих трех процессов оказалось вполне достаточно для самопроизвольного непрерывного поддержания биоорганической жизни на планете при сокращающихся источниках геотермального тепла.

Клетки с описанными выше автономными биокомплексами фотохимического синтеза, скорее всего, и явились предшественниками цианобактерий. Последние находки ископаемых клеток указывают на то, что процесс эволюционного совершенствования цианобактерий в основном был завершен примерно 2,5 млрд лет назад. Уже тогда прототипы цианобактерий по сути оказались основной формой биологической жизни на Земле, кардинально изменив состав ее атмосферы, насытив ее кислородом в таком количестве, что окислительной энергии кислорода хватило для процветания остальных форм биологической жизни на планете.

Жизненный цикл цианобактерий скоротечен. Для современных их видов он укладывается в пределы суток. Поэтому при наличии подходящей среды их размножение и освоение ареала происходило довольно стремительно, с вытеснением всех других возможных видов биологических организмов. Столь масштабное и быстрое размножение цианобактерий не могло не привести к огромным отложениям отработавшей биомассы, с учетом того, что альтернативные формы биоорганической жизни, использующей окислительные процессы для разложения этой биомассы, находились, скорее всего, в зачаточном состоянии. Такой вывод можно сделать исходя из того, что окислительные формы жизни никак не могли развиться раньше, чем создались в атмосфере и в водной среде соответствующие условия. Значительное отставание окислительных процессов разложения биоорганики от ее воспроизводства способствовали ее битумизации и развитию анаэробных биоорганических процессов брожения и разложения, с эволюционным их структурированием в форму анаэробных бактерий. При этом анаэробное дыхание — биохимический процесс окисления органических субстратов или молекулярного водорода с использованием в качестве конечного акцептора электронов вместо кислорода других окислителей неорганической или органической природы.

Как и в случае аэробного дыхания, выделяющаяся в ходе окислительной реакции свободная энергия запасается в виде трансмембранного протонного потенциала, использующегося АТФ-синтетазой для синтеза АТФ.

Появление свободного кислорода в атмосфере способствовало первоначально эволюции хемолитоавтотрофных организмов, таких, как например, следующие:

железобактерии — окисляющие двухвалентное железо до трёхвалентного;

нитрифицирующие бактерии — окисляющие аммиак, образующийся в процессе гниения органических веществ, до азотистой и азотной кислоты, которые, взаимодействуя с почвенными минералами, образуют в ней нитраты и нитрилы;

водородные бактерии способные окислять молекулярный водород, являясь умеренными термофилами (растут при температуре 50 °C);

метанобразующие архебактерии.

Многовековая деятельность железобактерий привела к глобальному видоизменению химического состава морей и океанов, переведя окислы железа из нее в нерастворимую форму, фактически подготовив эти среды к развитию и процветанию биологической жизни.

Масштабный избыток кислорода не мог не привести к появлению организмов, назовем их бактериями, жизнедеятельность которых основывалась на утилизации энергии, заключенной в свободном кислороде, и включению ее в цепочку химико-биологического синтеза. Универсальным химическим соединением для такой утилизации послужил никотинамидадениндинуклеоти́д (НАД). НАД состоит из двух нуклеотидов, соединенных фосфатными группами. Один из нуклеотидов в качестве азотистого основания содержит аденин, другой — никотинамид. Никотинамидадениндинуклеоти́д существует в двух формах: окисленной (НАД) и восстановленной (НАДН) в зависимости от рН. Эта особенность сделала НАД универсальным соединением в электронно-транспортной цепи, обеспечивающей передачу энергии внутрь клетки, для поддержания внутри нее метаболических процессов. И еще одна особенность молекул НАД состоит в том, что они, по сути, непроницаемы для мембран. Только посредничество белков обеспечивает их переход внутрь клетки, что систематизирует процесс перетока энергии, распределяя его по времени. Клетка, специализировавшаяся на таком переносе энергии, явилась прототипом клеточных органелл, известных как митохондрии. Суммарная реакция процессов перетока энергии состоит в окислении НАДН кислородом с образованием воды. По сути, это процесс ступенчатого переноса электронов между тремя атомами металлов, присутствующих в простетических группах белковых комплексов, где каждый последующий комплекс обладает более высоким сродством к электрону, чем предыдущий. Электроны передаются по цепи до тех пор, пока не соединятся с молекулярным кислородом, обладающим наибольшим сродством к электронам. Освобождаемая при этом энергия запасается в виде электрохимического (протонного) градиента по обе стороны внутренней мембраны митохондрий. Считается, что по электронно-транспортной цепи для каждой пары электронов перекачивается от трех до шести протонов.

Завершающим этапом функционирования митохондрии является генерация АТФ, осуществляемая встроенным во внутреннюю мембрану специальным макромолекулярным комплексом. Этот комплекс, называемый АТФ-синтетазой, как раз и катализирует синтез АТФ путем конверсии энергии трансмембранного электрохимического градиента протонов водорода в энергию макроэргической связи молекулы АТФ. При переносе электронов в митохондральной мембране каждый комплекс дыхательной цепи направляет свободную энергию окисления на перемещение протонов (положительных зарядов) через мембрану из матрикса в межмембранное пространство, что приводит к образованию разности потенциалов на мембране. При этом положительные заряды преобладают в межмембранном пространстве, а отрицательные — со стороны матрикса митохондрий. При достижении определенной разности потенциалов (220 мВ) белковый комплекс АТФ-синтетазы начинает транспортировать протоны обратно в матрикс и, превращая одну форму энергии в другую образует АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Так происходит сопряжение окислительных процессов с фосфолированием АДФ. Пока совершается окисление субстратов, пока осуществляется перекачка протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану — идет сопряженный с этим синтез АТФ, т.е. происходит окислительное фосфолирование.

Окислительно-восстановительные реакции, катализируемые оксидоредуктазами, составляют важнейшую часть всех метаболических путей. Однако наиболее значима их роль в процессах, связанных с выделением энергии из таких соединений, как глюкоза и жирные кислоты, которые, окисляясь, выделяют энергию. Эта энергия запасается НАД при его восстановлении до НАДН в ряде реакций окисления жирных кислот гликолиза и цикла трикарбоновых кислот. Электроны, перенесенные на восстановленный НАДH, переносятся в митохондрию для восстановления митохондриальных НАД. НАДН затем окисляется белками по транспортной цепи, которые накачивают протоны в межмембранное пространство из митохондриального матрикса, и благодаря энергии протонов в ходе окислительного фосфолирования синтезируется ATФ.

Митохондрии оказались универсальными клетками, производящими энергоемкое химическое соединение, используемое для катализа белков и нуклеиновых соединений. Это, с одной стороны. С другой стороны — митохондрии могли существовать только в среде клетки-хозяина. Это и обусловило последующий симбиоз клеток и их высокую жизнестойкость. Логично предположить, что митохондриальное сродство с клеткой-хозяином началось у прокариот, типа цианобактерий, как первичного источника окислителя — кислорода.

Конец ознакомительного фрагмента.