И все-таки современные электростанции нельзя считать верхом достижения атомной энергетики и энергетики вообще, хотя они сегодня вносят около 12% вклада в общий энергетический баланс. Их недостаток -- не только в опасности типа Чернобыля, а еще и в том, что они работают, используя в качестве ядерного топлива изотоп 235U, доля которого в природном уране составляет всего-навсего 0,7%. Поэтому развитие атомной энергетики на основе современного поколения АЭС определяется ресурсами урана, которые по энергетическому запасу сравнимы с запасами нефти.
Кроме реакции деления тяжелых ядер, существует еще один способ освобождения внутриядерной энергии -- реакция синтеза легких ядер. Величина энерговыделения в процессе синтеза настолько велика, что при большой концентрации взаимодействующих ядер ее может оказаться достаточно для возникновения цепной термоядерной peакции. В этом процессе быстрое тепловое движение ядер поддерживается за счет энергии реакции, а сама реакция -- за счет теплового движения. Для достижения необходимой кинетической энергии температура реагирующего вещества должна быть очень высокой (107 -- 108 К). При такой температуре вещество находится в состоянии горячей, полностью ионизированной плазмы, состоящей из атомных ядер и электронов. Совершенно новые возможности открываются перед человечеством с осуществлением термоядерной реакции синтеза легких элементов. Можно представить себе три способа осуществления этой реакции:
1) медленная термоядерная реакция, самопроизвольно происходящая в недрах Солнца и других звезд;
2) быстрая самоподдерживающая термоядерная реакция неуправляемого характера, происходящая при взрыве водородной бомбы;
3) управляемая термоядерная реакция.
Неуправляемая термоядерная реакция -- это водородная бомба, взрыв которой происходит в результате ядерного взаимодействия:
Д + Д -> Не3 + n; Д + Д -> Т + р; Т + Д -> Не4 + n,
приводящего к синтезу изотопа гелия He3, содержащего в ядре два протона и один нейтрон, и обычного гелия Не4, содержащего в ядре два протона и два нейтрона. Здесь n -- это нейтрон, а р -- протон, Д -- дейтерий и Т -- тритий.
При обеих реакциях Д + Д и Д + Т выделяется огромное количество тепла: один грамм газа, "сгорая", образует столько энергии, сколько получается при сгорании примерно 12 т угля! Реакции протекают при температуре 107--1011 К. Поэтому удерживать столь высоко разогретую массу, состоящую из ядер, протонов и нейтронов (она получила название плазмы), невозможно ни в каком котле, изготовленном из сколь угодно жаропрочного материала. Это обстоятельство оказалось главным препятствием на пути осуществления управляемой термоядерной реакции.
Но уже в 1950-х гг. наши отечественные физики первыми выдвинули и экспериментально обосновали принцип магнитной изоляции ядерной плазмы, которая позволяет уменьшить теплопередачу от плазмы к стенкам реактора. Впоследствии была сконструирована установка токамак -- тороидальная камера магнитного удержания ядерной плазмы как ступень к решению задачи -- управлению термоядерной реакцией. Однако чем дальше углублялись в поиск решения этой задачи, тем больше появлялось новых трудностей. И хотя ученые-физики нашей страны, США, Англии и других государств продвинулись в этом направлении довольно далеко, конечная цель, как они теперь полагают, может быть достигнута не ранее чем через сто лет.
Но существуют и другие препятствия на пути термоядерной энергии, главным из которых является возможный перегрев поверхности Земли в результате выделения тепла термоядерными реакторами. Собственно, речь идет о разумных экологических ограничениях производства термоядерной энергии в пределах не более чем 5% от солнечной энергии, поглощаемой Землей, однако даже и в этих пределах производство термоядерной энергии поднимает разогрев земной поверхности на 3,7°. Считают, что разогрев выше этой предельной температуры может привести к существенному изменению климата всей нашей планеты, даже к всемирному потопу за счет таяния льдов Антарктиды и Гренландии. Так что нужны меры по поиску экологически безупречных и практически неисчерпаемых источников энергии.
Самой рациональной из таких мер является использование солнечной энергии. Эта мера никогда не приведет к перегреву Земли и к загрязнению ее атмосферы, поверхности и океанов. Солнце ежесекундно посылает на Землю 4 трлн кал тепла. Около половины его рассеивается и поглощается атмосферой и около 10% задерживается в капельно-жидких и пылевых облаках. И все же остающаяся доля доходящей до поверхности солнечной энергии оказывается грандиозной, в десятки раз превышающей предельно допустимое производство термоядерной энергии.
Известные в настоящее время способы преобразования солнечной энергии в те виды, которые можно использовать в энергетике, условно делят на четыре типа: теплотехнические, физические, химические и биологические. Сегодня самыми распространенными являются теплотехнические способы. Но они находятся в зависимости от климатических условий, а их КПД при превращении тепловой энергии в электрическую и механическую не превышает 5%. Физические преобразователи солнечной энергии, в основе которых находятся полупроводниковые фотоэлементы, пока не нашли широкого применения. Они используются в космических кораблях. А построенные на базе кремневых фотоэлементов в качестве опытных наземные электростанции выдают энергию, которая примерно в 100 раз дороже электроэнергии, получаемой на атомных станциях.
Биологическое преобразование солнечной энергии происходит в результате фотосинтеза, происходящего в растениях. Благодаря этому на Земле образовались ископаемые топлива. Хотя на фотосинтез расходуется менее одного процента всей солнечной энергии, падающей на Землю, урожай зеленой массы растений за год по своей калорийности примерно равен добываемым за год из недр Земли горючим ископаемым.
В настоящее время стала актуальной задача химического преобразования солнечной энергии, т. е. аккумулирование и запасание солнечной энергии методом фотосинтеза. В этом отношении представляет интерес получение на основе преобразования солнечной энергии водорода из воды. Разрабатываемые ныне искусственные молекулярные фотокаталитические системы все более приближаются к природным фотосинтезирующим объектам не только по принципу их действия, но и по самой организации систем. Поэтому, можно, в недалеком будущем удастся воспроизвести в искусственных условиях способность фотосинтезирующего аппарата растений запасать солнечную энергию в виде энергии химического топлива с одновременным выделением кислорода и КПД, близким к 40--50%. Во всяком случае, широкомасштабное преобразование солнечной энергии в энергию химического топлива поставлено на очередь дня. Водород является самым высококалорийным и экологически чистым топливом. Он удобен и для стационарной, и для транспортной энергетики. Бесспорно, это -- универсальное топливо энергетики будущего.
III. Основные этапы развития жизни на Земле.
Одним из наиболее трудных и в то же время актуальных и интересных в современном естествознании является о происхождении жизни.
Жизнь -- одно из сложнейших, если не самое сложное явление природы. Для нее особенно характерны обмен веществ и самовоспроизведение, а особенности более высоких уровней ее организации обусловлены строением более низких уровней. Живые существа -- это естественные информационные системы, т. е. системы, существующие сами по себе, а не в результате построения или составленной кем-то программы.
Отличие живого от неживого заключается в нескольких фундаментальных направлениях: вещественном, структурном и функциональном планах его изучения. В вещественном плане в состав живого обязательно входят высокоупорядоченные макромолекулярные органические соединения, называемые биополимерами, -- белки, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). В структурном плане живое отличается от него клеточным строением. В функциональном плане для некоторых тел характерно воспроизводство самих себя, вернее, самовоспроизводство.
Живые тела отличаются от неживых также наличием обмена веществ, способностью к росту и развитию, активной регуляцией своего состава и функций, способностью к движению, раздражимостью, приспособленностью к среде и т. д. Однако, имеются переходные формы от нежизни к жизни. Например, вирусы вне клеток другого организма не обладают ни одним из атрибутов живого, хотя у них есть наследственный аппарат. Они могут расти и размножаться лишь вне организма-хозяина, используя его ферментные системы. В современном естествознании существует пять основ концепций возникновения жизни:
1) креационизм -- божественное сотворение живого;
2) концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества;
3) концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;
4) концепция панспермии - внеземного происхождения жизни;
5) концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся естественно-научным законам.
Первая концепция является религиозной и к науке прямого отношения не имеет. Хотя к нему близка концепция, по которой жизнь создана высшим разумом, находящимся вне Вселенной. Основывается она на отрицании возможности объяснить генезис жизни естественными причинами и направлена против концепции химической, предбиологической эволюции. В качестве основополагающего тезиса в концепциях рассматривается положение о том, что жизнь как на Земле, так и вообще где-либо во Вселенной не может возникнуть случайно. Жизнь представляет собой акт преднамеренного творения, что приводит к отождествлению современных космологических представлений с религиозными истинами и для вечной, безграничной Вселенной характерно неизменное постоянство картин жизни. Изложенная в ней временная и иерархическая последовательность событий содержит исходное представление об эволюции: первый день -- появление света, второй день -- звезд, третий день - создание Земли, четвертый день -- Солнца и Луны, пятый день рыб в море и птиц в небе, шестой день -- создание человека и, наконец, седьмой день -- день отдыха. В пользу -данной концепции авторы приводят следующие аргументы.
1) белки, нуклеиновые кислоты и другие биологические соединения с их весьма сложной структурой могут быть созданы только живым существом, поскольку системы такой сложности не могут возникнуть в результате взаимодействия простых веществ в первичном океане;
2) в естественном объяснении происхождения жизни необходимо исходить из положения, что жизнь уже была закодирована в структуре атомов.
В конце прошлого века были распространены «теории», согласно которым жизнь возникает в болотах, гниющей массе и тому подобных местах. Именно там из неживой материи и возникают живые организмы -- личинки мухи и даже мыши. Вторую концепцию опроверг изучавший деятельность бактерий французский микробиолог XIX в. -- Луи Пастер. Третья концепция из-за своей оригинальности всегда имела немного сторонников.
К началу XX в. в науке господствовали две последние концепции. Концепция панспермии, согласно которой жизнь была занесена на Землю извне, опиралась на обнаружение при изучении метеоритов и комет "предшественников живого" -- органических соединений, которые, возможно сыграли роль "семян". Во второй половине прошлого века шведский ученый Сванте Аррениус выдвинул оригинальную гипотезу. По его мнению, жизнь возникла не на Земле, а занесена на нее из космоса. Наша планета была «заражена» микроорганизмами, прибывшими из глубин Вселенной. Этот процесс Аррениус назвал панспермией. Гипотеза шведского ученого не получила поддержки его коллег. Никто не видел возможности для микроорганизмов длительно путешествовать в космическом пространстве, не погибая от губительных излучений. В свое время эту гипотезу обсуждали очень бурно. Его сторонниками были выдающиеся умы своего времени. Но были противники. Так, А. И. Опарин показал, что эта теория, строго говоря, ничего не дает. Во всяком случае, она не имеет никакого отношения к происхождению жизни, ибо даже если удается доказать, что жизнь была занесена на нашу планету извне, то это не освобождает нас от необходимости объяснить, как же она возникла изначально. Теория панспермии позволяет разрешить лишь проблему происхождения земной жизни, одновременно увеличивая сложность основной проблемы во много раз.
В настоящее время возрождается старая идея панспермии. На международном симпозиуме "Поиски внеземной жизни", состоявшемся в Бостоне (США) в 1984 г., голландский ученый Гринберг сообщил, что в его экспериментах было показано, условиях вакуума и чрезвычайно низкой температуры, характерной для межзвездной среды, бактериальные споры могут противостоять радиации в течение нескольких тысяч лет. Этого, конечно, недостаточно, чтобы перенестись от звезды к звезде, но если "материнская" звезда проходит через пылевое облако, некоторые споры получают от его частиц дополнительную защиту и могут путешествовать миллионы лет. У концепции появления жизни на Земле в историческом прошлом два варианта. Согласно одному, происхождение жизни -- результат случайного образования единичной "живой молекулы", в строении которой был заложен весь план дальнейшего развития живого. Согласно другой точке зрения, происхождение жизни -- результат закономерной эволюции материи.
Это последняя концепция представляется наиболее научной; рассмотрим ее детально. Широко распространенной и экспериментально обоснованной является модель, получившая за рубежом название гипотезы Опарина--Холдейна - по имени ученых, выдвинувших сходные гипотезы, скорее всего, независимо друг от друга. Общность развиваемых учеными взглядов состоит в принятии за исходные тезисы утверждения о том, что все необходимые для возникновения жизни биологически значимые органические соединения могут образоваться в абиогенных условиях, т. е. без участия живого, лишь на основе физико-химических закономерностей превращения веществ. Большинство современных специалистов также убеждено, что возникновение жизни в условиях первичной Земли есть результат естественной эволюции материи. Для изучения научной проблемы происхождения жизни необходимы, прежде всего, сведения о физико-химических условиях на ранней Земле. Такие данные связаны как с геологической эволюцией планеты, так и с эволюцией химических элементов Солнечной системы и солнечной активностью. Из большого числа химических элементов для жизни необходимы только 16, а водород, углерод, кислород и азот составляют почти 99% живой материи. В вещественном плане для становления жизни нужен прежде всего углерод. Жизнь на Земле основана на этом элементе, хотя в принципе можно предположить существование жизни и на кремниевой основе. Уникальными свойствами обладает углерод, и наша жизнь называется углеродной, или органической. Четырехвалентность углерода приводит к огромному числу его соединений, которыми занимается органическая химия. Углерод образует сложные молекулы, представляющие собой кольца и цепи, обеспечивающие разнообразие органических соединений. Аминокислоты -- важный для жизни класс органических соединений. В живых организмах они используются для синтеза белков, растения могут синтезировать их из простых веществ, а в животные организмы часть их должна поступать с пищей, поэтому их называют незаменимыми. Из четырех нуклеотидов построены и другие крупные молекулы -- нуклеиновые кислоты, тоже входящие в состав живой клетки. Кислород, водород и азот наряду с углеродом можно отнести к основам живого. Клетка состоит на 70% -из кислорода, 17% углерода, 10% водорода, 3% азота. Все они принадлежат к наиболее устойчивым и распространенным во Вселенной химическим элементам. Они легко соединяются между собой, вступают в реакции и обладают малым атомным весом. Их соединения легко растворяются в воде. Органические вещества присутствовали на Земле при ее образовании. Они могли синтезироваться и на поверхности пылинок. Современная теория происхождения жизни основана на идее о том, что биологические молекулы могли возникнуть в далеком геологическом прошлом неорганическим путем. Для возникновения жизни нужны определенные температуры, влажность, давление, уровень радиации, определенная направленность развития Вселенной и время. Земля подходит для зарождения жизни. Ее возраст около 5 млрд. лет.
Температура поверхности в начальный период была 4000--8000°С и по мере остывания Земли углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовали земную кору. Первичная атмосфера Земли на протяжении 2 млрд. лет состояла, вероятно, главным образом из водяных паров, N2, CO2, с небольшой примесью других газов (NH3, СН4, H2S) при почти полном отсутствии О2 (практически весь кислород, содержащийся в атмосфере в настоящее время, является продуктом фотосинтеза). Отсутствие в первоначальной атмосфере кислорода было необходимым условием возникновения жизни так как органические вещества легче создаются в восстановительной среде. При отсутствии кислорода, который мог бы их разрушить, а также живых организмов, которые использовали их в качестве пищи, абиогенно образовавшиеся органические вещества накапливались в Мировом океане, возникшем по мере охлаждения поверхности Земли вследствие конденсации водяных паров и выпадения осадков. В 1953 г. Меллер экспериментально установил, что при подводе энергии (например, в форме электрических зарядов, ультрафиолетового излучения, радиоактивного излучения и тепла) к газовой смеси, содержащей углерод, водород, кислород и азот в восстановительной среде образуются все важные детали, для построения биовеществ: аминокислот, гидроокисей, cахаров, пуриновых и пиримидиновых оснований. С инициацией химических процессов на планете Земля началась фаза химической эволюции около 4--4,5 млрд. лет. Основным результатом первой стадии химической эволюции стала интеграция простых атомов Н, С, N, Р, ... в относительно сложные органические молекулы. Результатом химической эволюции интеграция атомов химических во многие сложные органические, молекулы, а молекул -- во многие еще более сложные ценные молекулы. Важную роль в этих превращениях играли следующие химические элементарные процессы: гомогенный и гетерогенный катализ, автокатализ, бистабильность и колебания.
Следующим шагом было образование более крупных полимеров из малых органических мономеров, опять же без участия живых организмов. Видимо, на первичной Земле образование полимеров со случайной последовательностью аминокислот или нуклеотидов могло происходить при испарении воды в водоемах, оставшихся после отлива. Если полимер образовался, он способен влиять на образование других и полимеров.
Сложную химическую эволюцию обычно выражают следующей обобщенной схемой: атомы --> простые соединении--> простые биоорганические соединения --> макромолекулы организованные системы. Следующим этапом после химической эволюции элементов является биохимическая эволюция. Жизнь как особая форма существования материи характеризуется двумя отличительными свойствами -- самовоспроведением и обменом веществ с окружающей средой. На свойствах саморепродукции и обмена веществ строятся все современные гипотезы возникновения жизни. Наиболее широко признанные гипотезы -- коацерватная и генетическая.
Коацерватная гипотеза (биохимическая эволюция). В 1924 г. А. И. Опарин впервые сформулировал основные положения концепции предбиологической эволюции и затем, опираясь на эксперименты Бунгенберга де Йонга, развил эти положения в коацерватной гипотезе происхождения жизни. Основу гипотезы составляет утверждение, что начальные этапы биогенеза были связаны с формированием белковых структур. Первые белковые структуры (протобионты, по терминологии Опарина) появились в период, когда молекулы белков отграничивались от окружающей среды мембраной. Эти структуры могли возникнуть из первичного "бульона" благодаря коацервации -- самопроизвольному разделению водного раствора полимеров на фазы с различной их концентрацией. Процесс коацервации приводил к образованию микроскопических капелек с высокой концентрацией полимеров. Часть этих капелек поглощали из среды низкомолекулярные соединения: аминокислоты, глюкозу, примитивные катализаторы. Взаимодействие молекулярного субстрата и катализаторов уже означало возникновение простейшего метаболизма внутри протобионтов. Схема образования коацерватной капли следующая: молекула белка в растворе --> сближение молекул белка с потерей воды --> образование коацерватной капли. Обладавшие метаболизмом капельки включали в себя из окружающей среды новые соединения и увеличивались в объеме. Когда коацерваты достигали размера, максимально допустимого в данных физических условиях, они распадались на более мелкие капельки, например, под действием волн, как это происходит при встряхивании сосуда с эмульсией масла в воде. Мелкие капельки вновь начинали расти и затем образовывали новые поколения коацерватов. Постепенное усложнение протобионтов осуществлялось отбором таких коацерватных капель, которые обладали преимуществом в лучшем использовании вещества и энергии среды. Отбор как основная причина совершенствования коацерватов до первичных живых существ -- центральное положение в гипотезе Опарина.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
