Энергия жизни
И от религии польза бывает...
Никогда не интересовался биологией ни в каком виде, но, поскольку во всяких спорах вокруг религии и, особенно, креационизма постоянно поднимаются вопросы происхождения жизни, ведутся целые баталии вокруг эволюции, захотелось разобраться. Полазил по инету, накачал книг...
Знаете, забавная штука - нынешняя биология! Особенно забавен, наверное, взгляд «со стороны». Я же технарь, и в школе и в институте, да и потом интересовали меня физика, химия и все такое. А работаю программистом. Так что и взгляд у меня соответствующий.
Во-первых, жизнь можно рассматривать в двух ракурсах: жизнь отдельного организма и развитие жизни на Земле в целом. Это две разные стороны одной медали, на первый взгляд даже противоречащие друг другу. Например, для отдельного организма важно жить как можно дольше, а для эволюции вида и жизни вообще - важно менять организмы, то есть очень важна смерть. Но, если поразмыслить над этим, оказывается, что и то и другое важно, и понять это можно, только рассматривая важность и жизни, и смерти вместе.
Во-вторых, и отдельный организм, и биосфера в целом - сложные системы с огромным количеством положительных и отрицательных обратных связей.
Положительная обратная связь - такой отклик системы на воздействие, который делает отклонение состояния системы от первоначального ещё более сильным. Простейший пример - шарик на вершине холма. малейший толчок - и он скатится вниз, все увеличивая свою скорость. Другой пример - взрыв, скажем, смеси кислорода и водорода («гремучий газ»), когда новые порции выделяющегося тепла заставляют вступать в реакцию новые и новые объёмы газов, выделяя ещё больше тепла и так далее, пока есть исходные вещества. Или взрыв плутониевого заряда, когда новые делящиеся ядра испускают новые нейтроны, делящие новые ядра и т.д. Положительная обратная связь вообще, как правило, имеет «взрывной» характер.
Отрицательная обратная связь - наоборот, стремится вернуть систему в исходное положение. Например, шарик в ямке - если его толкнуть (не слишком сильно, чтобы он не вылетел из ямки), он будет стремиться скатиться вниз. Такие обратные связи очень широко используются в технике, потому что с их помощью можно регулировать различные процессы.
Эти комплексы положительных и отрицательных обратных связей часто встречаются в природе. Взять, скажем, Солнце. Энергию ему (а, значит, и нам) дает реакция превращения водорода в гелий, которая протекает тем интенсивнее, чем выше температура и давление. Но температура повышается по мере того, как протекает реакция, а вместе с ней повышается и давление. Налицо положительная обратная связь. Если бы существовала только она, Солнце, как и другие звёзды, очень быстро взорвалось бы.
Но повышение давления в недрах Солнца заставляет его расшириться, что снижает и давление и температуру, а, следовательно, уменьшает интенсивность термоядерной реакции. Благодаря этим двум обратным связям, действующим одновременно и в различных направлениях, Солнце живёт уже около 5 миллиардов лет и проживет еще примерно столько же, постепенно расходуя запасы водорода.
А вот пример из живой природы. Количество организмов любого вида увеличивалось бы по экспоненте, если бы им дали бесконтрольно размножаться. Чем больше родителей, тем больше потомков - и каждое следующее поколение в несколько раз превышало бы предыдущее по числу особей. Всего несколько суток - и потомство одной бактерии покрыло бы всю Землю слоем в несколько метров толщиной. Всего тысяча лет - и потомство одной-единственной супружеской пары (при условии, что каждая супружеская пара будет иметь ровно шесть детей - совсем немного, если вспомнить, что большую часть земной истории семьи имели по 10-15 детей) вынуждено будет стоять почти вплотную, покрывая всю поверхность Земли, включая и океанское дно. Положительная обратная связь. Выручает только многочисленные отрицательные обратные связи, приводящие к смертям и уменьшению рождаемости (нехватка пищи, болезни, хищники и т.д.). Они же заставляют биологические виды постоянно совершенствоваться.
Короче, положительная обратная связь - источник энергии и двигатель процесса, отрицательная - регулятор, не дающий процессу зайти слишком далеко и превратиться в разрушительный взрыв.
Кстати, об энергии. Жизнь, как и многие другие природные и искусственные структуры, возможна только в, так сказать, потоке энергии. Точно так же смерч существует только пока существует мощный восходящий поток воздуха, а двигатель внутренного сгорания работает, только пока в баке есть горючее.
Первые живые организмы - примитивные клетки, «недоклетки» или вообще не совсем клетки, «питались» только теплом вулканов и некоторыми не самыми эффективными химическими реакциями, примерно как нынешние анаэробы используют реакции восстановления нитратов в аммиак и сульфатов в серу. Но эти реакции дают не очень много энергии, в том числе потому, что концентрации этих веществ, как правило, малы, поэтому «интенсивность» жизни в начале была невелика. Возможно, поэтому мала была и скорость эволюции.
Потом появился фотосинтез - гораздо более эффективный источник энергии - и жизнь получила мощный толчок. Правда, этот толчок был причиной и, возможно, самого первого экологического кризиса в истории планеты, вызванного загрязнением атмосферы: в атмосферу попал страшный яд - свободный кислород. Живым организмам (тем, что выжили) пришлось приспосабливаться к постоянному его присутствию. Те фотосинтезирующие организмы, кому это удалось, стали прародителями всех нынешних растений. Из тех, кто просто смог жить в кислородной атмосфере, не используя, или почти не используя кислород, получились нынешние грибы.
А некоторые освоили кислород, как источник энергии. Их потомки - животные, заселившие и океан, и сушу, и воздух. Источник энергии для всех животных, в том числе и для нас - окисление органических веществ кислородом воздуха, что дает гораздо больше энергии, чем фотосинтез. (Это видно хотя бы потому, что ни одно растение не способно передвигаться самостоятельно - слишком малым количеством энергии они располагают). И чем эффективнее используется кислород, тем более энергично животное.
У рыб, например, кислород извлекается с помощью прокачивания воды сквозь жабры. У наземных позвоночных воздух прокачивается через лёгкие. Кислород извлекается очень эффективно. А у насекомых подобных органов нет, у них только трахеи - тонкие трубочки, открывающиеся наружу. Кислород в них попадает только посредством диффузии. Поэтому крупных насекомых и не существует - для дыхания им не хватило бы этого кислорода. В истории Земли был только один период, когда существовали крупные насекомые: стрекозы метровой длины, трёхметровые многоножки - каменноугольный. Тогда содержание кислорода в атмосфере благодаря образованию мощных пластов угля выросло до 28-35%, это и помогло насекомым стать большими.
Ещё один очень интересный факт: хотя человеческий мозг составляет всего ~2% от тела, он потребляет около 25% глюкозы - главного энергетического транспорта организма. То есть, с точки зрения энергетики, мозг - главный орган в человеческом организме. Впрочем, думается, и с других точек зрения тоже.
Главное впечатление, которое у меня появилось - восхищение взаимосвязями, сложившимися между видами в биосфере. Ни один вид не сможет жить без других. Не будь растений - животным нечего было бы есть и нечем дышать. Не будь микроорганизмов - и Земля была бы покрыта трупами животных и погибшими растениями, которые не гнили бы, а накапливались миллионы лет. Не будь животных - и растения не получили бы существенной массы удобрений для своего существования.
Буквально: не будь овец - вымерли бы волки, не будь волков - вымерли бы овцы.
Не будь этого огромного количества положительных и отрицательных обратных связей, взаимодействующих друг с другом, сложившихся за миллиарды лет развития - не было бы и жизни.
Обратные связи движут, дают энергию для движения и регулируют это движение - и образуют жизнь.