Търсене на живот във вселената увод


Глава 7 Пулсари, неутронни звезди и черни дупки



страница5/18
Дата24.07.2016
Размер4.13 Mb.
#3334
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18
Глава 7
Пулсари, неутронни звезди и черни дупки
През 1972 и 1973 г. два космически апарата, „Пионер-10 и 11”, са изстреляни са изстреляни от САЩ с идея да напуснат Слънчевата система и да се отправят в междузвездното пространство. Всеки космически апарат носи на борда си златна плочка с размери 15х25 см с гравирана на нея рисунка. В дясната част на рисунката са изобразени мъж и жена на фона на космическия апарат (за мащаб). Вляво горе е показано изменението на ориентацията на спиновете в атома на водорода, а долу схематично е изобразена траекторията на космическия апарат от Земята, третата планета от Слънчевата система.

А какво е това изображение, напомнящо на паяжина, в лявата част на рисунката с чертички по лъчите на паяжината? Това е най-добрият начин, който измислили астрономите Сейгън и Дрейк, за да укажат положението на Слънцето в Галактиката в случай, че след милиони години далечна цивилизация намери плочката с посланието и се заинтересува от кой ъгъл на Млечния път е могла да пристигне. Всеки лъч показва посока от Слънчевата система към пулсар, удивителен космически обект, който излъчва радиовълни, а понякога и светлина, във вид на импулси с точни интервали между тях. Тези интервали са записани с двуичен код по всяка от 14-те линии(лъчи), при това единичният интервал от време се определя от честотата, съответстваща на изменението на ориентацията на спиновете в атома на водорода (за това и служи изображението в лявата горна част на рисунката).

Макар в течение на следващите няколко хиляди векове за тези плочки ще знаем само ние, земляните, те илюстрират как може да се използват пулсарите в качеството на космически маяци, които се отличават един от друг по интервала между последователните светкавици (сигнали). Пулсарите могат да се окажат извънредно полезни в случай, че една цивилизация желае да съобщи на друга своето точно местонахождение в пространството, защото всеки пулсар се характеризира със строго определен интервал между импулсите, по което той може да бъде разпознат на големи разстояния на всяко място в Галактиката.

Как са възникнали тези високоточни маяци, пулсарите? Тук отново избухванията на свръхнови играят роля, важна за търсенето на живот. Пулсарите са въртящи се неутронни звезди, чудовищно свити остатъци от вътрешните области на избухнали звезди. За да се разбере, как колапсът на звездата води до възникване на импулсен източник на радиовълни, избухващ и гаснещ през точни интервали от време, трябва да се изучи процесът на колапс и образуване на неутронна звезда в резултат на този катастрофически процес.


Колапсиращи звездни ядра

Когато ядрото на звездата не може повече да противодейства на собствените сили на гравитация и колапсира, частиците вътре в ядрото с огромна скорост се устремяват една срещу друга. Отделните ядра се сблъскват с такава чудовищно сила, че се разпадат на протони и неутрони. Веднага след това протоните се сливат с електроните, при което се образуват неутрални частици – неутрони и неутрино. Неутрино могат да изпълзят от ядрото, макар и малко трудно поради огромното нарастване на плътността. Оставащите неутрони образуват неутронната звезда.

Неутронният газ, както и електронния, се подчиняват на принципа на Паули.: не може да се свива до безкрайност. Както израждането на електроните в белите джуджета, така и израждането на неутроните в неутронните звезди, противодействат на по-нататъшното свиване, но израждането на неутроните настъпва при значително по-високи плътности на веществото. Бяло джудже с радиус, близък до радиуса на Земята, има плътност на веществото милиони пъти по-висока от плътността на водата. Неутронна звезда със същата маса като бялото джудже (примерно равна масата на слънцето) ще има радиус 6 км, т.е. хиляди пъти по-малък от радиуса на Земята. Следователно обемът на неутронната звезда ще бъде милиарди пъти по-малък, отколкото на бялото джудже, а плътността на веществото – милиарди пъти повече. Един куб. см. Вещество на неутронна звезда ще тежи на повърхността на Земята милиард тона.
Неутронни звезди и пулсари
Освен малките размери и колосалната плътност на веществото неутронните звезди имат още две важни особености: бързо въртене и силно магнитно поле. Неутронните звезди се въртят бързо точно, защото имат малки размери. Всеки въртящ се обект, без външни въздействия, свивайки се се върти все по-бързо. Това произтича от закона за запазване на момента на импулса. Законът изисква скоростта на въртене (ъгловата) да е обратно пропорционална на квадрата на размера на обекта (по-точно е размера в посока, перпендикулярна на оста на въртене). Така обект, размерите на който намаляват 2 пъти, започва да се върти 4 пъти по-бързо. В случая на неутронна звезда колапсиращото ядро може да се свие 20 000 пъти – от радиус 120 000 км до радиус 6 км. Ако ядрото се върти, то свиването увеличава скоростта му на въртене 400 млн. пъти. Ако ядрото преди колапса е правило 1 оборот за 100 денонощия, то неутронната звезда ще прави 46 оборота за секунда. Бързото въртене на неутронните звезди има важно следствие, защото заедно със звездите се върти и тяхното магнитно поле. Повечето звезди имат някакво начално магнитно поле; Слънцето също притежава, макар и относително слабо. При Слънцето има 2 магнитни полюса – северен и южен, както при обикновен пръчковиден магнит. Но даже слабото магнитно поле на Слънцето влияе на движението на заредените частици близо до слънчевата повърхност, защото на частици, движещи се в магнитно поле действат електромагнитни сили. Колкото е по-голям интензитетът на полето, толкова по-силно е влиянието на полето на движението на заредените частици.

В колапсираща звезда интензитетът на магнитното поле на повърхността нараства обратно пропорционално на квадрата на радиуса й. Така, ако радиуса на звездата се намали 20 000 пъти, интензитетът на магнитното поле на повърхността нараства 400 млн. пъти и неутронната звезда като цяло става свръхплътен въртящ се магнит, който заедно с полето си прави 46 оборота за секунда. Всякакви заредени частици, които са близо до повърхността на звездата, ще се ускоряват от въртящото се магнитно поле и ще се движат по винтови траектории около силовите линии. Някои от тях в края на краищата се изплъзват в космическото пространство с доста внушителни енергии и се вливат в потока космични лъчи от първоначалното избухване на свръхновата.

По-важно е, че заредените частици, ускорени от въртящото се магнитно поле, изпускат синхротронно излъчване (процесът е описан при радиогалактиките). Това излъчване, регистрирано във видимата област и радиодипазона, сигнализира за съществуването на пулсар.

Близо до повърхността на неутронните звезди постоянно се появяват заредени частици в резултат на неутрони, на протони, електрони и антинеутрино (в недрата на звездата такива разпади веднага се компенсират с образуване на неутрони и неутрино от протони и електрони). Заредените частици бързо се ускоряват от въртящото се матнитно поле почти до скоростта на светлината. Такива частици изпускат синхротронно излъчване в близките околности на неутронната звезда. Процесът на излъчване намалява кинетичната енергия на въртене на звездата, тъй като тази енергия се предава отначало на заредените частици, а след това на синхротронното излъчване. В резултат кинетичната енергия на неутронната звезда трябва да намалява, затова скоростта на нейното въртене постепенно се снижава. Забавянето на въртенето протича много бавно, примерно с една хилядна от оборота в година.

Астрономите са напълно уверени, че пулсарите са неутронни звезди. Всеки пулсар, а такива са открити стотици, излъчва във вид на импулси, които се повтарят със забележителна периодичност – от 1 импулс на 4 секунди (минималната наблюдавана честота на импулсите) до 33 импулса в секунда (максималната честота. Тези импулси обикновено се приемат на радиочестоти, но два добре изучени пулсара излъчват също гома-, рентгеново и видимо излъчване, синхронно с радиоимпулсите. В съответствие с най-детайлно разработените теории пулсарът не излъчва непрекъснато, а на импулси, защото магнитната ос не съвпада с оста на въртене. Синхротронното излъчване се изпуска преимуществено перпендикулярно на силовите линии на магнитното поле, затова вследствие въртенето на неутронната звезда ние приемаме ту мощен, ту слаб поток, при това този процес се повтаря отново и отново.

Излъчването от пулсар протича с висока, но не идеална периодичност, защото въртенето на неутронната звезда постепенно се забавя. В 1967 г., когато астрономите открили първия пулсар, те за някакво време издигнали работна хипотеза, не се ли явява той изкуствен междузвезден маяк, построен от друга цивилизация. Всеки морски маяк има точно установена честота, така че моряците веднага да определят кой маяк виждат, просто по интервала между светванията. Пулсарите могат да служат за същата цел, което и демонстрират плочките на борда но космическите апарати „Пионер 10 и 11”, те очевидно се явяват космически хронометри с невероятна точност и със съвършено естествен произход.

Тъй като въртенето на пулсара постепенно се забавя, интервалът между импулсите с всяка година малко се увеличава, но за същественото му изменение са необходими хилядолетия. Следователно, ако друга цивилизация намери плочката на борда на „Пионер” (или ако ние намерим подобна рисунка на борда на извънземен космически кораб), то съпоставянето на времевите интервали, указани за пулсарите на плочката, с интервалите в момента на находката, ще покаже колко се е забавило въртенето на пулсарите. Може да се измери забавянето на въртенето на пулсарите за няколко години (с помощта на извънредно точни измервания на времето, които са възможни сега) и оттук да се определи моментът на старта на космическия кораб. Точно така ще постъпи другата цивилизация, която ще получи нашето послание. Така че плочката съдържа информация не само за мястото, но и за времето на изстрелване.

Черни дупки
Едни избухвания на свръхнови напълно разрушават звездата, която ги е породила, след други избухвания остава неутронна звезда. Но избухванията на свръхнови не винаги води до такива последствия. Някои колапсиращи звездни ядра не са способни да породят неутронна звезда и образуват удивителни обекти, наречени черни дупки – толкова плътни области, че те почти (но не съвсем) изчезват от полезрението ни. Черните дупки са толкова фантастични от гледна точка на ежедневния ни опит, че в продължение на десетилетия физиците ги разглеждаха само като теоретичен модел, смятайки за малко вероятно тяхното реално съществуване. Но сега сме длъжни да отчитаме възможността за това, че значителна част от материята във Вселената може да е заключена в черни дупки и че самата Вселена може би е своего рода черна дупка.

Черните дупки, краен продукт от действието на гравитационните сили, представляват струпване на вещество с толкова силно гравитационно поле, че от него нищо не може да излезе. Всеки обект, притежаващ маса, привлича други тела и силата на привличане между всеки две тела е пропорционална на произведението на техните маси и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между центровете им. Да разгледаме обект, намиращ се на повърхността на колапсираща звезда. При колапса разстоянието между центровете на обекта и звездата катастрофически намалява. Още по-бързо намалява квадрата на това разстояние и съответно нараства притеглянето между звездата и обекта. Ako например размерът на звездата се намали 100 000 пъти, силата на тежестта нараства 10 млрд. пъти.

Такова увеличение на гравитационната сила извънредно затруднява всеки обект да се откъсне от повърхността на звездата. Всички добре знаем, че хората, за да преодолеят земното притегляне, строят мощни и скъпоструващи ракетни двигатели, способни да генерират огромно количество кинетична енергия. Даже частици без маса на покой, например фотоните, също трябва да загубят някаква енергия, за да напуснат повърхността на Земята. Ние концентрирахме вниманието си на закона за всемирното привличане на Нютон, съгласно който частици, притежаващи маса на покой, се привличат една с друга. Но частиците без маса на покой – фотони, неутрино, антинеутрино – също са подложени на действието на гравитационни сили.

Знаменитият експеримент , за пръв път поставен през 1919 г. и след това нееднократно повтарян с нарастваща точност, показва, че силата на привличане на Слънцето изкривява траекторията на светлинните лъчи, преминаващи близо до него. Айнщайн пръв предсказал, че гравитационните сили трябва да отклоняват частиците, нямащи маса в покой, от праволинейната траектория.

Ако фотоните „чувстват” гравитационната сила, значи са длъжни да изгубят някаква енергия, за да преодолеят тази сила, така както ракетата трябва да изразходва енергия за преодоляване на земното притегляне. Загубата на енергия от фотона (гравитационно червено отместване) са измерени не само на Земята (където силата на гравитация е много по-слаба, отколкото на много плътните звезди), но и за фотони, напускащи Слънцето и бели джуджета където тези загуби достигат 1/200 % от първоначалната енергия. Когато този ефект е бил първо измерен, той се считал голям, но той бледнее при сравнение с гравитационно червено отместване близо до действително плътни обекти.

Теорията на гравитацията предсказва, че фотон, напускащ източник на гравитация, трябва да загуби определена част от своята първоначална енергия. Тази част е еднаква за целия електромагнитен спектър. Например, ако загубите на енергия съставляват 10%, то радиоизлъчването губи 10% от първоначалната енергия, т.е. толкова, колкото видимото излъчване, притежаващо значително по-голяма енергия. Частта изгубена енергия е пропорционална на масата на обекта, разделено на първоначалното разстояние на фотона от центъра на обекта. Ако наблюдаваме излъчване, изпуснато от повърхността на обекта, загубите се определят с отношението на масата на обекта и радиуса му. Ако това отношение нараства, излъчването трябва да губи все повече енергия, напускайки повърхността на обекта. Можем да си представим ситуация, когато фотонът трябва да загуби цялата си енергия, т.е. въобще да не може да напусне обекта. Тогава обектът по определение става черна дупка – нито един фотон не може да го напусне. А ако фотони и други частици без маса на покой не могат да го напуснат, за частиците с маса на покой е още по-невъзможно. Обектът става наистина черен, тъй като не изпуска нито светлина, нито радиовълни, нито какво да е.

Лесно може да се определи условието, при което светлината представа да се излъчва от повърхността на колапсиращата звезда. Тъй като загубата на енергия се определя от отношението на масата и радиуса, обектът става черна дупка, ако това отношение надхвърли някаква стойност. За обект с маса, равна на масата на Слънцето, критическият радиус (или радиус на Шварцшилд) е 3 км, а за обект 10 пъти по-масивен от Слънцето – критичният радиус също се увеличава 10 пъти и ще бъде 30 км. Всеки обект, който се свива до размер, по-малък от критическия радиус, става черна дупка. Но с какви обекти това може да се случи?

Отговорът гласи, че това са колапсиращи звезди с маси, няколко пъти превишаващи масата на Слънцето. Вече споменахме, че само звезди с маси, по-малки от 1,4 маси на Слънцето, могат да съществуват като устойчиви бели джуджета. Изчисленията показват също, че само неутронни звезди с маси, по-малки от 3 – 5 маси на Слънцето могат да съществуват дълго. Колапсиращите звезди с маси, превишаващи 3 -5 пъти масата на Слънцето, не могат по никакъв начин да противодействат на собствените сили на гравитация. Такива звезди са подложени на катастрофически гравитационен колапс, веществото им пада навътре, докато не станат черни дупки.



Може ли да се откриват черните дупки
Черните дупки се „появяват” там, където „изчезват” най-масивните колапсиращи звездни ядра. Следователно, черните дупки могат да се търсят на местата на избухвания на свръхнови, тъй като ние смятаме свръхновите като резултат от колапса на звездни ядра. За съжаление черните дупки много трудно се откриват, самата им природа ги прави невидими. Но не всички възможности за откриването им изчезват при катастрофически гравитационен колапс под сферата с критически радиус (сфера на Шварцшилд). Първо, черните дупки остават източник на гравитация. Второ, благодарение силата на гравитация, веществото, падащо на черната дупка, може да излъчва светлина, преди да пресече повърхността с критическия радиус и да стане невидимо.

Да разгледаме отначало фактът, че чевната дупка притежава сила на гравитация. Действително, ако масата на колапсиращата звезда не се мени, то не се изменя и силата й на притегляне на обект, намиращ се на фиксирано разстояние от нейния център. Слънцето със сигурност никога няма да стане черна дупка, но ако внезапно колапсира до своя критичен радиус от 3 км (без загуба на маса), то Земята и другите планети биха продължили да се движат по своите орбити, „непочувствали” превръщането на Слънцето в черна дупка. Масата на Слънцето и планетите, а също и разстоянията между центровете им и центъра на Слънцето при колапс остават предишните. Разбира се, потокът слънчева енергия ще ни бъде недостатъчен и ние ще обикаляме около новосъздадената черна дупка, внезапно оказали се в тъмнина, но може да се утешаваме, че законите на привличането както преди са верни.

Тъй като черните дупки си остават източници на гравитационна сила, те продължават да притеглят наблизо намиращо се вещество. Ако например те са обкръжени с дифузен газ, ще го привличат и ускоряват. Частиците на газа достигат внушителни скорости при своето падане на черната дупка, следователно ще произлязат стълкновения между частици с високи енергии. При тези удари ще се раждат фотони на рентгеново излъчване, които ще отнесат със себе си част от енергията на падащите частици, при условие, че тези фотони се появяват на разстояние от центъра на черната дупка, превишаващо критичния радиус.

Ако черната дупка се явява компонента на двойна звезда, има две възможности за откриване на нейното съществуване. Първо, движението на другата, „нормална”, звезда показва, че в съседство се намира някакъв обект с маса, близка до масата на звездата. Ако ние, изучавайки движението на звездата в пространството, съумеем да определим масата на невидимия й спътник и ако тази маса превишава 3 – 5 пъти масата на Слънцето, то с някаква увереност може да заключим, че невидимата компонента е черна дупка. Второ, външната атмосфера на нормалната звезда е естествен източник на вещество, което ще се привлича от черната дупка. Така, ние ще имаме значително повече шанс да наблюдаваме излъчване от падащото вещество, отколкото в случая на единична челна дупка.

Някои астрономи предполагат, че всички гигантски галактики , вкл. и нашата, съдържат в центъра си черна дупка с маса, не по-малка от стотици милиони слънчеви маси и че ващество непрекъснато пада в тази черна дупка.
Явява ли се Вселената черна дупка
Размишлявайки за свръхмасивни черни дупки, може да си зададем въпроса: а не се ли явява самата Вселена черна дупка? Ако е така, то може би живеем вътре в черна дупка и правим догадки за възможността за съществуване на черни дупки вътре в черна дупка. Действително, ако Вселената, по нашето определение, включва всичко, което съществува, то нищо не може да напусне Вселената, така както нищо не може да напусне черна дупка. От друга страна, има някои основания да се предполага, че Вселената се отличава от нашите обичайни представи за черна дупка. Първо, средната плътност на веществото във Вселената е удивително постоянна от една област към друга в голям мащаб (т.е. ако се сравняват области с размера на купове от галактики). Вътре в черната дупка се очаква увеличение на плътността към центъра вследствие на гравитационните сили. Второ, отсъствието на „център” на Вселената ни напомня за това, че да си представим нещо, намиращо се навън (физически или мислено), е значително по-просто, отколкото намиращо си вътре. Въпросът, явава ли се обектът, наречен от нас Вселена, в действителност черна дупка, вероятно няма да получи отговор в близко бъдеще.
Изводи

Когато звездните ядра колапсират в края на своя жизнен път, колапсиращият остатък на бивша нормална звезда понякога може да се превърне в неутронна звезда. Неутронните звезди имат диаметър малко повече от 10 км; толкова малки размери ги правят бързовъртящи се обекти със силно магнитно поле. Такива въртящи се магнити могат да станат пулсари, т.е. източници на импулсно периодично излъчване. Предполага се, че фотоните се излъчват от заредени частици, ускорени до скорости, близки до скоростта на светлината от бързовъртящото се магнитно поле на неутронната звезда.

Ако по-масивно звездно ядро се свие прекалено силно, то се превръща в черна дупка – обект с толкова силно притегляне, че нито вещество, нито излъчване са в състояние да го напуснат. Веществото може да пада в черната дупка, но нищо, попадащо в сферата на Шварцшилд, вече не може да излезе оттам. Съществуването на черни дупки може да се докаже, ако се удаде да се открият на орбити около обикновени звезди; изучаването на собственото движение на звездата да показва наличие при нея на спътник и да може да се определи неговата маса. Пресмятанията показват, че неутронната звезда и бялото джудже не могат да имат маса, по-голяма от някаква гранична стойност. Следователно, ако ние открием невидим спътник и можем да потвърдим, че той има прекалено голяма маса за неутронна звезда или бяло джудже, това може да служи като свидетелство за съществуване на черна дупка. Можем да открием също черни дупки на орбити близо до обикновени звезди по рентгеновото излъчване, което ще изпуска газ, падащ в гравитационното поле на черната дупка.

ЧАСТ ІІІ
Живот

Животът на Земята е единственият ни известен пример за живот във Вселената, пример на извънредна сложност, но в основата на която лежи поразително проста структура. Сложността е обусловена от милиарди години еволюция, простотата – от ограничения брой видове атоми и правилата, съгласно които те могат да се съединяват един с друг. И сложността, и простотата на живота заслужават подробно изучаване, ако разчитаме да разберем как животът би могъл да възникне на други места и какви етапи на еволюция би изминал в други условия. При това ние сме принудени да извършваме двойна екстраполация: първо, за да определим хода на еволюцията на нашата планета в миналото, и второ, за да приложим тези знания към условията (все още недостатъчно известни), които могат да се срещнат във Вселената. Такава екстраполация е неизбежна, но ние можем да разчитаме на добре проверените научни закони при оценката на това, какъв е бил животът на Земята в миналото и какъв може да бъде във Вселената.




Глава 8
Основни свойства на живота на Земята
Сега, когато в общи линии се запознахме с това, как е устроена Вселената, може да се огледаме и да се опитаме да изберем най-подходящите места за търсене на живот. Това търсене би било логично да започнем с изучаване на различни видове живон във Вселената и различните среди на обитаване. За съжаление не можем да се възползваме от такъв подход, защото ни е известен само един пример на живот – земния. Следователно, няма как да прилагаме методът на съпоставяне, толкова полезен при изучаване на звезди и галактики. Трябва да изхождаме, доколкото това е възможно, от нашия единствен собствен пример, за да се опитаме да определим какъв е произхода на живота, защо е такъв какъвто е и колко често в нашата Галактика и във Вселената като цяло се срещат условия, обезпечаващи възникването и развитието на живота.

Изучавайки тези проблеми, не трябва да забравяме, че много свойства на живота на Земята, преди всичко най-очевидните, такива като размери и тегло на живите организми, несъмнено се явяват резултат от конкретните природни условия на конкретната планета. Ние ще се спрем на „фундаменталните” свойства, които ще ни се удаде да идентифицираме и използваме за определяне на вероятността за възникване на живота във Вселената многократно, а не да се ограничаваме с единствения пример - животът на Земята.


Какво е това живот

Тъй като животът се явява свойство на материята, можем да го изследваме така, както примерно магнетизма. Какво е това тайнствено свойство, което отличава «живото» от всички други комбинации от атоми и молекули? Може ли да опишем живота на езика на известните закони на физиката и химията, или не ни достигат специални познания, без които е невъзможно да се отгатне тази загадка. Съществува ли някаква „жизнена сила”, която прави обикновеното вещество живо?

Ние няма да се задълбочаваме във философския смисъл на тези въпроси, а ще използваме описателен подход, така че да отделим свойствата, отличаващи живото от неживото. Най-поразителното свойство на веществото, което наричаме живо, се явява способността към възпроизводство и еволюция. Днес разполагаме с обширни данни, основани на изследвания на изкопаеми остатъци и свидетелстващи за това, че животът непрекъснато се е изменял. Затова сега ни обкръжават многочислени видове живи организми – от кита и секвоята до амебата и синьо-зелените водорасли. За да разберем как са произтекли такива огромни изменения, и заедно с това да усетим единството, лежащо в основата на наблюдаваното разнообразие на живота, трябва да изучим атомите и молекулите, от които се състоят живите организми, и основните химически реакции, позволяващи на веществото да остава живо.

Можем да започнем с въпроса: от какво се състои живото? Този на пръв поглед прост въпрос незабавно води до полезен извод: известният ни живот е направен по рецепта, включваща удивително малък брой компоненти. В природата съществуват 92 химични елемента, от водорода (най-лек) до урана (най-тежък), от тях 85 са стабилни. Само 4 от тях: водород, кислород, въглерод и азот образуват 95% от веществото, което наричаме живо. Тези 4 елемента са най-разпространените във Вселената, ако не смятаме инертните газове (главно хелий и неон). С други думи, химическият състав на живото вещество повече напомня за състава на звездите, отколкото състава на планетата, която обитаваме. Голямото количество на водород и кислород в живите организми е обусловено от високото съдържание на вода в тях, което е напълно естествено, защото водата е широко разпространена на повърхността на Земята. Но въглерода и азота, макар да ги има много в звездите, са относително редки в земната кора. Например, тяхното съдържание е твърде ниско спрямо силиция и алуминия. Повишеното съдържание на въглерод и азот в живите организми изисква допълнителни обяснения, свързани с химическите свойства на тези елементи.

Благодарение на уникалната способност на атомите на въглерода да образуват сложни молекули, носещи информация, необходима за продължаването на живота, въглерода се явява важен за биологията елемент. Но сложността на молекулите е безполезна, ако те са нестабилни или прекалено стабилни, за да се съединяват с други молекули. Необичайната способност на атомите на азота и кислорода да имат няколко общи електрона с атомите на въглерода води към възникване на твърди, макар и разрушими връзки, които обезпечават съществуването на стабилни молекули. Атомите на азота освен това притежават способност да образуват стабилни молекули газ, което помага за кръговрата на този елемент между организмите и околната среда, а атомите на кислорода леко встъпват в химични реакции с други атоми и молекули с отделяне на енергия. Отчитайки необикновените химически свойства на въглерода, азота и кислорода, може да се каже, че тези атоми заедно с водорода, вероятно, преобладават в живото неслучайно, а благодарение на своите особени свойства.

Показването на нашето родство със звездите, съвпадението на разпространеността на елементите във Вселената и тяхното съдържание в земните организми пораждат надежда при търсене на живот извън Земята. Ако живите организми на Земята се състояха преимуществено от някои от редките елементи, бихме могли да заключим, че земният вид живот е извънредно рядък. Но в действителност химическият състав на живото вещество не пречи на разпространеността на живота във Вселената.

Да продължим списъка с компоненти, от които се състои животът. Ако към нашите четири основни елементи добавим калций и фосфор, то заедно те ще съставляват 98,6%от живото вещество (по маса). Останалите 1,4% се падат на хлор, сяра, калий, натрий, магнезий, йод и желязо, а също нищожни количества микроелементи: манган, молибден, силиций, флуор, мед и цинк. Това е списъкът от елементи, от които се състои типичният жив организъм, но съдържанието на малките съставящи силно се мени от организъм към организъм, и даже съставът на отделна клетка в организма може да се мени с времето. Наблюдава се обаче едно важно съотношение: концентрацията на микроелементите в бактерии, гъби, растения и сухопътни животни тясно корелира с тяхната концентрация в морската вода. Тази корелация не само навежда на мисълта, че животът е започнал в моретата, но и може би показва, че известният ни живот е възникнал на Земята, а не е донесен от космоса (например от повърхността на Марс или от междузвезден газово-прахов облак), където относителното съдържание на микроелементите би било друго.

Така, химическите елементи, които допълват списъкът от четири основни, също могат много да говорят за живото вещество. Някои от микроелементите, макар съдържанието им да е много малко в живите организми, са жизнено важни за организмите, в които се съдържат. Съдържанието на мед е значително повишено у някои морски животни – стриди и октоподи. Цинкът влиза в състава на инсулина, а манганът се явява важна съставна част на някои ферменти. Трябва да се помни, че макар основата на всичко живо да съставляват четирите химични елемента, повече от тридесет други елементи също могат да имат важно значение за толкова сложни организми, като човешкият. Това доказва, че животът се е развивал в сложно взаимодействие с околната среда.




Биологически важни съединения
Списъкът с елементите, съдържащи се в живите организми, ни говори какво е животът толкова, колкото за тортата говори списъкът с продуктите за нейното приготвяне. За да разберем как работи живия организъм, трябва да знаем как атомите, , съединявайки се един с друг, образуват прости молекули и как те на свой ред се обединяват в по-сложни молекули. При изучаване на различните форми на живот на молекулярно ниво откриваме, че повечето от тях се състоят от неголям брой доволно прости молекули, наречени мономери. Към най-важните мономери се отнасят аминокиселините, от които се образуват белтъци; другите известни видове мономери са захарите и мастните киселини. Особен интерес представлява факта, че някои от тези прости мономери съществуват в две форми, които може да наречем „лява” и „дясна”. Двете форми са идентични по химичен състав, но се отличават по разположението на атомите, така че едната форма се явява огледален образ на другата форма. С изключение на някои белтъци, открити в обвивката на клетките на ред бактерии, всички аминокиселини, срещащи се в живите организми, се отнасят винаги към лявата форма. Това отличително свойство на живота на Земята, очевидно, е възникнало случайно. Използването само на едната от двете форми увеличава ефективността на химическите реакции, необходими за поддържането на живота, при това е подходяща всяка от двете форми.

Начинът на образуване на по-големи молекули от отделните видове мономери в крайна сметка установява различието между живата материя и неживото вещество. Живото вещество се състои главно от дълги молекули, имащи вид на верига: мономерите, свързани един с друг, образуват полимери, в които определена структура се повтаря отново и отново с неголеми вариации. В полимерите често има пръстеновидни структури и странични клонове и самите вериги понякога се сгъват в добре опаковани, извънредно сложни структури. Тази способност да образуват специфични структури и да ги изменят в нужното време позволява на някои белтъчни полимери да встъпват в ролята на катализатори, в присъствието на които химическите реакции могат да протичат значително по-бързо, отколкото без тях. Тези катализатори се наричат ферменти.

Извънредното многообразие на химически съединения се достига с образуване на различни полимери от мономери и чрез свързване на полимерите един с друг по различни начини. Средната молекула белтък се състои от няколкостотин мономери – аминокиселини; всеки вид белтък се различава от друг вид от броя на аминокиселините и реда на тяхното разположение по полимелната верига. От огромния брой възможни аминокиселини само 20 са широко разпространени в известните ни живи организми.

Средната молекула на белтъка, състояща се примерно от 100 аминокиселини, може да бъде образувана по 20 на степен 100 начина. Това невъобразимо голямо число, превишаващо много броя на атомите в нашата Галактика, допуска наистина астрономическо многообразие от белтъци. Но повечето живи организми синтезират и използват не повече от 100 000 вида белтъчни молекули. С други думи, животът проявява необичайна разбираемост при избора на молекули, които той използва. Способността към образуване на силно специфични съединения и изключването на огромен брой възможни видове молекули е една от главните особености на известния ни живот. Във всички тези сложни молекули основен елемент на структурата се явява въглерода; без въглерод известният ни живот не може да възникне. Сложността на молекулярните структури е необходима за запазване и предаване на такава информация, която би позволила на организма да се възпроизвежда или да избира от многото химически съединения именно тези, които са му нужни за поддържане на живота.




Способност към възпроизводство
Най-важното свойство на живота, основа за неговото съществуване и устойчивост, е способността му към възпроизводство. Клетките се делят; растенията дават семена, от които израстват нови растения; птиците и пълзящите снасят яйца; млекопитаещите раждат потомство. Въпреки очевидното разнообразие, възпроизводството на молекулярно ниво протича при всички организми по един и същ основен план. Във всички живи организми процесът на възпроизводство се управлява от един и същ полимер – дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК). Освен това, молекулите на ДНК заедно със своите близки роднини – молекулите на РНК (рибонуклеинова киселина), снабдяват новия организъм, така както и стария, с информация за това как да функционира.

Основните принципи на действие на молекулите ДНК и РНК заслужават внимание, защото макар и да не мислим, че други форми на живот имат точно такива молекули, може с увереност да очакваме, че при тях трябва да има молекули с такива функции. И така, има смисъл да се разбере как молекулите ДНК и РНК правят толкова много за живота на Земята.

Молекулите ДНК съхраняват генетическия код, който съобщават на следващото поколение организми, как да поддържа обмяната на веществата, да расте и се размножава. Цялата тази важна информация се съдържа в последователността на химическите групи, които се разполагат вътре в молекулата ДНК по цялата й дължина. В живите организми ДНК се състои от две вериги, които се обвиват една с друга подобно на перилата на винтова стълба; това е знаменитата в молекулярната биология двойна спирала. Двете й вериги са съединени помежду си чрез двойки от малки молекули от четири вида (аденин, цитозин, гуанин, тимин), които се наричат основи и могат да образуват само напълно определени двойки. Аденин се свързва само с тимин, а гуанин – само с цитозин. Последователността на основите по една верига ДНК съдържа в себе си генетичния код, записан във вид на последователност от символите А, Т, G, С, т.е. групите аденин, тимин, гуанин, цитозин. Отбелязваме, че редът на разполагане на кода по едната верига изцяло определя кода по другата верига, тъй като основата от всеки вид може да се свързва с напълно определена друга основа. В хода на копиране, или удвояване, всяка молекула ДНК се разделя на две половини по цялата си дължина. След това всяка половина си формира другата половина от съществуващите в окръжаващата среда молекули, при това новите основи се присъединяват към старите в тези съчетания, както и предишните. По такъв начин, всяка половина от молекула ДНК може точно да възпроизведе втората половина, така че възникват две двойни спирали ДНК, всяка от които е идентична на „родителската” молекула.

В допълнение към способността сама да се възпроизвежда и така да управлява възпроизвеждането на целия организъм молекулата на ДНК управлява също синтеза на молекулите на белтъка. Синтезът протича на няколко етапа, в които участват молекули на РНК, много приличащи на ДНК. Молекулите ДНК, които управляват целия процес на синтез, трябва да притежават способност да различават, коя от 20 вида аминокиселини трябва да се избере на всеки етап. За осъществяване на този избор молекулите ДНК използват последователността от основи по една от своите вериги – генетичен код.

Как молекулите ДНК определят една или друга аминокиселина? Ако всеки път се вземат по две основи от четирите А, Т, G, С, то не могат да се различат 20 аминокиселини, защото две основи от четири може да се изберат само по 16 различни начина. Но ако се вземат по три основи, възможните варианти ще са 64, т.е. повече от необходимите 20. Внимателно проведени експерименти показват, че ДНК и РНК действително програмират синтеза на белтъците чрез последователност от триплети – групи от 3 основи. Като „буквен” код служат основите А, Т, G, С и всеки три букви, взети в определена последователност, образуват „дума”, или код. Фактически всяка дума е название на една от аминокиселините. Последователност, състояща се от 100 – 500 триплета по спиралата на ДНК, кодира първичната структура на белтъка или РНК; такава последователност се нарича ген.

Когато живите организми строят молекулите на белтъка, всяка молекула ДНК служи като програма. С ДНК информацията се „преписва” на молекулите на РНК, синтезирани около едната от веригите ДНК; след това тези така наречени матрични РНК взаимодействат с молекули РНК от друг вид – транспортни РНК – неголеми молекули, към които се присъединяват аминокиселини; тези транспортни РНК подреждат аминокиселините в определен ред така, че да се получи нужния белтък. Така информацията се предава от нуклеиновите киселини към белтъците, но никога в противоположно посока.

Колкото и удивителни да са ДНК и РНК, те не са всемогъщи. Самата ДНК, строго казано, не е „жива”, защото за възпроизводството на молекули ДНК е необходима съответстваща сложна среда. Засега такава среда в естествени условия се среща само вътре в живите клетки. Молекулите ДНК се нуждаят от специални ферменти, които помагат на спиралата да се развие и определят каква част от записаната в нея информация ще се предава на РНК. Всичко живо, доколкото ни е известно, съдържа молекули ДНК и (или) родствените им молекули РНК. Тези молекули обезпечават основата за копиране, което може да протече само вътре в клетката. Така, най-малките, най-простите системи, които живеят, могат да растат и се размножават – това са клетките. Всички форми на живот съдържат белтъчини, съставени от аминокиселини в съответствие с информацията, която пренасят нуклеиновите киселини. Белтъчините са отговорни за основната част на структурата и функциите на жшвште клетки. Другите полимери служат за енергия (въглехидрати), за запасяване и пренасяне на енергия (мазнини) и образуват основните компоненти на мембраните – обвивки, организиращи молекулите в клетки (липиди).
Стрела на времето

Да се запознаем по-отблизо с тази особеност на всичко живо, която определихме като най-характерна – способност към размножаване и еволюция. На молекулярно ниво способността към възпроизвеждане се обезпечава от копирането на двойната спирала ДНК: от всяка стара спирала се образуват две нови. Понякога в полимера ДНК протича изменение в последователността на нуклеиновите основи, наречено мутация. Това изменение води до изменение в избора на аминокиселините и до синтез на изменен белтък. Наследените изменения в последователността на основите могат да възникнат при въздействие на малекулата ДНК на лъчение с висока енергия, бързи космически частици или различни химични съединения, наречени мутагени. Новата конфитурация ДНК може да бъде толкова стабилна, колкото и старата; следващите поколения ще са носители на тази мутация. Диференциалното размножаване, т.е. успехът на различните индивиди от даден вид да създават потомство, определя в каква степен една или друга мутация ще бъде представена в популацията. Диференциалното размножаване води към явление, което наричаме еволюция на видовете: възникване на нови видове, а някои стари изчезват.

Еволюцията на живите организми изглежда нарушава известния принцип, състоящ се в това, че безпорядъкът се стреми да нараства. Навсякъде наоколо ние виждаме, че материалните системи преминават от ред към безпорядък, от малко вероятни състояния към по-вероятни. Боите избледняват, скалите се разрушават, желязото ръждясва, дървото гние, звездите след милиарди години изтощават запасите си от енергия. Но на Земята животът продължава да създава от атоми на различни химични елементи специални молекули, от мономери – дълги полимери, от прости структури – все по-сложни и от безпорядък – ред. Единичната молекула ДНК, дължината на която е милион пъти по-голяма от дебелината й (тази дължина в най-добрия случай достига само милиметър) – това е извънредно подреден къс материя. Такива молекули съхраняват огромни запаси от информация, необходима за обезпечаване на жизнените дейности, инфорфомация, която може без нарушение да се предава при хиляди копия. Следователно, за поддържане на живота е необходима висока степен на подреденост. Тази степен на подреденост не само се съхранява, но фактически се увеличава с еволюцията на живота към по-сложни форми.

Как може да се обясни толкова явно противоречие – съхраняване и даже нарастване на порядъка и сложността на живота във Вселената, неумолимо движеща се в посока на увеличение на безпорядъка. За да отговорим на този въпрос е нужно да разгледаме цялата система, в която животът се явява само неголяма част. Животът на Земята не образува затворена система. Напротив, той поддържа себе си за сметка на обкръжаващата среда. С други думи, животът достига висша степен на организация само с цената на увеличение на безпорядъка в обкръжаващата среда. Безпорядъкът в системата като цяло нараства, независимо, че в живите организми той намалява.



Енергия
Разнообразните химически реакции, които протичат в живите организми, изискват някакъв източник на енергия. От гледна точка на химията трябва да се загуби енергия, за да протекат реакциите. Милиарди години назад живите организми са могли да черпят тази енергия за сметка на топлината на самата Земя, както постъпват досега някои организми, живеещи в горещи източници. Но главен източник на енергия през цялата история на нашата планета се явява Слънцето. Така, повечето форми на живот на Земята са свързали своето съществуване с енергията, отделяща се при реакциите на термоядрен синтез дълбоко в недрата на нашата звезда. В течение на последните няколко милиарда години много форми на живот са придобили способност да извличат енергия непосредствено от слънчевото излъчване с помощта на удивителния процес фотосинтеза.

В реакциите на фотосинтеза слънчевата светлина помага за превръщането въглеродния диоксид и водата в органични (въглеродсъдържащи) молекули; в качеството на страничен продукт се отделя кислород. Процесът на фотосинтеза може да се запише в следния вид:


Шест молекули въглероден диоксид + шест молекули вода + слънчева енергия =

= една органична молекула + шест молекули кислород

При прехода от лявата към дясната част на това уравнение енергията на слънчевото излъчване се превръща в химическа енергия, която се съхранява във връзките на органичните молекули. Днес на Земята тези процеси протичат преимуществено в хлоропластите вътре в клетките на онези организми, които наричаме растения, позволявайки им да натрупат енергия за по-нататъшно използване. При фотосинтезата се образуват относително сложни съединения на въглерода от атмосферния въглероден диоксид, а освобождаващите се молекули кислород постъпват в атмосферата.

Така животът е решил задачата за натрупване и съхранение на енергията, позволявайки някои форми на живот да съществуват за сметка на енергията, натрупана от растенията с помощта на процес, прост по принцип, но сложен по осъществяване. Организацията на различните видове растения и животни е толкова устойчива, че лежащият в тяхната основа порядък се съхранява, докато в същото време веществото, от което се състоят живите организми, непрекъснато се изменя. Ние ядем, но не се превръщаме в това, което сме изяли. Нашите тела усвояват „мъртво” вещество, което ядем и използват нетовите компоненти за поддържане на живота; в този смисъл „мъртвата” храна като че ли отново придобива „живот”. Както и всички живи организми, ние постоянно заменяме веществото на нашето тяло с нови атоми и молекули и все пак в основата оставаме същите, каквито сме били.

Подобна картина е вярна и за живота като цяло. Ние сме склонни да се чудим на крехкостта на живота, защото ни обкръжават организми, преминаващи през цикъла раждане, размножение и смърт. Но ако хвърлим поглед за по-дълъг период, ще предизвика удивление факта, че извънредно малковероятно състояние на веществото, което наричаме живот, притежава поразително постоянство. Животът съществува на Земята от около 3,4 млрд. години, т.е. значително по-дълго от продължителността на живот на много звезди. Как е достигнато това? При цялото многообразие от отговори на този въпрос едно е несъмнено: основа за непрекъснатостта на живота е постоянния източник на енергия. Именно развитието на фотосинтезата е обезпечило на земния живот възможност да съществува с течение на времето. За този дълъг период, съизмерим с продължителността на космическите процеси, животът е изменил лицето на нашата планета. Да разгледаме най-важния страничен ефект на фотосинтезата, осъществявана от растенията – образуването на молекули на кислорода. Кислородът попада в атмосферата на Земята, където той обезпечава допълнителен източник на енергия за всяка форма на живот, която може да го използва за окисляване – процес на съединяване на кислорода с други молекули. Оттук е ясно, защо светът на животните може да наречем паразитен: без растенията животните не биха могли нито да се хранят, нито да дишат, т.е. не биха могли да се развиват и живеят. Невъзможно е да отговорим на въпроса кое е първично – яйцето или кокошката, но е добре известно, че в хода на еволюцията на живота на Земята организмите, произвеждащи кислород, са възникнали по-рано от потребяващите го животни.

Да погледнем още веднъж уравнението на фотосинтезата. Ако променим посоката на процеса и се движим отдясно наляво, това ще съответства на окисление, или дишане, при което енергията не се съхранява, а се разходва. При това енергията може да се появи във форма на работа, топлина и даже светлина. Най-известните примери за окисление са изгарянето на растения, дървесина, въглища или нефт. При тези процеси се освобождава слънчевата енергия, съхранена в процеса на фотосинтеза.

Съществуването на нашата планета на богати на енергия органични вещества показва, че в миналото фотосинтезата е доминирала над дишането, следователно резултантната посока в уравнението на фотосинтезата е било отляво надясно. Но целите на човешката дейност често са противоположни, вследствие на което ние бързо изтощаваме богатите запаси на енергия, създадени от фотосинтезата, изгаряйки нефта, природния газ и въглищата.


Единство на живота
Ние изброихме химическите елементи, ог които се състои живота, най-важните молекули, образувани от тези елементи, полимерите, състоящи се от по-малки молекули, и някои основни реакции, протичащи във всяка материална система, която наричаме жива. По-нататък се убедихме, че зад извънредното многообразие на живот на нашата планета се крие единство на молекулярно ниво. Само 20 аминокиселини от хиляди възможни участват в синтеза на белтъците и тези 20 аминокиселини се срещат във всички форми на живот. Различните форми на живот използват един и същ генетичен код с едни и същи четири основи, които групирайки се по три, определят конкретните аминокиселини. Организмите се различават един от друг по последователността на двойките основи – това определя разнообразието от организми, но кодът остава един и същ.

Биохимичното единство говори, че всички проявления на живота, които наблюдаваме наоколо, са възникнали в значителна степен по еднакви пътища. Това твърдение на свой ред води до извода, че животът на друга планета може в корените си да се отличава от земния, даже ако той използва същите елементи. Може да се очаква, че еквивалентът на ДНК на извънземния живот включва например други видове основи, а в белтъците се използва друг набор от аминокиселини. Но животът може да има и по-фундаментални различия от нашия; възможно е в основата на процесите на размножение, хранене и предаване на информация и енергия да лежи съвършено друга химична система.

Ние бихме имали значително по-добра перспектива за оценка на тези възможности, ако бяхме разбрали същността на живота: кое кара материята да се издигне на такова ниво на сложност, на което става възможно възпроизвеждането. Засега нямаме отговор на този въпрос; никой още не е създал самовъзпроизвеждаш се спирален полимер от прости мономери без използване на продуктите, произведени от живата клетка. Тогава как от неживото вещество се е формирала самовъзпроизвеждаща се структура? Ние ще разгледаме подробно фундаменталния въпрос за произхода на живота по-нататък, но няма да получим точни изводи за конкретните крачки, които са довели до началото на живота. Ако някъде във Вселената беше открит живот от друг вид, то от съпоставянето на двата примера ние със сигурност щяхме да узнаем повече за произхода на живота от нежива материя, отколкото от нашия единствен пример.

Изводи
Химичният състав на живите организми на Земята повече напомня състава на Слънцето и другите звезди, отколкото Земята. От този факт, а също и от по-детайлното изучаване на особеностите на живота може да се заключи, че основните елементи, срещащи се в живите организми: въглерод, кислород, водород и азот, очевидно играят специална роля и могат да бъдат най-важни за живота навсякъде във Вселената.

Трябва да проявяваме предпазливост, правейки изводи на основата на единствения – живота на Земята. Ние говорим за всички форми на живот като за единствен пример, защото в основата на размножаването на всички организми лежи един и същ процес: делене на две части дългите двойни спирали на ДНК. Молекулите ДНК носят в себе си генетичната информация, която определя как ще изглежда следващото поколение, а също и информация, необходима да се предаде на различните части на организма програма за това как следва да функционира. Когато молекулата ДНК се разделя, всяка половина от спиралата може да пресъздаде липсващата половина от неголям брой молекули, благодарение на следните две свойства: само определени молекули могат да се присъединяват на свободните места, образуващи се при копирането, а редът на тяхното присъединяване еднозначно се задава от „родителската” молекула.

Живите организми може да се определят като системи, способни за възпроизвеждане и еволюция, но основната дейност на отделния организъм, когато не се размножава, се състои в поддържане на обмяната на веществата чрез пряко или косвено използване на слънчевата енергия. Растенията са способни непосредствено да използват слънчевото излъчване црез химическите реакции на фотосинтеза, която съхранява енергията на Слънцето в химическите връзки на въглеводородите, образуващи се от вода и въглероден диоксид.

Животните (и някои редки растения) зависят от тази запазена енергия, която освобождават по пътя на храносмилането и усвояването на ваществата на растенията или на други животни, хранещи се с растения. Освен това растенията внасят и друг важен принос, освобождавайки при фотосинтезата молекули кислород. Процесът на обмяна на веществата при животните се състои в това, че тези молекули кислород се съединяват с органичното вещество на растенията, изядени от животните. С други думи, растенията произвеждат въглеводороди и кислород (по-точно те освобождават в процеса на фотосинтеза молекули кислород, които постъпват в атмосферата), а животните изгарят въглеводородите, използвайки този кислород.

На Земята сега има излишък от произведените от растенията въглеводороди. Ние разбираме и оценяваме жизнения цикъл, в който растенията трябва да предшестват животните. Този цикъл ни дава на нас, хората, храна, кислород и въглеводородни горива, толкова необходими за нас. Но остава неизвестно по какъв път огромното многообразие от растения и животни е започнало да се развива от неголям брой прости молекули.


Каталог: tadmin -> upload -> storage
storage -> Литература на факта. Аналитизъм. Интерпретативни стратегии. Въпроси и задачи
storage -> Лекция №2 Същност на цифровите изображения Въпрос. Основни положения от теория на сигналите
storage -> Лекция 5 система за вторична радиолокация
storage -> Толерантност и етничност в медийния дискурс
storage -> Ethnicity and tolerance in media discourse revisited Desislava St. Cheshmedzhieva-Stoycheva abstract
storage -> Тест №1 Отбележете невярното твърдение за подчертаните думи
storage -> Лекции по Въведение в статистиката
storage -> Еп. Константинови четения – 2010 г някои аспекти на концептуализация на богатството в руски и турски език
storage -> Архитектура на gps приемник SiRFstar II основни блокове: grf2


Сподели с приятели:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18




©obuch.info 2024
отнасят до администрацията

    Начална страница