Проблема внеземной жизни и ее отражение в научной фантастике

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Полоцкий государственный университет»

 

 

 

Радиотехнический факультет

Кафедра физики

 

 

 

 

Реферат

по дисциплине «Основы современного естествознания»

 «Проблема внеземной жизни и ее отражение в научной фантастике»

 

 

 

 

Выполнил:       

                                                                                 студента 3 курса,

,

                                                              № зач. Книжки:

 

Проверил:     ________________

                                                                                    (подпись) (И.О. Фамилия)

 

 

 

 

 

Новополоцк, 2013

 

Содержание:

 

Поиск и исследование внеземных форм жизни. Предмет и задачи.

 

Определение жизни на других планетах, кроме Земли, является важной задачей для ученых, занимающихся вопросами возникновения и эволюции жизни. Наличие или отсутствие ее на планете оказывает существенное влияние на ее атмосферу и другие физические условия.

Исследования превращений в поверхностных слоях планет с учетом возможных результатов деятельности человека позволит уточнить наши представления о роли биологических процессов в прошлом и настоящем Земли.

С этой точки зрения результаты экзобиологических1 исследований могут быть полезными и в решении современных задач в области биологии.

Занос чужеродных форм жизни может также привести на Земле к самым неожиданным и трудно предугадываемым последствиям.

Обнаружение жизни вне Земли, несомненно, имеет и большое значение для разработки фундаментальных проблем происхождения и сущности жизни.

Непосредственной целью предстоящих в ближайшем будущем экзобиологических экспериментов с помощью автоматических биологических лабораторий (АБЛ) является получение ответа на вопрос о наличии или отсутствии жизни (или ее признаков) на планете. Обнаружение внеземных форм жизни существенно изменило бы наше понимание сущности жизненных процессов и явления жизни в целом. Отсутствие жизни на других планетах Солнечной системы, например, имело бы также большое значение, подчеркивая специфическую роль земных условий в процессах становления и эволюции живых форм.

Неясно, до какой степени внеземные формы могут быть сходными с нашими земными организмами по биохимическим основам их жизненных процессов.

При рассмотрении проблемы обнаружения внеземной жизни надо принимать во внимание разные этапы эволюции органического вещества и организмов, с которыми в принципе можно встретиться на других планетах. Например, в отношении Марса могут представиться различные возможности от обнаружения сложных органических соединений или продуктов абиогенного2 синтеза и до существования развитых форм жизни. На Марсе к настоящему времени закончилась только химическая  эволюция, которая привела к абиогенному образованию (как это было в сове время на Земле) аминокислот, сахаров, жирных кислот, углеводов, возможно, белков, но жизнь как таковая на планете, видимо, отсутствует. Эти вещества в той или иной степени отличаются от аналогичных соединений, встречающихся на Земле.

Возможно, что на Марсе могут быть обнаружены: первичные протобиологические3 открытые системы, отделенные мембранами от окружающей среды (относительно простые примитивные формы жизни, аналогичные нашим микроорганизмам); более сложные формы, подобные нашим простым растениям и насекомым; следы существовавшей ранее или существующей и ныне жизни; остатки высокоразвитой жизни (цивилизации) и, наконец, можно констатировать полное отсутствие жизни на Марсе. Более подробно проблема жизни на Марсе рассматривается ниже.

 

 

Критерии существования и поиска живых систем.

 

Наши представления о сущности жизни основаны на данных по исследованию жизненных явлений на Земле. В то же время решение проблемы поиска жизни на других планетах предполагает достоверное подтверждение жизненных явлений в условиях, существенно отличных от  земных. Следовательно, теоретические методы и существующие приборы для обнаружения жизни должны основываться на системе научных критериев и признаков, присущих явлению жизни в целом.

Можно считать, что ряд фундаментальных свойств живых систем земного происхождения действительно имеет ряд общих свойств, и поэтому эти свойства, несомненно, должны характеризовать и внеземные организмы. Сюда можно отнести такие хорошо известные биологам и наиболее характерные признаки живого, как способность организмов реагировать на изменение внешних условий, метаболизм, рост, развитие, размножение организмов, наследственность и изменчивость, процесс эволюции.

Не будет сомнения в принадлежности к живым системам неизвестного объекта при обнаружении у него перечисленных признаков. Но реакция на внешнее раздражение присуща и неживым системам, изменяющим свое физическое и химическое состояние под влиянием внешних воздействий. Способность к росту свойственна кристаллам, а обмен энергией и веществом с внешней средой характерен для открытых химических систем. Поиски внеземной жизни должны поэтому основываться на применении совокупности разных критериев существования и методов обнаружения живых форм. Такой подход должен повысить вероятность и достоверность обнаружения инопланетной жизни.

 

О химической основе жизни.

 

Исследования последних лет показали возможность синтеза разнообразных биологически важных веществ из простых исходных соединений типа аммиака, метана, паров воды, входивших в состав первичной атмосферы Земли.

В лабораторных условиях в качестве необходимой для такого синтеза энергии используется ионизирующая радиация, электрические разряды, ультрафиолетовый свет. Таким путем были получены аминокислоты, органические кислоты, сахара, нуклеотиды4, липиды5, вещества порфириновой6 природы и целый ряд других. По-видимому, можно считать установленным, что большинство характерных для жизни молекул произошло на Земле абиогенным путем и, что еще важнее, их синтез может происходить и сейчас в условиях других планет без участия живых систем.

Следовательно, само наличие сложных органических веществ на других планетах не может служить достаточным признаком наличия жизни. Примером в этом отношении могут быть углеродистые хондриты7 метеоритного происхождения, в которых содержится до 5-7% органического вещества. Более подробно о хондритах будет описано ниже.

Наиболее характерная черта химического состава живых систем земного происхождения заключается в том, что все они включают углерод. Этот элемент образует молекулярные цепочки, на основе которых построены все главные биоорганические соединения, и, прежде всего белки и нуклеиновые кислоты, а биологическим растворителем служит вода. Таким образом, единственная известная нам жизнь, основа которой углеродоорганическая-белково-нуклеиново-водная. В литературе обсуждается вопрос о возможности построения живых систем на другой органической основе, когда, например, вместо углерода в скелет органических молекул включается кремний, а роль воды как биологического растворителя выполняет аммиак. Такого рода теоретическую возможность практически было бы очень трудно учесть при выборе методов обнаружения и конструирования соответствующей аппаратуры, поскольку наши научные представления о жизни основаны только на изучении свойств земных организмов.

Роль и значение воды в жизнедеятельности организмов также широко обсуждается в связи с возможной заменой аммиаком или другими жидкостями, кипящими при низких температурах (сероводород, фтористый водород). Действительно, вода обладает рядом свойств, обеспечивающих ее роль в качестве биологического растворителя. Сюда относятся амфотерный8 характер воды и ее способность к самодиссоциации на катион Н+ и анион ОН-, высокий дипольный момент и диэлектрическая постоянная, малая вязкость, высокие удельная теплоемкость и скрытая теплота превращения, предохраняющие организмы от быстрых изменений температуры. Кроме того, роль воды в биологических системах включает факторы стабилизации макромолекул, которые обеспечиваются общими структурными особенностями воды.

В целом можно считать, что углеродоорганическо-водно-химическая основа жизни является общим признаком живых систем.

Характерным признаком структурной организации живых систем является одновременное включение в их состав, помимо основных химических элементов С, Н, О, N, целого ряда других, и прежде всего серы и фосфора. Это свойство может рассматриваться в качестве необходимого признака существования живой материи.

Но специфичность живой материи, не смотря на все это, нельзя сводить лишь к особенностям физико-химического характера ее основных составных элементов – структурных единиц живого, имеющих абиогенное происхождение.

 

Общие динамические свойства живых систем.

 

В качестве исходных представлений при толковании экзобиологических экспериментов необходимо принимать во внимание динамические свойства живых систем. Развитие и эволюция биологических систем шли в основном по пути совершенствования форм взаимодействия между элементами и способов регуляции состояния системы в целом. Жизнь неразрывно связана с существованием открытых систем, свойства которых во многом зависят от соотношения скоростей процессов обмена энергией и массой с окружающей средой.

Результаты исследования динамических свойств открытых систем методами математического моделирования позволили объяснить целый ряд их характерных черт, в частности установление в системе при сохранении постоянных внешних условий стационарного колебательного режима, который наблюдается на разных уровнях биологической организации. Это свойство является важным признаком высокой степени организации системы, что в свою очередь можно рассматривать как необходимые условия жизни.

 

Роль света в поддержании жизни.

 

Важным аспектом проблемы внеземной жизни является необходимость внешнего притока энергии для ее развития. Солнечный свет, главным образом в ультрафиолетовой области спектра, играл существенную роль в процессах абиогенного синтеза необходимым притоком свободной энергии, но заключалось также и в фотохимическом ускорении дальнейших превращений. Жизнедеятельность первичных живых систем также могла во многом определяться фотохимическими реакциями входящих в их состав соединений. Многие организмы, не имеющие прямого отношения к современному фотосинтезу, тем не менее, изменяют свою активность при освещении. Так, явление фотореактивации клеток организмов видимым светом после поражающего действия ультрафиолетовых лучей, очевидно, является в эволюционном отношении древним процессом, возникшим в то время, когда первичные живые системы выработали механизмы защиты от деструктивного действия падавшего на Землю ультрафиолетового света.

Следует отметить, что свет мог и не являться единственным источником энергии на ранних этапах эволюции органических соединений. Эту роль могла выполнять и химическая энергия, освобождаемая, например, в реакциях конденсации в неорганический полифосфат или в реакциях окисления, впоследствии составивших энергетическую основу хемосинтеза. Однако в целом жизнь для своего возникновения и развития требует, очевидно, постоянного внешнего притока свободной энергии, роль которого на Земле и выполняет солнечный свет. Поэтому свет и играет важную роль на всех этапах эволюции жизни, начиная с абиотического синтеза первичных живых систем и кончая современным фотосинтезом, обеспечивающим образования органических веществ на Земле.

Очевидно, существование фотосинтеза в той или иной форме как процесса полезной утилизации энергии в биологических системах является важным критерием существования развитой жизни.

Можно заключить, что независимо от конкретной химической структуры фотосинтетического аппарата общим свойством фотобиологических процессов утилизации световой энергии является наличие такой последовательности реакций: поглощение света и возбуждение молекул пигментов; делокализация электрона (дырки); перенос электрона (дырки) по открытой цепи окислительно-восстановительных соединений; образование конечных продуктов с запасанием в них энергии света. Существование такой фотосинтетической цепи является общим для большинства фотобиологических процессов и может рассматриваться в качестве необходимого условия существования жизни.

Таким образом, можно выдвинуть общие принципы, которыми следует руководствоваться при определении критериев существования и поиска внеземной жизни:

1. Основным свойством живой материи является ее существование в виде открытых самовоспроизводящихся систем, которые обладают структурами для сбора, хранения, передачи и использования информации.
2. Углеродосодержащие  органические соединения и вода как растворитель составляют химическую основу жизни.
3. Необходимым условием жизни является утилизация энергии света, ибо прочие источники энергии обладают на несколько порядков меньшей мощностью.
4. В живых системах протекают сопряженные химические процессы, в которых происходит передача энергии.
5. В биологических системах могут преобладать асимметрические молекулы, осуществляющие оптическое вращение.
6. Различные организмы, существующие на планете, должны обладать рядом сходных основных черт.