Мое видение перспектив развития криологии, как науки о криосфере, складывалось под давлением происходящих перемен в науке и образовании, в положении ученого исследователя в обществе и, конечно, под грузом ответственности за судьбу нашего сообщества. Мы просто обязаны заглянуть в будущее нашей науки и создав его образ, сформировать приоритеты.
Создать образ криологии будущего в эпоху необыкновенно высоких темпов прироста знаний и взаимопроникновения наук можно лишь штрихами или еще лучше в стиле «кубизма Пикассо», т.е. образ нестрогий, с возможностью замены элементов или их оттенков в процессе познания без ущерба для общего восприятия произведения.
Именно современный образ желаемого, создаваемый на основе знаний о составляющих криосферы, повлияет на предмет, структуру и содержание нашей науки, а вслед за этим и на состав сообщества.
Проблему освоения и использования нарастающего объема знаний подметил еще Аристотель, который изрек: «Даже известное известно немногим».
В наше время бурно совершенствуется инструмент — информационные технологии, базы данных, программы поиска, анализа и синтеза информации. Однако за нами все равно останется роль формулирующих цели и интерпретирующих компьютерные решения.
Владимир Иванович Вернадский писал: «Лед и снег, скапливаясь в биосфере, являются одним из самых могущественных факторов ее структуры; своим движением и влиянием на жизнь и гидрографию суши они коренным образом меняют ее вещество». Следует понимать, что имеются в виду не только новейшие периоды геологической истории, но и время зарождения жизни, и ее додарвинская и дарвинская эволюции.
Оглядываясь назад, создается впечатление, что весь XX век мы, криологи, танцевали один танец. Шаги меняли свое направление, были длиннее или короче, но оставались в целом такими, как их задумали конструкторы танца. Движения были разноазимутальными от одной территории к другой, от Васькиных дач к Кузькиным дачам, но все это напоминает прокариотический этап развития, когда не требовался партнер для продолжения жизни. Но ведь наш эукориотический мир победил. Жизнь из точки бифуркации пошла по партнерскому типу продолжения жизни. Прокариоты остались, практически без перемен, дожив до наших дней, но это видимо лишь дань природному разнообразию и для тех условий, которые эукариоты не сумели покорить.
В нашей науке точка бифуркации есть, и есть первопроходцы, которым мы отдаем должное за их усилия по конструированию нового танца. Его исполнение началось с укрепления междисциплинарных исследований и с появлением обобщенной информации о криосфере планет и их спутников. Криосфера не может не относиться к разряду больших систем и, следовательно (по Г.А. Заварзину), их корректное исследование должно идти сверху вниз. «Нарушение этой логики ведет к бесчисленным построениям от элементарных событий к предполагаемой общей системе – построениям всегда некорректным».
Я в своем сообщении затрону два направления, в науках о жизни и о Земле — это история Земли, происхождение и эволюция жизни. Именно затрону, так как это глобальные проблемы всей мировой науки, а значит и нам, ее составляющей, необходимо привлечь весь свой потенциал для их решения.
Даже беглое знакомство с новым учебным пособием И.В. Гордиенко «История развития Земли» и коллективным трудом «Проблемы зарождения и эволюции Биосферы» под редакцией Э. Галимова оставляет впечатление, что тезис Вернадского о роли льда и снега не раскрыт, и что явно упущены знания криологов о взаимодействии криосферы и других геосфер, а также исследования криобиологов и криогеохимиков, которые видимо в силу своей определенной изолированности в век дифференциации наук не влились ни в одну титульную науку, и им просто не хватило энергии увлечь своими прекрасными работами научное сообщество, в чем есть и доля нашей вины. Но то, что они уже наработали за последние 30-40 лет, постепенно входит в фундаментальные основы наук о жизни и о земле.
Если обратиться к великолепной монографии немецкого профессора М. Неймара «История земли», изданной в Германии в 1896 г. и переведенной на русский, можно сделать вывод: большого прогресса в понимании причин оледенений и их роли в развитии биосферы не наблюдается. Вот что пишет Неймар в заключении главы о ледниковых эпохах:
Эту задачу – накопление фактов, мы с Вами решаем до сих пор и не очень успешно. Некоторый прорыв в понимании причин изменения климата осуществил Миланкович, но этого слишком мало.
В этом году отмечается 130 лет со дня рождения немецкого ученого — геофизика А. Вегенера — автора теории дрейфа материков, и первой гипотезы мобилизма. Забытое и оживленное десятилетия спустя, сегодня это общепризнанное учение о тектонике плит. Кому как не нам, в память об этом выдающемся полярном исследователе, которому и мысль о мобилизме пришла скорей всего в его первой гренландской экспедиции, в наблюдениях за динамикой ледникового щита, внести свой вклад в геологическую историю, углубленным изучением роли оледенений в развитии абиогенной и биогенной составляющих земной коры. Мы слишком увлеклись вершками этой истории, занимаясь, в основном, четвертичным периодом, а похоже самое интересное было значительно раньше на 2–2,5 млрд. лет. Примерно с этого времени прослеживаются циклические оледенения разной продолжительности и интенсивности. Исследована корреляция «начала» и «конца» оледенений с особенностями состава атмосферы (изменения количества СО2 и серы). Однако и более ранняя история Земли требует новых подходов и гипотез, так как научное сообщество разделено на сторонников и противников как горячей так и холодной Земли на этапах ее рождения и формирования.
Гиперсистемность Криосферы вытекает уже из того, что лед во Вселенной существовал до возникновения Солнечной системы и ее планет, до появления воды и жизни на Земле и останется во Вселенной даже после расширения и разогрева нашего светила и трансформации голубой планеты в нечто похожее на одну из безжизненных горячих планет. До столь печального исхода не более нескольких миллиардов лет, что в саморазвитии Вселенной — лишь эпизод в общем сценарии.
Исследователи эволюции биологических систем придерживаются мысли Ф. Добжанского о том, что в биологии ни одна задача не имеет смысла, если она не связана с теорией эволюции. Можем добавить, что все изменения в криосфере Земли, так или иначе, воздействуют на формирование и эволюцию среды жизнеобеспечения.
Думаю, что и в образе будущего криологии Земли исследования криогенных и криогенетических систем в геологической, планетарной истории и в эволюции биосферы займут достойное место.
Когда мы определяем Криосферу как гиперсистему, то Криосфера Земли встает на место подсистемы или системы второго уровня со своими подсистемами, такими как атмосферные отрицательно-температурные разноуровневые слои со своими особенностями, покровные компоненты, литосферная мерзлота. Наибольшая глубина, известная на сегодня, проникновения криогенных условий процессов и образований – это глубина газовых гидратов на континентах и в океанах, которые создают пояс положительно-температурной криолитозоны.
Наличие этой зоны с фазовыми переходами глубинных растворов, обязывает нас вводить в понятийный аппарат криологии и условия, далекие от поверхности, и наличие переохлажденной воды и льда (льдоподобного вещества) на больших глубинах. Иначе мы неправомерно ограничиваем пространство, относящееся, по сути, к Криосфере Земли, выводя из нашего предмета трансформации среды, обязанные криогенным процессам при разных рТ-условиях.
Прежде чем углубляться в поставленные проблемы, уточним модель Криосферы Земли, которая будет в дальнейшем подразумеваться в наших рассуждениях.
Представленный разрез криосферы Земли – это модель с усредненными параметрами структурных элементов с резко различающимися свойствами в меридиональном и широтном направлениях.
От поверхности Земли вверх – тропосфера, в которой заключено около 80% всей массы атмосферного воздуха и до 90% всего водяного пара мощностью до 8-10 км. — в полярных областях, до 10-12 км — в умеренных и до 16-18 км. — в тропических широтах. Высотная отметка тропосферы меняется изо дня в день.
У земной поверхности температура воздуха около +260С на экваторе и до -230С на Северном полюсе. На верхней границе тропосферы над экватором средняя температура около -700 С, над Северным полюсом зимой около -650С, а летом около -450С. Температура убывает с высотой со средним вертикальным градиентом 0,650/100 м.
Излучение Земли, в основном, находится в инфракрасном спектре, которое интенсивно поглощается воздухом, при этом понижается температура. Понижение обусловлено тем, что нагретый воздух становится более легким и поднимается вверх, попадая в область с более низким давлением, он расширяется и соответственно охлаждается. Этот феномен, кстати, был подмечен Д.И. Менделеевым и описан в его заметках и трудах, посвященных метеорологии.
Таким образом, по температуре тропосфера, как правило, двухслойна. По массе воздуха отрицательно-температурная и теплая части тропосферы примерно одинаковы.
На границе со стратосферой, особенно в тропиках, увеличивается статическая устойчивость атмосферы. Этот переходный слой толщиной от нескольких сотен метров до 1-2 км. Из-за турбулентности и конвекции в тропосфере высота тропопаузы колеблется, как при прохождении циклонов и антициклонов, так и в зависимости от времени года.
Верхняя часть первого отрицательно-температурного слоя находится в стратосфере с почти изотермичным режимом, но с высоты 20 км, температура быстро растет, в районе 40 км достигает 00С, а на высоте около 50 км повышается до десятков градусов. Этот слой с плюсовой температурой обязан своим появлением озону, поглощающему ультрафиолетовое излучение Солнца. Как известно, озон в атмосфере образовался около 400 млн. лет назад. И только после этого жизнь из океана шагнула на сушу.
Если бы не было озонового слоя, падение температуры, характерное для тропосферы сохранилось бы вплоть до высоты 80 км, т.е. два отрицательно-температурных слоя это сравнительно молодое (с геологических позиций) явление.
Разогрев атмосферы выше 90 км обязан коротковолновому (130-170 нм) излучению Солнца, ионизирующему молекулярный кислород. Ниже этой отметки коротковолновое излучение не проникает.
Отрицательные температуры в верхнем холодном слое обязаны низкому содержанию озона. Распределение стабильных молекул в атмосфере до высот порядка 100 км. определяется барометрическим законом, т.е. уменьшением количества с высотой по экспоненте.
Рождаясь в атмосфере, озон стремится к распределению по высоте аналогичному распределению воздуха.
Незначительное количество молекулярного кислорода в атмосфере Марса определяет отсутствие в его атмосфере озонового слоя (хотя сам озон вместе с СО, О, Н2О составляет 3 %) и значительно более низкую, чем у Земли, температуру одного отрицательно-температурного слоя с минимальной температурой (по данным «Викингов») до -150 – 1600 С на высоте около 120 км.
За последние десятилетия значительно увеличилось число исследовательских структур, так или иначе, занимающихся криосферой, кратно больше, чем IPA (международная ассоциация по мерзлотоведению) принимает новых членов. Трудно уже уследить за новой информацией и дать ей оценку. Чтобы говорить на одном языке необходимо совершенствовать понятийный аппарат, увеличивая емкость понятий, даже казалось бы, прошедших испытание временем.
Следует согласиться с Андреем Викторовичем Ивановым, с его критикой ограниченных, а порой поверхностных определений основного, общего для всей криосферы, а не только земной, элемента – льда.
Главное ограничение в справочной и специальной литературе – это привязка к воде, к фазовым переходам вода-лед. Бытуют трактовки, в которых лед просто побочный продукт превращений воды. Говорят о трех агрегатных состояниях воды, но никто не скажет о трех агрегатных состояниях льда.
Определение планетарного льда может быть таким: лед – химическое соединение основных элементов нижних слоев атмосферы планет — твердое тело, превращающееся в жидкое или газообразное состояние при изменении рТ — условий, имеющее, как правило, кристаллическое строение с микро или макро включениями жидкостей, газов и твердых частиц.
Такое емкое определение планетарного льда (а для определения космического льда стоит лишь заменить «нижних слоев атмосферы планет» на более общее «среды») отрывает лед от чисто земного явления и позволяет рассматривать его в широком диапазоне состава, строения, состояний и функциональных ролей.
В таблице 1 я попытался собрать воедино самые разные сведения о представлениях многих авторов, выраженных явно и неявно, и пятью рубриками обрисовать многочисленные связи этого многоликого льда. При этом упомянем первый экологический закон-афоризм Коммонера «everything is connected to everything else» — все связано со всем.
Не перечисляя имен авторов различных определений, таблиц и баз данных, относящихся ко льду, отдадим должное мудрости проницательного наблюдателя выразившего очень образно важную мысль:
— списанное из одной научной книги – это плагиат;
— списанное из двух научных книг – это очерк;
— списанное из трех научных книг – это диссертация;
— списанное из четырех научных книг – это пятая научная книга.
Этой констатацией господа Р.Дж. Флигль и Дж.А. Бузингер предварили свою монографию «Введение в физику атмосферы».
Так что рискну считать приведенную таблицу свежим продуктом, в составе которого все компоненты известны, но вкус оригинален.
И вот теперь с этим продуктом нам легче будет внедриться в историю Земли и в эволюцию биосферы.
Прежде всего, вернувшись к тектонике плит, определимся с пределами возможного по извлечению информации из Земной коры, с учетом динамики прото- и суперконтинентов в истории нашей планеты.
Одно из возможных направлений исследований, которое вытекает из строения атмосферы и тектоники плит – это взаимодействие перемещающихся платформ и формирующейся атмосферы. Первичная атмосфера, как известно, коренным образом отличалась от современной и по строению, и по составу.
Зная о том, что на планетах и их спутниках существуют водный лед, углекислый, аммиачный и метановый можем предположить, что и на Земле могли существовать все или часть видов льдов, менявших со временем свой состав.
Под натиском новых данных о строении Вселенной, возможностей вычислительной техники, химии и физики трудно сохранить свою стройность гипотезам формирования планет и зарождения жизни популярным еще 15-20 лет назад. Однако и новые химизированные и математизированные модели не лишают нас основы для вхождения в раннюю историю Земли с нашими криосферными подходами.
Новейшие данные по наиболее древним сохранившимся до наших дней австралийским цирконам свидетельствуют о наличии водных бассейнов в эпохи 4,4; 4,3; 4,2 и 4,1 млрд-летней давности. А это означает присутствие атмосферы 6-7 мбар.
Анализ следов 129Хе — продукта распада 129J показывает наличие динамики этого продукта, его поглощении газогидратами (Адушкин и др.). Таким образом, как минимум газовые гидраты — компонент Криосферы, уже были. Да и предполагаемые термоциклы ранней планеты с диапазонами +2000 ~ -1000С предполагают различные фазовые переходы (Варфоломеев и др.), т.е. определенный этап эволюции криосферы Земли. Гипотеза Земля-снежок тоже не списывается из истории ранней планеты, так как мощнейшая дегазация, а, следовательно, охлаждение атмосферы могли начать формирование среды благоприятной для льдонакопления.
Существование в остывающей мантии многочисленных циклических процессов уже тогда меняли облик атмосферы и укрепляющейся поверхности. И очевидно последствия циклических явлений были более быстрыми и ярковыраженными, т.к. барьеры в виде Земной коры и маломощной атмосферы еще были слишком слабыми.
Земля-снежок могла появляться в истории неоднократно и наша задача искать следы этих эпох.
Есть работы мерзлотоведов, в частности, Е.А. Слагоды, обнаружившей признаки криогенеза в карбоне. Геологами, так или иначе, установлены признаки многочисленных оледенений, но это были, в основном, свидетельства не привязанные к тектонике плит.
С точки зрения мобилизма, мы должны признать, что большая часть архива бесследно ушла в расплав верхней мантии. Но кое-что сохранилось из эпох от 4 млрд. лет назад, в том числе и на территории России и СНГ. В своей книге «Наука о льде» 1981 г., Маэно Норикадзу пишет: «До недавнего времени наши представления о льде были во многом ошибочны».
Известно, что исследования физических свойств льда проводили несколько ученых, получивших Нобелевские премии в 40-х, 50-х и 70-х годах. Среди них был и выдающийся ученый Лайнус Поллинг.
Лед объединяет в себе противоположные свойства: кристалл – аморфное тело, упругость – пластичность, полупроводник – диэлектрик, плотнее воды – легче воды. Лед при абсолютном нуле не имеет нулевой энтропии.
Лед имеет вектор достижения идеальной структуры – при постоянной низкой температуре со временем мера упорядоченности возрастает, т.е. при постоянных условиях (t=const) энтропия уменьшается со временем.
Снег не поглощает свет, поэтому его цвет белый. Лед прозрачен, т.к. в нем не возникают свободные электроны. Снег, состоящий из прозрачных кристаллов льда белый по той же причине, что и истолченное прозрачное стекло – белый порошок.
Поверхность льда – квазижидкость, при отрицательной температуре близкой к 00 С обязанная хаотичному расположению молекул воды в квазижидком слое, но одновременно упорядоченной (по сравнению с кристаллом) ориентацией диполей.
Только кристаллы льда построены на одних водородных связях, т.е. можно считать лед – стандартом водородных связей. Мерой для сравнения.
Эти же водородные связи играют важнейшую роль в белках, нуклеиновых кислотах, в биополимерах. Сама жизнь обязана водородным связям, т.к. все биохимические процессы в живом организме – все это процессы, когда рвутся и возникают вновь водородные связи.
В кристаллах льда, молекулы воды располагаются таким образом, что электростатические и дисперсионные силы (деформация электронных облаков при сближении двух молекул при которых возникают силы притяжения) строго уравновешиваются обменными силами отталкивания (вызываются квантомеханическими причинами). Межмолекулярное расстояние, т.е. «длина» водородной связи равна 2,76 А, определяется именно этим условием (Маэно, 1988 г.).
Когда лед тает, превращаясь в воду, водородные связи разрушаются. Пар – состояние, когда все водородные связи разорваны. Система: вода – лед – пар – это система с сильными ковалентными связями (вода), чисто водородными (лед) и разорванными водородными связями (пар). Условия жизни – это тройная точка на диаграмме состояний Н2О.
Важнейший вывод, который напрашивается из этого это то, что выход живых организмов из воды и отрыв от Земли, т.е. свободное существование в атмосфере (тропосфере) – это результат слабости и непрочности водородных связей.
Биологическая роль водорода в энергетике древнейших биосистем первостепенна (Федонкин). Водород – первичный источник электронов и протонов, главный субстрат микробной жизни, основа энергетики метаболизма (Wackett и др.). Он определяет прочность и пластичность макромолекул. Молекулярный водород Н2 осуществляет универсальный процесс трофической (энергетической) связи между микроорганизмами, живущими на разных субстратах, т.е. по существу он первичный конструктор прообраза экосистем. Водород как энергетический продукт – фактор конкурентной борьбы многих групп прокариот. Добавим, что способности молекулярного водорода служить восстановительным факторам, формировать протонные градиенты как средство временного сохранения энергии – все это и многое другое говорит о водороде как об одном из важнейших элементов среды, сыгравшем ключевую роль в происхождении жизни.
Когда я говорил о нашем увлечении четвертичным периодом, я подразумевал то, что мерзлотоведам и гляциологам невозможно не увлекаться этим периодом ярчайшего похолодания на Земле с четырьмя крупными оледенениями и с самыми разнообразными свидетельствами истории событий. Но ведь это легкий путь исследования. Оборотная сторона увлечений – это то, что оно приводит к недостатку внимания к ранней истории криосферы, хотя и причины этого понятны. Мало свидетельств. Они убывают в крутой зависимости от прошедшего времени. Мой призыв создать и поддержать специальное направление «криотрасология» (фр. trace – след) по исследованию взаимодействий льда с абиогенными и биогенными компонентами среды. Все оставляет свой след, главное уметь его отыскать. Инструментарий ХХI в. уже позволяет определять самые разнообразные отпечатки событий. Нужны идеи взаимодействий, системный подход и широкий поиск. Кузьма Прутков по этому поводу писал: «Щелкни кобылу по носу, она махнет хвостом». Очень образное представление реакции на воздействие.
А теперь посмотрим, как это образное выражение принципа опосредованного влияния среды на самоорганизацию систем, возможно, проявляется в природе.
Пятиконечные звезды, пятигранники широко развиты в морской фауне и флоре на протяжении сотен миллионов лет, да и сам человек с его пятью выступами – это следы чего? Может быть, реакция на протуберенцы Солнца? А гексагональная сингония и шестиконечные снежинки может быть это след, оставленный ближайшими или далекими соседями по Вселенной?
В то же время известно, что шестигранники – наиболее эффективные рассеиватели энергии. Энергетическая выгодность шестигранников не вызывает сомнений (Кадомцев, Рыдник 81 г.). Описаны и зарисованы почти правильные шестигранники из облаков со сторонами в несколько километров. При фотографировании поверхности Солнца, она оказалась состоящей из гранул аналогичных ячейкам Бенара (шестигранники). (Печуркин, 1988 г.).
Мы не уделяли должного внимания тем очевидным возможностям, которые дают нам время и источник воздействия. Я имею ввиду эволюцию Солнца и реакцию планет и их спутников на изменения интенсивности и характера излучений.
В нашем распоряжении все новейшие достижения в изучении Вселенной и Солнечной системы. И наше время — это переход от гипотетического к физическому благодаря телескопам и аппаратам, уже ставшими вечными странниками Вселенной.
Пора и нам, использовать тот факт, что Солнце первые полмиллиарда лет разогревалось и было источником все возрастающей радиации. Приемниками же этой радиации стали планеты и их спутники, находящиеся на разном расстоянии от Солнца. Вот Вам два параметра для модели – возрастающая радиация и очевидная реакция объектов (приемников), зависящая от расстояния.
Следующий аргумент – это различные периоды обращений небесных тел вокруг Солнца – от 87 дней для Меркурия до ~ 165 лет для Нептуна.
Кроме того, в нашем распоряжении различные типы небесных тел по внутреннему теплу с их различным состоянием и строением поверхностей, масштабом, строением и составом атмосфер, огромным разбросом термодинамических условий и многое другое.
Пора перенести акцент наших дискуссий с моделей климата на Земле на модели криосферы всей Солнечной системы и ее планетных разновидностей. Хотя и модели климата станут ближе к реальности, если в них учесть динамику многослойной криосферы разных небесных тел.
Что касается необходимости углубления в раннюю историю, то и здесь задач непочатый край. Во-первых, наполнение содержанием: функциональные роли, физико-химические и другие проявления льда, обрисованные в представленной ранее системе. Это откроет нам глаза на те следы, которые в холодные периоды истории планеты в принципе могли быть оставлены.
Работая с мобилистами, мы изучим динамику изменений отпечатков льда при их путешествиях по планете. Другие задачи и имеющиеся средства, я надеюсь услышать в нашей дальнейшей дискуссии по приоритетам.
Изучая иные планеты, мы надеемся больше узнать о ранней истории Земли и ее будущем. Но найдя новые средства изучения молодой Земли, мы тем самым значительно повысим точность интерпретации данных, получаемых космическими аппаратами.
Мое искреннее убеждение в том, что криологи должны настойчивей внедряться в решение основных фундаментальных проблем науки. Из четырех главных: устройство материи, возникновение жизни, возникновение сознания и проблема пространства и времени, нам ближе вторая и здесь мы можем внести свой вклад хотя бы в виде новой аргументации непротиворечивых гипотез.
Эволюция Вселенной от первых мгновений появления материи из элементарных частиц — протонов, нейтронов и электронов, появившихся при взрыве, далее непрерывно связана с водородом, который вместе с гелием первыми образовались при остывании.
Далее — концентрация этих элементов в будущие галактики, преобразование вещества в «сгустки» — звезды из водорода и гелия; термоядерные реакции, новые взрывы, синтез новых элементов, (О, N, С и другие) образование новых звезд, далее новые элементы и так вся таблица Менделеева вместе с ее еще не синтезированными на Земле элементами.
Предмет нашей науки в большей степени – это трансформации и взаимодействия первоэлементов из начальной и второй волны — Н и О. Как не задуматься о том, что многие миллиарды лет объект наших исследований — лед, основанный на водородных связях, должен иметь отношение ко всему и прежде всего к зарождению жизни?
Почему на Земле по сравнению с Солнцем имеется дефицит самых распространенных в космосе элементов Н, С, Не, N и не является ли лед, вода, пар и все живое системами-концентраторами водорода на Земле?
Гипотезы с привнесенной жизнью — носят успокоительный характер, они сродни божественному началу.
Во-первых, это ничего не решает, так как во весь рост встают вопросы, о механизме зарождения жизни там, откуда ее принесло.
Во-вторых, надо зачеркнуть многое, что за сотни лет наука в муках признала истинным, — прежде всего, роль среды.
В земных гипотезах среда готовилась к этому моменту сотни миллионов лет после возникновения Солнечной системы, а в Кометных — надо сразу предположить невообразимое – как из чужой среды в катастрофических условиях встречи с Землей, после путешествия в смертельно-жестком ультрафиолете, выжить и найти «кайф» в безжизненной среде еще довольно горячей коры и при всем этом сохранить в себе жидкость.
Но даже, если речь идет об экстремофилах, то надо им приписать еще свойство: выживать и множиться без адаптации и длительной подготовки среды.
Сразу хочется подискутировать с химиками, с их одним из атрибутов жизни – фазовой обособленностью: — «живой объект всегда четко отделен от окружающей среды» (Пармон). Такая категоричность сразу вызывает вопрос, может ли эта фаза – живой объект, оставаться живым, будучи «четко» обособленным от окружающей среды. Ответ очевиден. Нет.
Можно согласиться с тем, что на определенном этапе развития жизни – химической эволюции произошло физико-химическое концентрирование абиогенно образованного органического вещества в пробиотах. Отбор, возникающий уже на предбиологическом этапе, действовал не на отдельные молекулы, а на целостные фазово-обособленные структуры (Печуркин, 1988 г.).
Синтез живого шел из того, что давала среда – вещество и условия. Создав живое, среда непрерывно продолжала обеспечивать живое тем же – веществом и условием, непрерывно изменяясь вместе с живым по эволюционным законам. Ближе к истине не фазовая обособленность, а устойчивое неравновесие или коэволюция по Н. Моисееву.
Многие исследования происхождения жизни продолжают работы Опарина-Холдейна по химической эволюции, хемогенезу, возникновению сложных белковых форм из более простых соединений.
Академик Н. Юшкин предполагает, что «минералы могли послужить катализаторами для возникновения все более сложных углеводородов, передать первым биомолекулам часть своей структуры. Передавать в смысле информационном, генетическом.
Основная мысль, высказанная Н.П. Юшкиным – «многие биогенные и биологические процессы определяются базовыми для всей природы процессами кристаллизации, образования упорядоченной структуры. Образование биологических структур явилось переходом вещества на качественно новый уровень порядка».
Не вдаваясь в подробности концепции углеводородной кристаллизации жизни, посмотрим, с чем мы можем войти в эту проблему. По Опарину А.И. молекулярные «сгустки» в последующем скапливались в каплях, что и привело к возникновению предбиологических систем.
И здесь я напомню Вам о недавнем открытии «капельных кластеров» тюменским физиком Федорцом, которое, на мой взгляд, как нельзя, кстати, в поисках предбиологических систем.
Как правило, новейшие достижения математиков, физиков и химиков через много лет становятся достоянием других наук, и, как правило, в виде готовых рецептов, решений, рекомендаций.
Открытие капельных кластеров поражает, в основном, двумя сторонами. Первое – это то, что это явление близкое каждому, по существу часть повседневной жизни каждого человека, так долго не было известно. Второе – это доступность изучения. Спустя уже шесть лет после получения автором патента, об этом явлении знают лишь немногие. Это явление еще раз доказывает загадочность воды и льда и их неисчерпаемость. Очевидно, что придется уточнить и механизм фазовых переходов в связи с появлением промежуточной структуры.
Оказалось, что почти все жидкости при соответствующей температуре создают подобные структуры, а не только вода. Поэтому в ранней истории еще горячей Земли, когда возможно еще и воды не было, такие структуры существовали.
Капли в кластерах – это продукт конденсации пара, т.е. переход молекул в структуру с более сильными связями. С другой стороны, связи в структуре кластера, т.е. между каплями, продолжают оставаться слабыми.
Основные связи в кластере – водородные, те же что и между спиралями ДНК, в РНК и в белках.
Капли ныряют в жидкость, перенося с собой то, что в них успело соединиться, т.е. нет резкого скачка условий.
Скорее всего, наука еще не открыла тех явлений, которые учили бы будущую основу жизни структурироваться и двигаться не частицами, а структурами. Может это как раз, и были эти загадочные организованные капли? Приглядываясь, под впечатлением открытия к тому, что происходит в чашках и кастрюльках я заметил, что при разогревании мороженых ягод (-180С) в посуде, стоящей на раскаленной плите, над еще замороженными ягодами появляется тот же парок, в котором (но при t0C ~ +600C) и появляются капельные кластеры. Но замороженные ягоды на огне – это минимодель тропосферы и стратосферы: снизу тепло, посредине – холод, выше опять тепло. Та многослойная модель, где в широком диапазоне отрицательных и положительных температур могут образовываться капельные кластеры. Если в концепции Юшкина минералы катализируют возникновение сложных углеводородов, то капельные кластеры – мягкий минерал, пожалуй, ближе других к возможности концентрировать из первичного раствора многое, включая и компоненты необходимые для образования РНК и ДНК.
Кроме того, временной фактор опять же на стороне капельных кластеров как матрице для предбиологических структур. Водород и кислород ровесники первичной материи, участники всех процессов во Вселенной, т.е. их «генетическая» база куда древнее многокомпонентных монтморилонитов и других рассматриваемых, в гипотезах минеральных образований.
Я уже и не говорю об идеальной круглой форме капель и их устойчивом неравновесии — основе коэволюции со средой. Поверхность капли – прообраз первых биологических мембран. А если вспомнить, что все живое на 85-90 % — это Н2О, то предбиологическая эволюция также ровесница Вселенной. Впрочем, и наш любимый лед – тот еще «ветеран» миросозидания.
Союз криологии с биологией напрашивался уже с первых лет официального существования мерзлотоведения в СССР. Находки мамонтов, оживающие насекомые, добытые из мерзлоты, будоражили умы уже в первой половине прошлого века. А если вспомнить, что цивилизованная Европа в упор не видела явления вечной мерзлоты, даже по одной очевидной в ХIХ веке причине – лес на мерзлоте произрастать не может. Признание пришло от великого А. Гумбольдта и лишь затем мерзлота получила «право на существование» в европейской науке.
Сегодня работы по криобиологии можно читать как фантастику: ожившие гусеницы, бабочки, т.е. высокоорганизованные существа после длительного замораживания до -2690С, беспозвоночные – коловратки, нематоды переносили в высушенном состоянии глубокое охлаждение до -2710С. Так что жизнь в мерзлых породах в естественных условиях – это просто курортное существование для микроорганизмов.
Как показали керны со станции Восток, природа куда надежней человека сохраняла температурный режим, сотни тысяч лет обеспечивая плавность и охлаждения и прогревания то, что и нужно для адаптации.
То, что уже сегодня наши ученые получили из палеобиоты это, я уверен, только лишь удачное начало и основные открытия еще впереди. Главное определить свою нишу.
Мы поставили себе цель – получить из мерзлоты препараты для обеспечения качества жизни. При этом рассматривая микроорганизмы, как неотъемлемую составляющую льда или другой мерзлой породы. Тогда это наша ниша. Лед среда обитания или точнее – коэволюционизирующая система с устойчивым неравновесием. И вскоре получать лечебный эффект мы будем от препаратов изо льда, где существовала или существует, неважно, палеобиота. Уже сегодня Ю.Г. Суховей готовит косметические препараты, добывая действующий компонент из физраствора, где побывала стволовая клетка. Так же добудем целебные вещества изо льда, где жила бактерия.
Мы вместе с биологами должны еще проложить общую дорогу к пониманию функции льда в зарождении и поддержании жизни, в концепции периодически нарушаемого равновесия Элдриджа и Гоулда. Уж слишком много плюсов у льда по сравнению с другими средами.
Физсвойства таковы, что лед – это убежище от смертельных излучений, это термостат с минимальными температурными градиентами, это защита от химических и биологических мутагенов, это постоянно обновляющаяся среда.
Одной только силы трения микрообъема внутри льда достаточно для появления пленочной воды, и я уже говорил о водородных связях молекул льда, которые по какой-то «случайности» – основа связей в белках, РНК и ДНК.
У нас появилось свое направление, которое еще не узаконено, т.к. в старой системе дифференциации наук непонятно, где получать деньги – из бюджета наук о Земле или бюджета наук о жизни.
Сегодня выгодней второе, т.к. медицина входит в пятерку президентских приоритетов и во многие критические — биоинженерные, биомедицинские технологии.
В любом случае у нас появляются совершенно новые задачи в исследованиях криогенных и криогенетических образований, процессов и условий с теми же системными вопросами: Кто? Что? Где? Когда? Сколько? и Как?
Возьмем хотя бы последние результаты электронной микроскопии, полученные В.П. Роговым.
Картинки, вызывающие множество вопросов: почему эти шарики-бактерии находятся в середине микрожилы льда, размножаютсяя или нет, чем живут, куда уползают и зачем, если движутся, то какие механизмы и скорости и многое, многое другое…
По Л.М. Кондратьевой, В.И. Ивановой в свежем номере журнала «Биосфера» имеем: «В период замерзания воды на реках в криосфере происходят сложные продукционно-деструкционные процессы, которые по масштабам не уступают круговороту веществ в толще воды и донных отложениях». Вот Вам и первые выводы, свидетельствующие о масштабах жизни в современной криосфере. Так что вперед к открытиям.