Влияние радиации на происхождение жизни

Вступив в новый  21 век, мир все больше и больше сталкивается с целым рядом глобальных проблем. Проблемы эти особого рода. Они затрагивают не только жизнь какого-то определенного государства или группы государств, а и интересы  всего человечества. Значение этих проблем для  судьбы нашей цивилизации настолько велико, что их нерешенность создает угрозу для будущих поколений людей.

Одним из многих факторов, оказывающих значительное влияние на окружающую человека среду, является радиация.

Радиоактивность отнюдь не новое явление; новизна состоит в том, как люди пытаются её использовать. Ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой Земли. Радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого её рождения. И, совершенно неизбежно, что и жизнь на Земле возникла и продолжает развиваться в условиях постоянного облучения. Радиационный фон Земли складывается из трех компонентов:

    1. космическое излучение;
    2. излучение от рассеянных в земной коре, воздухе и других объектах внешней среды природных радионуклидов;
    3. излучение от искусственных (техногенных) радионуклидов.

Рассмотрим, как развивалась жизнь на Земле, и какую роль сыграло в этом радиоактивное излучение.

Теории, касающиеся возникновения Земли и жизни на ней,  да  и  всей Вселенной,  разнообразны  и  далеко  не  достоверны.  Согласно   теории стационарного состояния, Вселенная существовала вечно. Согласно  другим гипотезам, Вселенная могла возникнуть из сгустка нейтронов в результате «Большого взрыва», родилась в одной из черных дыр или же  была  создана Творцом.

Среди множества теорий  возникновения  жизни  на  Земле  рассмотрим основные:

жизнь  была  создана  сверхъестественным  существом  в  определенное   время (креационизм)

жизни  возникала  неоднократно  из   неживого   вещества   (самопроизвольное зарождение)

жизнь существовала всегда (теория стационарного состояния)

жизнь занесена на нашу планету извне (панспермия)

жизнь  возникла  в  результате   процессов,   подчиняющихся   химическим   и физическим законам (биохимическая эволюция)

В данном случае имеет смысл рассмотреть подробнее только теорию биохимической эволюции. 

Среди астрономов, геологов и биологов принято считать, что  возраст Земли составляет примерно 4,5 – 5 млрд. лет.

По мнению многих биологов, в прошлом состояние нашей  планеты  было мало похоже на нынешнее: вероятно температура на поверхности была очень высокой (4000 - 8000(С), и по мере того, как Земля остывала, углерод  и более тугоплавкие металлы конденсировались и  образовали  земную  кору; поверхность планеты была, вероятно, голой и неровной, так как на ней  в результате вулканической активности, подвижек и сжатий коры,  вызванных охлаждением, происходило образование складок и разрывов. 

Полагают, что гравитационное поле еще недостаточно плотной  планеты не могло удерживать легкие  газы:  водород,  кислород,  азот,  гелий  и аргон, и они уходили из атмосферы. Но  простые  соединения,  содержащие среди прочих эти элементы (вода, аммиак, CO2 и метан). До тех пор, пока температура  Земли  не  упала  ниже  100(C,  вся  вода   находилась   в парообразном    состоянии.     Атмосфера     была,     по     видимому, «восстановительной», о чем  свидетельствует  наличие  в  самых  древних горнах   породах   металлов   в   восстановленной   форме    (например, двухвалентное  железо).  Более  молодые  породы  содержат   металлы   в окисленной  форме  (Fe3+).   Отсутствие   кислорода,   вероятно,   было необходимым  условием   для   возникновения   жизни.

В  1923  г.  А.И.  Опарин,  исходя  из  теоретических  соображений, высказал мнение,  что  органические  вещества,  возможно  углеводороды, могли создаваться в океане из более  простых  соединений.  Энергию  для этих  процессов  поставляла  интенсивная  солнечная  радиация,  главным образом ультрафиолетовое излучение, падавшее  на  Землю  до  того,  как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее  часть.  По мнению Опарина, разнообразие находившихся в океанах простых соединений, площадь поверхности  Земли,  доступность  энергии  и  масштабы  времени позволяют   предположить,   что   в   океанах   постепенно   накопились органические вещества и образовался «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь.

Таким образом, можно утверждать, что без определенной доли радиации не появились бы на Земле живые организмы. Но без атмосферы, ни один живой организм не прожил бы и нескольких минут. 

Атмосфера начала образовываться вместе с формированием Земли. В процессе эволюции планеты и по мере приближения ее параметров к современным значениям произошли принципиально качественные изменения ее химического состава и физических свойств. Согласно эволюционной модели, на раннем этапе Земля находилась в расплавленном состоянии и около 4,5 млрд. лет назад сформировалась как твердое тело. Этот рубеж принимается за начало геологического летоисчисления. С этого времени началась медленная эволюция атмосферы. Некоторые геологические процессы, (например, излияния лавы при извержениях вулканов) сопровождались выбросом газов из недр Земли. В их состав входили азот, аммиак, метан, водяной пар, оксид СО и диоксид СО2 углерода. Под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации водяной пар разлагался на водород и кислород, но освободившийся кислород вступал в реакцию с оксидом углерода, образуя углекислый газ. Аммиак разлагался на азот и водород. Водород в процессе диффузии поднимался вверх и покидал атмосферу, а более тяжелый азот не мог улетучиться и постепенно накапливался, становясь основным компонентом, хотя некоторая его часть связывалась в молекулы в результате химических реакций. Под воздействием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов смесь газов, присутствовавших в первоначальной атмосфере Земли, вступала в химические реакции, в результате которых происходило образование органических веществ, в частности аминокислот. С появлением примитивных растений начался процесс фотосинтеза, сопровождавшийся выделением кислорода. Этот газ, особенно после диффузии в верхние слои атмосферы, стал защищать ее нижние слои и поверхность Земли от опасных для жизни ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Согласно теоретическим оценкам, содержание кислорода, в 25 000 раз меньшее, чем сейчас, уже могло привести к формированию слоя озона со всего лишь вдвое меньшей, чем сейчас, концентрацией. Однако этого уже достаточно, чтобы обеспечить весьма существенную защиту организмов от разрушительного действия ультрафиолетовых лучей.

Вероятно, что в первичной атмосфере содержалось много углекислого газа. Он расходовался в ходе фотосинтеза, и его концентрация должна была уменьшаться по мере эволюции мира растений, а также из-за поглощения в ходе некоторых геологических процессов. Поскольку парниковый эффект связан с присутствием углекислого газа в атмосфере, колебания его концентрации являются одной из важных причин таких крупномасштабных климатических изменений в истории Земли, как ледниковые периоды. 

Присутствующий в современной атмосфере гелий большей частью является продуктом радиоактивного распада урана, тория и радия. Эти радиоактивные элементы испускают a-частицы, которые представляют собой ядра атомов гелия. Поскольку в ходе радиоактивного распада электрический заряд не образуется и не исчезает, с образованием каждой a-частицы появляются по два электрона, которые, рекомбинируя с a-частицами, образуют нейтральные атомы гелия. Радиоактивные элементы содержатся в минералах, рассеянных в толще горных пород, поэтому значительная часть гелия, образовавшегося в результате радиоактивного распада, сохраняется в них, очень медленно улетучиваясь в атмосферу. Некоторое количество гелия за счет диффузии поднимается вверх в экзосферу, но благодаря постоянному притоку от земной поверхности, объем этого газа в атмосфере почти не меняется. На основании спектрального анализа света звезд и изучения метеоритов можно оценить относительное содержание различных химических элементов во Вселенной. Концентрация неона в космосе примерно в десять миллиардов раз выше, чем на Земле, криптона – в десять миллионов раз, а ксенона – в миллион раз. Отсюда следует, что концентрация этих инертных газов, по-видимому, изначально присутствовавших в земной атмосфере и не пополнявшихся в процессе химических реакций, сильно снизилась, вероятно, еще на этапе утраты Землей своей первичной атмосферы. Исключение составляет инертный газ аргон, поскольку в форме изотопа 40Ar он и сейчас образуется в процессе радиоактивного распада изотопа калия.