ЕНКМ_3 часть
.pdfСоздание «умных» материалов, способных изменять свою структуру в зависимости от окружающей среды;
Создание материалов сверхпрочных, сверхлегких и
негорючих (на основе алмазоида).
Электроника, компьютерные технологии, робототехника:
Центральные процессоры – разработка процессоров нового прототипа;
Жесткие диски – запись данных на жесткие диски с атомарной плотностью информации;
Атомно-силовой микроскоп;
Антенна-осциллятор – создание антенн нового поколения для передачи огромных объёмов информации;
Плазмоны – развитие наноплазмоники: возможность регистрации наночастиц далеко за границами дифракционного предела, передача электромагнитного излучения вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний;
Молекулярные роторы – синтетические наноразмерные двигатели, способные генерировать крутящий момент при приложении к ним достаточного количества энергии;
Нанороботы – роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой, обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ;
Молекулярные пропеллеры – наноразмерные молекулы в
форме винта, способные совершать вращательные движения
191
благодаря своей специальной форме, аналогичной форме макроскопического винта.
Социальная сфера (экономика, образование, политика, экология):
Экономика будущего;
Образование будущего;
Использование молекулярных роботов в сельском
хозяйстве;
Новые образцы вооружений;
Использование нанотехники в решении экологических
проблем.
Промышленность и космонавтика:
Промышленность будущего;
Нанотехника;
Космический лифт.
Подумайте и ответьте:
1.Дайте определение термину нанотехнологии.
2.Что такое фуллерен и нанотрубки? Какими удивительными свойствами они обладают?
3.Выберите область человеческой деятельности и опишите перспективы использования в ней нанотехнологий.
192
ГЛАВА 3
§ 3.1. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ЗЕМЛИ
В этой статье описаны основные изменения, которые происходили с материками Земли, с ее растительным и животным миром в течение истории нашей планеты от ее появления до современного времени. Указаны основные пути развития, через которые прошла жизнь, выделены основные ее представители, обитавшие в различных природных условиях и в разные геологические эпохи. Общая схема эволюции животного мира на протяжении более одного миллиарда лет показана на рис. 3.1. Весь животный мир развился от общих предков – древних примитивных одноклеточных (1). От них произошли как различные одноклеточные (2, 3, 4), так и многоклеточные животные. По мере развития животного мира появлялись все более высокоорганизованные животные. Примитивные двухслойные (13) дали начало развитию двух различных эволюционных ветвей. При этом одна ветвь привела к развитию высших беспозвоночных: моллюсков, ракообразных, насекомых, а другая – к развитию позвоночных. Таким образом, эти две группы животных развивались независимо одна от другой. Цифрами указаны различные группы животных, как ныне существующие, так и некоторые вымершие, которые обозначены кружками с черным контуром.
193
Рис. 3.1: Схема развития животных. 1-первичные одноклеточные; 2-амебы; 3- инфузории; 4-жгутиковые; 5-первые колониальные жгутиконосцы; 6-губки; 7- низшие двухслойные многоклеточные; 8,9, 10-кишечнополостные: коралловые полипы, гидры, медузы; 11-плоские черви; 12-круглые черви; 13-древние гребневики; 14-гребневики; 15-примитивные кольчецы; 16,17,18-моллюски: брюхоногие (улитка, двустворчатая ракушка), головоногие (кальмар); 19ракообразные; 20-паукообразные; 21-многоножки; 22-насекомые; 23кольчатые черви (дождевой червь); 24-морские кольчецы; 25-морские лилии; 26 - иглокожие; 27-морские звезды; 28-низшие хордовые; 29-ланцетник (бесчерепные); 30-древние рыбы; 31-современные рыбы; 32-кистеперые рыбы; 33-земноводные; 34-древние пресмыкающиеся (динозавры); 35пресмыкающиеся; 36-птицы; 37-млекопитающие.
194
3.1.1. Архейская и протерозойская эры (от возникновения планеты до 540 млн. лет назад)
Эти эпохи продолжались с момента образования Земли до появления первых многоклеточных организмов примерно 540 млн. лет назад. Возраст древнейших из известных нам горных пород составляет всего 3.9 млрд. лет, так что о юности нашей планеты известно ничтожно мало. Причем даже эти горные породы претерпели за миллиарды лет столь большие трансформации, что мало о чем могут нам рассказать. Примерно 2-3 млрд. лет назад начали формироваться ядра континентов разделенных водными пространствами. К концу протерозоя они объединились в первый сверхконтинент Пангею, который включал Африку в центре, Америку, Европейскую и Сибирскую (Русскую) плиты на севере и Антарктиду, Австралию, Индию и Аравию на юге.
Архейская эра. Первые остатки и признаки деятельности живых организмов датируются возрастом 3.5 млрд. лет (отложения в Южной Африке). Жизнь могла появиться только тогда, когда сложились для этого благоприятные условия, в первую очередь, благоприятная температура. Живая материя, помимо других веществ, построена из белков. Поэтому к моменту происхождения жизни температура на земной поверхности должна была упасть настолько, чтобы белки не разрушались. Многие исследователи, изучающие проблему происхождения жизни на Земле, полагают, что жизнь зародилась на морском мелководье в результате сложных физико-химических процессов, присущих неорганической материи. Определенные
195
химические соединения образуются в определенных условиях, а вероятность возникновения сложных органических соединений особенно высока для атомов углерода вследствие их специфических особенностей. Именно поэтому углерод стал тем строительным материалом, из которого по законам физики и химии возникли самые сложные органические соединения. Молекулы отнюдь не сразу достигли нужной степени сложности, поэтому можно говорить о химической эволюции, процесс которой был довольно медленным.
Первые живые организмы могли питаться исключительно органическими веществами, т.е. они были гетеротрофными. Но исчерпав запасы органического вещества в своем ближайшем окружении, в ходе эволюции некоторые организмы (растения) приобрели способность поглощать энергию солнечных лучей и с ее помощью расщеплять воду на составляющие элементы. Используя водород, они смогли перерабатывать углекислый газ в углеводы и строить из него другие органические вещества в своем теле (процесс фотосинтеза). С появлением автотрофных организмов началось накопление свободного кислорода в атмосфере и стало резко увеличиваться общее количество органического вещества на Земле. Сразу после формирования нашей планеты атмосфера содержала много водорода и гелия, но они постепенно испарились в космос и заменились метаном, азотом и углекислым газом, которые выделялись горными породами. И лишь в результате появления и деятельности живых организмов в атмосфере началось накопление кислорода, который стал необходим для дальнейшего развития жизни.
196
Живые организмы того времени могли существовать исключительно в водной среде, так как толща воды уменьшала губительное воздействие ультрафиолетового излучения из космоса, а также ряда вредных веществ, токсическое действие которых снижалось при растворении. Кроме того, значительные колебания температуры в воде были более сглажены. В конце архейской эры произошло разделение живых существ на прокариоты и эукариоты. Предполагают, что встречающийся в отложениях того времени графит имеет органическое происхождение и его количество соответствует количеству живой материи того времени. Первым материальным свидетельством зарождения жизни стали стромалолиты – слоистые структуры, образованные цианобактериями.
Протерозойская эра. В это время продолжается дальнейшее развитие живого: происходит четкое разделение трех царств эукариот на растения, грибы и животных. Особенно широко распространены одноклеточные водоросли, появляются первые многоклеточные зеленые водоросли и низшие грибы (1.4 млрд. лет назад). Животные представлены простейшими, а позднее обнаруживаются первые многоклеточные – представители типов губки и кишечнополостные. Эти примитивные существа еще не имели ни известкового скелета, но изредка находят отпечатки их тел. На существование более крупных живых существ (червей), показывают четкие зигзагообразные отпечатки, следы ползания, а также остатки «норок», обнаруженные в осадках морского дна. В 1947 г. австралийским ученым Р.К. Сприггсом в холмах Эдиакары (Южная Австралия) была открыта чрезвычайно интересная фауна. Оказалось, что большинство видов
197
животных эдиакарской фауны существовавшей 600 млн. лет назад относится к неизвестным ранее группам бесскелетных организмов. Одни из них принадлежат к предкам медуз губок, членистоногих, другие напоминают червей – аннелид. Большинство животных того времени вели придонный образ жизни (моллюски), что объясняется сосредоточением на дне растений и органических веществ, которые служили им пищей. На рис. 3.2 показаны некоторые организмы эдиакарской фауны.
Рис. 3.2: Поздний протерозой: 1-водоросли, 2-губки, 3,6-кишечнополосные (3- медузы, 6- восьмилучевые кораллы), 4,8-кольчатые черви, 5-иглокожие, 7- членистоногие, 9-строматолиты (образованы цианобактериями).
3.1.2. Палеозойская эра: Кембрийский период (от 540 до 488 млн. лет назад)
Начало этому периоду положил поразительной силы эволюционный взрыв, в ходе которого на Земле впервые появились представители большинства основных групп животных, известных современной науке. Граница между докембрием и кембрием проходит по горным породам, в которых внезапно обнаруживается удивительное разнообразие окаменелостей животных с
198
минеральными скелетами – результат «кембрийского взрыва» жизненных форм.
В кембрийском периоде большие пространства суши были заняты водой, а первый сверхматерик Пангея разделился на два континента – северный (Лавразию) и южный (Гондвану). Соблюдается значительный размыв суши, вулканическая деятельность была весьма интенсивной, материки то опускались, то поднимались, в результате формировались отмели и мелководные моря, которые иногда пересыхали на несколько миллионов лет, а затем вновь заполнялись водой. В это время появились наиболее старые горы в западной Европе (Скандинавские) и в центральной Азии (Саяны).
Все животные и растения обитали в море, однако, приливноотливная зона уже была заселена микроскопическими водорослями, которые образовывали наземные водорослевые корки. Считается, что в это время начали появляться первые лишайники и наземные грибы. Животный мир того времени, впервые открытый в 1909 г. в горах Канады Ч. Уолкоттом, был представлен в основном донными организмами, такими, как археоциаты (аналоги кораллов), губки, различные иглокожие (морские звезды, морские ежи, морские огурцы и др.), черви, членистоногие (разнообразные трилобиты, мечехвосты). Последние были наиболее распространенной формой живых существ того времени (примерно 60% всех видов животных были трилобитами, которые состояли из трех частей – головы, туловища и хвоста). Все они вымерли к концу пермского периода, из мечехвостов до наших дней сохранились лишь представители одного семейства. Примерно 30% кембрийских видов представляли плеченогие
199
(брахиоподы) – морские животные с двустворчатой раковиной, похожие на моллюсков. От перешедших к хищничеству трилобитов появляются ракоскорпионы длиной до 2 м. В конце кембрийского периода возникают головоногие моллюски, в том числе сохранившийся до сих пор род наутилиусов, и из иглокожих - примитивные хордовые (оболочники и бесчерепные). Появление хорды, придававшей телу жесткость, явилось важным событием в истории развития жизни.
3.1.3. Палеозойская эра: Ордовикский и Силурийский периоды (от 488 до 416 млн. лет назад)
В начале ордовикского периода большая часть южного полушария была по-прежнему занята великим материком Гондваной, в то время как прочие крупные массивы суши сосредоточились ближе к экватору. Европу и Северную Америку (Лаврентию) отодвинул дальше друг от друга расширяющийся океан Япетус. Сначала этот океан достиг ширины примерно 2 000 км, затем вновь начал сужаться по мере того, как массивы суши, образующие Европу, Северную Америку и Гренландию, стали постепенно сближаться, пока, наконец, не слились в единое целое. В течение силурийского периода Сибирь «подплыла» к Европе (образовался Казахский мелкосопочник), Африка столкнулась с южной частью Северной Америки, и в итоге родился новый гигантский сверхматерик Лавразия.
200