1.3.Теоретическая судьба Вселенной.

Весь окружающий нас мир представляет собой Вселенную. Точно не известно существовала ли она вечно или же образовалась из чего-то. На данный момент наиболее популярная теория её возникновения - "Теория Большого взрыва". По этой теории вселенная произошла в результате мощнейшего взрыва из которого образовалось пространство и время, с тех пор Вселенная продолжает расширяться. Дальнейшая ее судьба не известна. Отсюда возникают различные теории конца Вселенной. Долгосрочный расчёт будущего Вселенной напрямую зависит от процесса расширения Вселенной: будет ли он бесконечно долго ускоряться, или скорость его расширения будет постоянной на протяжении значительного времени, или же в какой-то момент Вселенная начнет сжиматься. Считается, что это зависит от средней плотности Вселенной (т. н. критической плотности).

Существует три основных сценария конца Вселенной: Большое замерзание, Большое сжатие(теория хруста) и Большой разрыв.

Одним из сценариев конца Вселенной является теория "Большого замерзания". В этом случае, Вселенная будет расширяться, и всё во Вселенной будет удаляться дальше и дальше друг от друга. Удаляясь, объекты будут остывать. У звезд будет постепенно заканчиваться топливо и они будут умирать, при этом не будут образовываться новые звезды, так как рядом не будет никаких других частиц. Так, одна за другой, звезды умрут и не будут больше производить тепло. Вселенная остынет и станет холодной и безжизненной.

Согласно теории "Большого сжатия", если плотность Вселенной больше так называемой критической плотности, то на определенном этапе силы гравитации остановят расширение вселенной и запустится обратный процесс. Вселенная начнет сжиматься. Со временем материя начнет коллапсировать в черные дыры, которые затем начнут срастаться между собой образуя единую черную дыру. Таким образом вселенная снова схлопнется в сингулярность, а затем возможно произойдет новый Большой взрыв, и все начнется по новому. С этим сценарием связано множество других интересных теорий, в частности о том, что в результате сжатия Вселенной возможно, что время пойдет в обратном направлении.

Ну и третий сценарий - "Большой разрыв". Большинство ученых не верит в этот сценарий. Современные теории Вселенной утверждают, что Вселенная расширяется с постоянным ускорением. По сценарию же Большого разрыва, расширение Вселенной будет происходить все с большим ускорением, в результате ускорение достигнет таких значений, что фундаментальные силы (такие, как те, что удерживают атомы вместе) не будут иметь эффекта, и все разорвется.

2. Теория возникновения жизни и биосферы.

2.1.Зарождение жизни.

Проблема происхождения жизни не только привлекает к себе пристальное внимание ученых разных стран и специальностей, но интересует вообще всех людей мира. С момента возникновения жизни природа находится в непрерывном развитии. Процесс эволюции длится уже сотни миллионов лет, и его результатом является то разнообразие форм живого, которое во многом до конца еще не описано и не классифицировано.

Существует несколько теорий зарождения жизни на планете. Наиболее известными к настоящему времени теориями возникновения жизни являются следующие.

Креационизм. Согласно этой теории жизнь была создана сверхъестественным существом – Богом в определенное время. Этого взгляда придерживаются последователи почти всех религиозных учений. Однако и среди них нет единой точки зрения по этому вопросу, в частности, по трактовке традиционного христианско-иудейского представления о сотворении мира (Книга Бытия).

Одни буквально понимают Библию и считают, что мир и все населяющие его живые организмы были созданы за шесть дней продолжительностью по 24 часа. В 1650 г. архиепископ Ашер, сложив возраст всех людей, упоминающихся в библейской генеалогии, вычислил, что Бог приступил к сотворению мира в октябре 4004 г. до н.э. и закончил свой труд в декабре 23 октября в 9 часов утра, создав человека. При этом, правда, получается, что Адам был сотворен в то время, когда на Ближнем Востоке уже существовала хорошо развитая городская цивилизация.

Другие же не относятся к Библии как к научной книге и считают, что главное в ней – божественное откровение о создании мира всемогущим Творцом в понятной для людей древнего мира форме. Другими словами, Библия не отвечает на вопросы «каким образом?» и «когда?», а отвечает на вопрос «почему?». В широком смысле креационизм допускает, таким образом, как создание мира в его законченном виде, так и создание мира, эволюционирующего по законам, заданным Творцом.

Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения. Однако для верующего теологическая (божественная) истина абсолютна и не требует доказательств. В то же время, для настоящего ученого научная истина не является абсолютной, она всегда содержит элемент гипотезы.

Таким образом, концепция креационизма автоматически выносится за рамки научного – исследования, поскольку наука занимается лишь теми явлениями, которые поддаются наблюдению, могут быть подтверждены или отвергнуты в ходе исследований (принцип фальсифицируемости научных теорий). Другими словами, наука никогда сможет ни доказать, ни опровергнуть креационизм.

Теория панспермии. Согласно этой теории жизнь была занесена на Землю извне, поэтому ее, в сущности, нельзя считать теорией возникновения жизни как таковой.

Она не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а просто переносит проблему происхождения жизни в какое-то другое место Вселенной

Теория самопроизвольного зарождения жизни. Теория возникновения жизни из неживого вещества.

Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне, Египте. Аристотель, которого часто называют основателем биологии, развивая более ранние высказывания Эмпедокла об эволюции живого, придерживался теории самопроизвольного зарождения жизни. Он считал, что «..живое может возникать не только путем спаривания животных, но и разложением почвы.».

С распространением христианства эта теория оказалась в одной проклятой церковью «обойме» с оккультизмом, магией, астрологией, хотя и продолжала существовать где-то на заднем плане, пока не была опровергнута экспериментально в 1688 г. итальянским биологом и врачом Франческо Реди. Принцип «Живое возникает только из живого» получил в науке название Принципа Реди. Так складывалась концепция биогенеза, согласно которой жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни.

В середине XIX века Л. Пастер окончательно опроверг теорию самопроизвольного зарождения и доказал справедливость теории биогенеза.

Концепция стационарного состояния жизни.

По мнению В. И. Вернадского, нужно говорить об извечности жизни и проявлений её организмов, как мы говорим об извечности материального субстрата небесных тел, их тепловых электрических, магнитных свойств и их проявлений. Всё живое произошло от живого (принцип Реди). Отлична от первой гипотезы но имеет одинаковую мативацию.

Примитивные одноклеточные организмы могли возникнуть только в биосфере Земли, а также в биосфере Вселенной. По мнению Вернадского, естественные науки построены на предположении, что жизнь с её особыми качествами не принимает никакого участия в жизни Вселенной. Но биосферу нужно брать как целое, как единый живой космический организм (тогда и отпадает вопрос о начале живого, о скачке от неживого к живому).

Теория биохимической эволюции. Жизнь возникла в специфических условиях древней Земли в результате процессов, подчиняющимся физическим и химическим законам. Последняя теория отражает современные естественнонаучные взгляды и поэтому будет рассмотрена подробнее.

Сейчас считается общепризнанным, что возникновение жизни на Земле представляло собой закономерный процесс, вполне поддающийся научному исследованию. В основе этого процесса лежала эволюция соединений углерода которая происходила во Вселенной задолго до возникновения нашей Солнечной системы и лишь продолжалась во время образования планеты Земля – при формировании ее коры, гидросферы и атмосферы.

Вопрос о происхождении жизни труден в исследовании, потому, что, когда наука подходит к проблемам развития как создания качественно нового, она оказывается у предела своих возможностей как отрасли культуры, основанной на доказательстве и экспериментальной проверке утверждений. Ученые сегодня не в состоянии воспроизвести процесс возникновения жизни с такой же точностью, как это было несколько миллиардов лет назад. Даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь модельным экспериментом, лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на Земле. Трудность — в невозможности проведения прямого эксперимента по возникновению жизни (уникальность этого процесса препятствует использование основного научного метода).

Вопрос происхождении жизни интересен не только сам по себе, но и тесной связью с проблемой отличия живого от неживого, а также связью с проблемой эволюции жизни. Для понимания закономерностей эволюции органического мира на Земле необходимо иметь общее представления об эволюции и основных свойствах живого. Для этого необходимо охарактеризовать живые существа с точки зрения их некоторых особенностей и выделить основные уровни организации жизни.

Когда-то считалось, что живое можно отличить от неживого по таким свойствам, как обмен веществ, подвижность, раздражимость, рост, размножение, приспособляемость. Но анализ показал, что порознь все эти свойства встречаются и среди неживой природы, и поэтому не могут рассматриваться как специфические свойства живого.В одной из последних и наиболее удачных попыток дать определение понятию жизнь, живое характеризуется следующими особенностями, сформулированными Б. М. Медниковым в виде определения теоретической биологии:

«Жизнь – процесс существования биологических систем (например, клетка, организм растения, животного), основу которых составляет сложные органические вещества и способные самовоспроизводиться, поддерживать свое существование в результате обмена энергией, веществом и информацией со средой».

Примечание.

В настоящее время существует несколько научных определений жизни, но все они не точны. Одни из них настолько широки, что под них попадают такие неживые объекты, как огонь или кристаллы минералов. Другие - слишком узки, и в соответствии с ними мулы, не дающие потомства, не признаются живыми.

Одно из наиболее удачных определяет жизнь как самоподдерживающуюся химическую систему, способную вести себя в соответствии с законами дарвиновской эволюции.

Это значит, что, во-первых, группа живых особей должна производить подобных себе потомков, которые наследуют признаки родителей. Во-вторых, в поколениях потомков должны проявляться последствия мутаций - генетических изменений, которые наследуются последующими поколениями и обуславливают популяционную изменчивость. И в-третьих, необходимо, чтобы действовала система естественного отбора, в результате которого одни особи получают преимущество перед другими и выживают в изменившихся условиях, давая потомство.

Итак жизнь на Земле зародилась ещё в архее — примерно 3,5 млрд. лет назад. Такой возраст имеют найденные палеонтологами древнейшие органические остатки. Возраст Земли как самостоятельной планеты Солнечной системы оценивается в 4,5 млрд. лет (Рис.8).

Таким образом, можно считать, что жизнь зародилась ещё в юношескую стадию жизни планеты.

Установлено, что первичная атмосфера состояла преимущественно из паров воды, метана, аммиака, углекислого газа, водорода, к ним примешивались инертные газы – аргон, гелий, криптон, ксенон и выделившиеся при вулканических извержениях газообразные сероводород, фтористый водород, хлористый водород и др. Первые несколько сотен миллионов лет после образования атмосфера имела температуру близкую к 6000С. Естественно, что никакой жизни в этот период быть не могло.

На дальнейшие процессы на Земле мнения ученых расходятся. Одни считают, что приблизительно 4 млрд. лет назад атмосфера разогрелась настолько, что «покинула планету». Этому способствовало два фактора: энергия Солнца и энергия соударяющихся с древней Землей крупных небесных тел. Породы, имеющие возраст 3.8 млрд. лет, следов метаморфизма уже не имеют. С другой стороны, наличие сине-зеленых водорослей в отложениях этого возраста однозначно свидетельствуют о снижении температуры первичного океана существенно ниже 1000С. Таково мнение подавляющего большинства ученых и геологов в первую очередь.

Другие специалисты, планетологи, считают, что 4 млрд. лет назад в результате некоего катаклизма произошел разрыв земной коры, приведший к тектонике плит, образованию Пангеи и океана. То, что древние земные базальты подвергались переплавлению, геологам хорошо известно. Но в чем причина необычайно сильной метаморфизации базальтовой коры остается до сих пор загадкой. Причем, экспериментально установлено, что подобный метаморфизм происходит при давлении около 10 000 атм. и температуре не менее 1000 0С.

(Рис.8)Земля 4,5 млрд. лет назад.

Сравнительно недавно группа американских ученых под руководством К.Шульца выявила в Северной Америке грандиозные ударные кратеры диаметром 1000 и 2800 км, что подтверждает гипотезу о столкновении Земли с крупным небесным телом (телами) в то время. В результате такого столкновения, приповерхностная часть планеты разогрелась настолько, что скорость молекул газов, составляющих первичную атмосферу, резко возросла, и эта атмосфера «ушла в Космос». Немаловыжную роль здесь сыграло, видимо, и то обстоятельство, что масса Земли в этот период была незначительной.

Далее, достаточно быстрое падение атмосферного давления с одной стороны, резко снизило температуру самой атмосферы, а с другой – стимулировало выделение газов из повторно (частично) расплавившейся коры. То есть фоном при завершении метаморфизма горных пород служило быстрое наращивание новой атмосферы и окутывание перерожденной Земли оболочкой из пара и вулканических газов. Этому способствовало и быстрое накопление в тот период космического вещества на Земле, увеличившего массу планеты до такого уровня, что она смогла уже надежно удерживать газы своей атмосферы.

По мере охлаждения атмосферы начались проливные дожди, активизировавшие процесс окисления горных пород и приведшие к поступлению в окружающее пространство первых порций свободного кислорода. В состав вторичной атмосферы нашей планеты входили метан (СН4), аммиак (NН3), углекислый газ (СО2), водород (Н2) и др. Однако в атмосфере Земли не было еще того количества кислорода и азота – важнейших составляющих веществ для дальнейшей эволюции живой материи, свойственной современной земной атмосфере (78% азота, 21% кислорода, около 1% аргона и др. газов). Азот атмосферы в дальнейшем мог образоваться в результате постепенного распада аммиака и выделения газообразного азота при вулканической деятельности. Водород постепенно накапливался в верхних слоях атмосферы на высотах ~100 км.

Следует подчеркнуть одно из важнейших отличий теории биохимической эволюции от теории самопроизвольного (спонтанного) зарождения, а именно: согласно этой теории жизнь возникла в условиях, которые для современной биоты непригодны!

О возникновении жизни и начале ее эволюции можно говорить с того момента, как органические молекулы самоорганизовывались в структуры, которые смогли воспроизводить самих себя.

Это были одноклеточные синезеленые и многоклеточные водоросли. Свойства этих древнейших организмов определялись условиями внешней среды, в частности составом земной атмосферы. В процессе фотосинтеза, усваивая из атмосферы углекислый газ, они обогащали ее кислородом.

Увеличение содержания кислорода в водной среде и атмосфере стало ведущим

экологическим фактором развития жизни на Земле. Именно фотосинтезирующие микроскопические водоросли предопределили образование высокоорганизованной жизни и биосферы в целом.

Примечание.

Вопрос об источниках насыщения земной атмосферы кислородом до сих пор остается дискуссионным. Многие исследователи считают, что основную роль в этом процессе сыграл в дальнейшем фотосинтез зеленых растений. Незначительная часть кислорода могла образоваться вследствие фотолиза воды под воздействием ультрафиолетовых лучей. В.И.Богатов в середине 80-х годов высказал идею (на основании многочисленных фактов и доказательств) о существовании, кроме фотосинтеза, второго, не менее мощного источника формирования кислородной атмосферы – глубинного (океанического). По его гипотезе, кислород образуется в океанических впадинах при извержении базальтов и поступает в океанические воды. Этот процесс мог иметь существенное значение для насыщения атмосферы кислородом на ранних этапах эволюции планеты. И действительно, установлено, что 3.8 млрд. лет назад в земной атмосфере имелся кислород, а в океане была уже примитивная жизнь.

Фотосинтез радикально изменил атмосферу Земли, наполнив ее кислородом, и положил начало разделению единого ствола жизни на две ветви - растения и животные. Начался процесс почвообразования на суше.

Естественный отбор развил способность организмов адаптироваться к динамичной природной среде. Так, насыщение водной среды кислородом оказалось гибельным для большинства анаэробных представителей органической жизни и только немногие виды смогли приспособиться к новым условиям.

Примечание.

Анаэробы — организмы, получающие энергию при отсутствии доступа кислорода путем субстратного фосфорилирования, конечные продукты неполного окисления субстрата при этом могут быть окислены с получением большего количества энергии в виде АТФ в присутствии конечного акцептора протонов организмами, осуществляющими окислительное фосфорилирование.

Фотосинтез (от греч. (рсохо- — свет и аЬхвгок; — синтез, совмещение, помещение вместе) — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция — совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества.

В конце архея началось размножение видов живых организмов, появился половой процесс и многоклеточность у животных организмов.

В конце мезозойской эры, примерно 200 млн. лет назад, произошло очень важное событие - появление млекопитающих.

Основной источник биохимической активности организмов - солнечная энергия, используемая в процессе фотосинтеза зелёными растениями и некоторыми микроорганизмами для создания органического вещества, обеспечивающего пищей и энергией все остальные организмы.

Благодаря деятельности фотосинтезирующих организмов около 2 млрд. лет назад началось накопление в атмосфере свободного кислорода, затем образовался озоновый слой, защищающий от жесткого космического излучения (Рис. 8).

Примечание.

Озоновый слой – часть стратосферы на высоте am 12 до 50 км (в тропических широтах 25 - 30 км, в умеренных 20 - 25, в полярных 15-20), в котором под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца кислород (О2) ионизируется, приобретая третий атом кислорода, и получается озон (ОЗ).

Рис. 8 Озоновый слой.

Относительно высокая концентрация озона (около 8 мл/м³) поглощает опасные ультрафиолетовые лучи и защищает всё живущее на суше от губительного излучения. Озоновый слой - уникальная самосбалансированная система. Чем больше УФ-излучения достигает поверхности Земли, тем более интенсивно кислород превращается в озон. Чем больше озона в атмосфере - тем больше УФ излучения он поглощает. Более того, если бы не озоновый слой, то жизнь не смогла бы вообще выбраться из океанов] и высокоразвитые формы жизни типа млекопитающих, включая человека, не возникли бы.

Наибольшая плотность озона встречается на высоте около 20 - 25 км, наибольшая часть в общем объём на высоте 40 км. Если бы можно было извлечь весь озон, находящийся в атмосфере, и сжать под нормальным давлением, то в результате вышел бы слой, покрывающий поверхность Земли толщиной всего 3 мм. Для сравнения, вся сжатая под нормальным давлением атмосфера составляла бы слой в 8 км.

Открывателями озонового слоя были французские физики Шарль Фабри и Анри Буиссон. В 1913 году им удалось с помощью спектроскопических измерений ультрафиолетового излучения доказать существование озона в отдалённых от Земли слоях атмосферы.

Фотосинтез и дыхание зеленых растений поддерживают современный газовый состав атмосферы. Появление кислорода в первичной бескислородной атмосфере Земли рассматривается как важнейший этап эволюции биосферы.

Питание, дыхание и размножение организмов и связанные с ними процессы создания, накопления и распада органического вещества обеспечивают постоянный круговорот вещества и энергии.

С этим круговоротом связана миграция атомов химических элементов — их биогеохимические циклы, в ходе которых атомы большинства химических элементов проходят бесчисленное число раз через живое вещество.

Так, например, весь кислород атмосферы оборачивается через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ - за 200-300 лет, а вся вода биосферы за 2 млн. лет. Разные организмы в разной степени способны аккумулировать из среды обитания различные элементы: содержание углерода в растениях в 200 раз, а азота - в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, Cr, S, P, N, W т.е. железо, марганец, хром,сера,фосфор,азот, вольфрам) создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода и т.п. Большим разнообразием органических соединений характеризуется состав самих организмов. Благодаря живому веществу на планете образовались почвы и органоминеральное топливо.

Биосфера - это самый мощный аккумулятор солнечной энергии благодаря фотосинтезу растений. Подсчитано, что только фитопланктон океана поглощает 0,04 % солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли. За геологическую историю Земли биосфера накопила в недрах колоссальное количество энергии - в толщах углей, нефти, скоплениях горючего газа и горючих сланцев, которыми сейчас человечество широко пользуется. Организмы - важные породообразователи земной коры.

Биосфера, её биохимическая деятельность обеспечивает планетарное равновесие на Земле - равновесное состояние газов, состава природных вод, круговорот вещества.

Образование живого вещества и аккумуляция им энергии сопровождается одновременно и диаметрально противоположными процессами - распадом органических соединений и превращением их в простые минеральные соединения С02, воду, аммиак (NH3) с освобождением энергии; в этом и состоит сущность

биологического круговорота вещества. Начался процесс почвообразования на суше.

Примечание.

Валентность (от лат. valens - имеющий силу) - способность атомов химических элементов образовывать определенное число химических связей с атомами других элементов.

2.2. Характеристики биосферы. Местоположение биосферы.

Биосфера располагается на пересечении верхней части литосферы, нижней части атмосферы и занимает почти всю гидросферу (Рис.9).

Рис.9 Границы биосферы.

Границы биосферы:

-верхняя граница в атмосфере: 15-20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое УФ-излучение, губительное для живых организмов. -нижняя граница в литосфере: 3,5 - 7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами. -расстояние между нижней границей атмосферы и литосферы в гидросфере: 10 -11 км. Она определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения. Состав биосферы.

Биосферу слагают следующие типы веществ:

-живое вещество - вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико - химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной в пересчёте на сухое вещество составляет около 1015 т. В целом на растения приходится 99 % биомассы, а на животных и микроорганизмы - всего 1 %. Таким образом, живая масса биосферы планеты преимущественно растительная и составляет менее 10-6 массы других оболочек Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живое вещество не просто населяет биосферу, а преобразует облик Земли. Живое вещество распределено в пределах биосферы очень неравномерно.

-биогенное вещество - вещество, создаваемое и перерабатываемое живым веществом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т. д. -косное вещество - продукты, образующиеся без участия живых организмов. -биокосное вещество - создается одновременно живыми организмами и косными

процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы

почва, ил, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.

-вещество, находящееся в радиоактивном распаде.

-рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под

влиянием космических излучений.

-вещество космического происхождения.