Необходимо отметить, что сам факт Большого взрыва с высокой долей вероятности можно считать доказанным, но объяснения его причин и подробные описания того, как это происходило, пока относятся к разряду гипотез. Расширение и остывание Вселенной в первые секунды существования нашего мира привело к следующему фазовому переходу - образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме.
Доминирующие гипотезы сводятся к тому, что первые 300-400 тыс. лет Вселенная была заполнена только ионизированным водородом и гелием. По мере расширения и остывания Вселенной они перешли в стабильное нейтральное состояние, образовав обычный газ. Предположительно через 500 млн. лет зажглись первые звёзды, а сгустки вещества, образовавшиеся на ранних стадиях благодаря квантовым флуктуациям, превратились в галактики.
В результате термоядерных реакций в звёздах были синтезированы более тяжёлые элементы (вплоть до углерода). Во время взрывов сверхновых звёзд образовались ещё более тяжёлые элементы. В молодых галактиках процесс образования и гибели звёзд шёл очень бурно. Чем массивнее звезда, тем быстрее она гибнет и рассеивает большую часть своего вещества в пространстве, обогащая его разнообразными химическими элементами. После взрывов вещество сгущалось снова, в результате чего зажигались звёзды следующих поколений, вокруг которых образовывались планетные системы. Поэтическая фраза «мы состоим из пепла давно угасших звёзд» полностью соответствует действительности.
6. Естественнонаучные модели происхождения жизни
Реконструкция появления органических молекул трудна, так как ископаемые и точные знания геохимических условий земли древнее 3,8 млрд. лет отсутствуют. Поэтому существуют различные гипотезы о ходе химической эволюции. В основном они опираются на эксперименты, основанные на предположениях о тогдашнем химическом составе атмосферы, гидросферы и литосферы, а также климатических условиях.
Основанные на гипотезах, эксперименты на данный момент недостаточны для создания теории возникновения жизни на земле. Однако уже наблюдались процессы создания комплексных молекул, которые необходимы для органических процессов, но образование сложных систем из них пока еще не было достигнуто. Эти наблюдения считаются уже большим успехом и достаточны для разработки гипотез.
Гипотезы химической эволюции должны объяснять различные аспекты:
1. Небиологическое начало биомолекул, то есть их развитие из не живущих и, соответственно, неорганических предшественников.
2. Появление способных к саморепликации и самоизменению химических информационных систем, то есть возникновение клетки.
3. Появление взаимной зависимости функции (ферментов) и информации (РНК, ДНК).
4. Условия среды Земли в период от 4,5 до 3,5 млрд. лет назад.
Одна из самых известных гипотез эволюции была опубликована в двадцатые годы 20. столетия русским исследователем А.И. Опариным и британским исследователем Дж. Холдейном. Теория утверждала, что условия на земле того времени благоприятствовали химическим реакциям. Из неорганических соединений в атмосфере и море должны были синтезироваться органические соединения. Необходимая энергия поставлялась очень интенсивным ультрафиолетовым облучением, которое могло беспрепятственно проникать в атмосферу в связи с малым содержанием в ней O2 и O3. В 1953 эта теория была обоснована химиками Стэнли Миллер и Гарольдом К. Юри очень хорошими результатами эксперимента с первичным бульоном. Опытом они доказывают, что в похожей на предположительные пребиотические условия среды, посредством притока энергии (молнии), из неорганических соединений (вода, метан, аммиак и водород) могут возникнуть аминокислоты и более простые карбоксиловые и жирные кислоты - одни из важнейших строительных элементов более комплексных биомолекул. В более поздних, в большинстве случаев более сложно построенных опытах с первичным бульоном смогли получить как все важнейшие строительные элементы живых существ: аминокислоты, жиры, пурины (основа нуклеотидов) и сахар, - так и сложные органические соединения порфины и изопрены.
Хотя этим показана возможность естественного образования органических молекул, сегодня рассматриваются эти результаты для настоящего происхождения жизни на земле довольно критично. В эксперименте с первичным бульоном исходили из того, что атмосфера на тот период времени имела щелочной характер, что соответствовало научным представлениям того времени. Сегодня же исходят из слабощелочного или даже нейтрального характера атмосферы, хотя вопрос еще не окончательно решен и обсуждаются также локальные химические отклонения атмосферных условий, например в окрестностях вулканов. Позднейшими экспериментами была доказана возможность появления органических молекул и в этих условиях, даже таких, которые не получились при первых опытах, но в значительно меньших количествах. Этим часто аргументируется, что происхождение органических молекул другим путем, играло как минимум дополнительную роль. Приводятся происхождение органики в космосе и занесение ее на землю метеоритами или происхождение в окрестностях гидротермальных источников срединно-океанических хребтов.
Дальнейшим аргументом против происхождения органических молекул из первичного бульона приводят то, что во время опыта получается рацемат, то есть смесь из аминокислот L и D-форм. Соответственно должен был существовать естественный процесс, в котором отдавалось предпочтение определенному вращению хиральных молекул. Космобиологи утверждают, что легче доказать происхождение органических соединений в космосе, так как фотохимические процессы с циркулярно-поляризированым излучением, например от пульсаров, в состоянии уничтожить молекулы только определенного вращения. И действительно у найденных в метеоритах хиральных органических молекул преобладали на 9 % левовращающиеся. Однако в 2001 году стало известно, что самореплицирующиеся пептидные системы тоже в состоянии эффективно усиливать молекулы определенного вращения в рацематной смеси, что, по мнению этого ученого, поддерживает земное происхождение вращения биологических молекул.
Известно, что с повышением концентрации многие органические соединения, молекулы которых содержат как гидрофильные, так и гидрофобные участки, способны в водных растворах к мицеллообразованию, т.е. выделению микрокапелек органической фазы. Мицеллообразование наблюдается также при высаливании, т.е. при увеличении концентрации солей в коллоидных растворах биополимеров-полиэлектролитов, при этом выделяются микрокапли диаметром 1-500 мкм, содержащие биополимеры в высокой концентрации. Александр Иванович Опарин показал, что ограниченные среды с простым обменом веществ могут возникнуть исключительно самоорганизацией, при условии присутствия катализаторов со специфическими свойствами. Так как использованные субстанции входят в состав живущих сегодня организмов, Опаринские коацерваты нужно видеть не как предшественники клеток, а как модель-аналог для возникновения предшественников клеток.
7. Функции ДНК и ее химическая характеристика
Живые организмы состоят из органических веществ. Характеристики организмов кодируются набором генов, в которых записана вся наследственная информация. Количество генов может варьировать от нескольких сотен у простейших вирусов до десятков тысяч у высших организмов (около 30 тыс. у человека).
Носителем генетической информации является ДНК - органическая структура в виде двойной спирали. Информация записана с помощью последовательности нуклеотидов. В генетическом коде используется всего лишь 4 «буквы»-нуклеотида; код един для всех живых организмов.
Генетическая информация реализуется при экспрессии генов в процессах транскрипции и трансляции. Передача генетической информации следующему поколению происходит в результате репликации (самокопирования ДНК). Помимо генов в ДНК имеются некодирующие участки, функции которых пока ещё не ясны.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) - нуклеиновая кислота, которая содержит генетическую программу для развития и функционирования живых организмов. Все представители живых существ содержат геном ДНК. Исключение составляют вирусы, которые используют геном РНК, однако вирусы обычно не относят к живым организмам. Основная роль ДНК в клетках - долговременное хранение информации. Геном часто сравнивают с набором чертежей, так как он содержит инструкции по сборке многих компонентов клетки, таких как рибонуклеиновые кислоты, молекулы и белки. Участки ДНК, содержащие генетическую информацию о строении молекулы белка или РНК называют генами. Также ДНК содержит последовательности, отвечающие за изменение генетической информации.
У эукариотов, таких как животные или растения, ДНК находится внутри клеточного ядра, а у прокариотических организмов (например, бактерий) ДНК содержится в цитоплазме. В отличие от ферментов, ДНК напрямую не участвует в большинстве биохимических процессов, которыми управляет; некоторые ферменты могут вступать во взаимодействие с ДНК и копировать хранимую ей информацию, и либо создают копию ДНК (процесс репликации), либо транскрибируют и транслируют её в протеин.
ДНК - длинный полимер, состоящий из простых элементов, называемых нуклеотидами, которые скреплены связями из групп углеводов и фосфатов. Нуклеотид построен из пентозы, азотистого основания (пуринового или пиримидинового) и остатка фосфорной кислоты. Соединение пентозы и азотистого основания называется нуклеозидом.
В зависимости от структуры пентозы различают рибонуклеотиды и дезоксирибонуклеотиды, которые являются мономерами молекул сложных биологических полимеров - соответственно РНК или ДНК.
Эти связи включают четыре вида молекул, нуклеиновых оснований, и последовательность из четырёх таких оснований позволяет «закодировать» информацию. Главной функцией ДНК является процесс шифрования последовательности аминокислот в протеины при помощи генетического кода. Для прочтения этого кода клетка создаёт копию отрезка ДНК в нуклеиновой кислоте РНК.
8. Роль мутаций и окружающей среды в эволюции живого
Новый этап в развитии эволюционной теории наступил в 1859 году в результате публикации основополагающей работы Ч. Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь». Основной движущей силой эволюции по Дарвину является естественный отбор. Отбор, действуя на особей, позволяет выживать и оставлять потомство тем организмам, которые лучше приспособлены для жизни в данном окружении. Действие отбора приводит к распадению видов на части - дочерние виды, которые, в свою очередь, со временем расходятся до родов, семейств и всех более крупных таксонов.
В середине XX века на основе теории Дарвина сформировалась синтетическая теория эволюции (сокращённо СТЭ). СТЭ является в настоящее время наиболее разработанной системой представлений о процессах видообразования. Основой для эволюции по СТЭ является динамика генетической структуры популяций. Основным движущим фактором эволюции считается отбор.
Толчок к развитию синтетической теории дала гипотеза о рецессивности новых генов. Говоря языком генетики второй половины ХХ века, эта гипотеза предполагала, что в каждой воспроизводящейся группе организмов во время созревания гамет в результате ошибок при репликации ДНК постоянно возникают мутации - новые варианты генов.
Влияние генов на строение и функции организма плейотропно: каждый ген участвует в определении нескольких признаков. С другой стороны, каждый признак зависит от многих генов; генетики называют это явление генетической полимерией признаков. Фишер говорит о том, что плейотропия и полимерия отражают взаимодействие генов, благодаря которому внешнее проявление каждого гена зависит от его генетического окружения. Поэтому рекомбинация, порождая всё новые генные сочетания, в конце концов создает для данной мутации такое генное окружение, которое позволяет мутации проявиться в фенотипе особи-носителя. Так мутация попадает под действие естественного отбора, отбор уничтожает сочетания генов, затрудняющие жизнь и размножение организмов в данной среде, и сохраняет нейтральные и выгодные сочетания, которые подвергаются дальнейшему размножению, рекомбинации и тестированию отбором. Причем отбираются, прежде всего, такие генные комбинации, которые способствуют благоприятному и одновременно устойчивому фенотипическому выражению изначально мало заметных мутаций, за счет чего эти мутантные гены постепенно становятся доминантными. Таким образом, сущность синтетической теории составляет преимущественное размножение определённых генотипов и передача их потомкам. В вопросе об источнике генетического разнообразия синтетическая теория признает главную роль за рекомбинацией генов.
Считают, что эволюционный акт состоялся, когда отбор сохранил генное сочетание, нетипичное для предшествующей истории вида. В итоге для осуществления эволюции необходимо наличие трёх процессов:
· мутационного, генерирующего новые варианты генов с малым фенотипическим выражением;
· рекомбинационного, создающего новые фенотипы особей;
· селекционного, определяющего соответствие этих фенотипов данным условиям обитания или произрастания.
Все сторонники синтетической теории признают участие в эволюции трёх перечисленных факторов.
9. Иерархическое строение биосферы и трофические уровни
Пищевая цепь представляет собой связную линейную структуру из звеньев, каждое из которых связано с соседними звеньями отношениями «пища - потребитель». В качестве звеньев цепи выступают группы организмов, например, конкретные биологические виды. Связь между двумя звеньями устанавливается, если одна группа организмов выступает в роли пищи для другой группы. Первое звено цепи не имеет предшественника, то есть организмы из этой группы в качестве пищи не использует другие организмы, являясь продуцентами. Чаще всего на этом месте находятся растения, грибы, водоросли. Организмы последнего звена в цепи не выступают в роли пищи для других организмов.
Каждый организм обладает некоторым запасом энергии, то есть можно говорить о том, что у каждого звена цепи есть своя потенциальная энергия. В процессе питания потенциальная энергия пищи переходит к её потребителю. При переносе потенциальной энергии от звена к звену до 80-90 % теряется в виде теплоты. Данный факт ограничивает длину цепи питания, которая в природе обычно не превышает 4-5 звеньев. Чем длиннее трофическая цепь, тем меньше продукция её последнего звена по отношению к продукции начального.
Обычно для каждого звена цепи можно указать не одно, а несколько других звеньев, связанных с ним отношением «пища - потребитель». Так траву едят не только коровы, но и другие животные, а коровы являются пищей не только для человека. Установление таких связей превращает пищевую цепь в более сложную структуру - трофическую сеть.
В некоторых случаях в трофической сети можно сгруппировать отдельные звенья по уровням таким образом, что звенья одного уровня выступают для следующего уровня только в качестве пищи. Такая группировка называется трофическими уровнями.
Существует 2 основных типа трофических цепей - пастбищные и детритные.
В пастбищной трофической цепи (цепь выедания) основу составляют автотрофные организмы, затем идут потребляющие их растительноядные животные (например, зоопланктон, питающийся фитопланктоном), потом хищники (консументы) 1-го порядка (например, рыбы, потребляющие зоопланктон), хищники 2-го порядка (например, щука, питающаяся другими рыбами). Особенно длинны трофические цепи в океане, где многие виды (например, тунцы) занимают место консументов 4-го порядка.
В детритных трофических цепях (цепи разложения), наиболее распространенных в лесах, большая часть продукции растений не потребляется непосредственно растительноядными животными, а отмирает, подвергаясь затем разложению сапротрофными организмами и минерализации. Таким образом, детритные трофические цепи начинаются от детрита, идут к микроорганизмам, которые им питаются, а затем к детритофагам и к их потребителям - хищникам. В водных экосистемах (особенно в эвтрофных водоемах и на больших глубинах океана) значит, часть продукции растений и животных также поступает в детритные трофические цепи.
10. Биосфера и ноосфера
Ноосфера - современная (по меркам геологического времени) стадия развития биосферы, связанная с появлением в ней человека. Понятие было введено французским математиком и философом Эдуаром Леруа в 1927 году. Сам он подчёркивал, что пришёл к этой идее совместно со своим другом - крупнейшим геологом и палеонтологом-эволюционистом и католическим философом Пьером Тейяром де Шарденом. При этом Леруа и Шарден основывались на лекциях по геохимии, которые читал В.И. Вернадский. С именем Вернадского и связано в первую очередь появление ноосферного учения.
В ноосферном учении Человек предстаёт укоренённым в Природу, а «искусственное» рассматривается как органическая часть и один из факторов (усиливающийся во времени) эволюции «естественного». Обобщая с позиции натуралиста человеческую историю, Вернадский делает вывод о том, что человечество в ходе своего развития превращается в новую мощную геологическую силу, своей мыслью и трудом преобразующую лик планеты. Соответственно, оно в целях своего сохранения должно будет взять на себя ответственность за развитие биосферы, превращающейся в ноосферу, а это потребует от него определённой социальной организации и новой, экологической и одновременно гуманистической этики.
Ноосферу можно охарактеризовать как единство «природы» и «культуры». Сам Вернадский говорил о ней то как о реальности будущего, то как о действительности наших дней, что неудивительно, поскольку он мыслил масштабами геологического времени. Понятие «ноосфера» предстаёт в двух аспектах:
1. ноосфера в стадии становления, развивающаяся стихийно с момента появления человека;
2. ноосфера развитая, сознательно формируемая совместными усилиями людей в интересах всестороннего развития всего человечества и каждого отдельного человека.
Список использованной литературы
1. Давиташвили А.Ш. Причины вымирания организмов. - М., 1980
2. Иорданский Н.Н. Макроэволюция: Системная теория. - М., 1994.
3. Иорданский Н.Н. Эволюция жизни. - М. «Академия», 2001.
4. Карпинская Р.С. Глобальный эволюционизм и диалектика // О современном статусе глобального эволюционизма. М., 1986.
5. Киржниц Д.А. Горячие «черные дыры»: Новое в понимании истории Вселенной // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 6. С. 84.
6. Кэролл Р. Палеонтология и эволюция позвоночных. - М., 1992.
7. Осипов А.И., Уваров А.В. Большой взрыв. // Соросовский Образовательный Журнал. 2004. № 1. С. 70-78.
8. Ребане К.К. Энергия, энтропия, среда обитания. - Таллин: Валгус, 1984.
9. Рубцов В.В., Урсул А.Д. Проблема зарождения жизни. - Кишинев, 1984.
10. Сутт Т.Я. Идея глобального эволюционизма и принцип антропности // О современном статусе глобального эволюционизма. М., 1986
Страницы: 1, 2
