Учебно-метод пособие КСЕ стац гум

ленной и определения ее возраста по продолжительности этого расширения.

На этом этапе развитие космологии связано с работами американского физика Г. Гамова. Им и его школой исследуются физические процессы, происходив-

шие на разных стадиях эволюции расширяющейся Вселенной.

Согласно современной концепции «горячей Вселенной», «веществен-

ная» Вселенная появилась из физического вакуума в результате «Большого взрыва» около 13 млрд. 700 млн. лет назад. В первоначальный момент своего существования Вселенная находилась в состоянии «ядерной капли», размеры которой были сопоставимы с размером атомного ядра, а плотность ее была равной 1093 г/см3. Состояла Вселенная на этом этапе из свободных элементар-

ных частиц: фотонов, электронов, позитронов, протонов, нейтронов и др., ко-

торые не могли еще связываться в атомы из-за очень высокой температуры

(1013 К) – эра хаоса.

Вещество Вселенной начало быстро расширяться и остывать. Нуклоны получили возможность связываться, образуя атомные ядра – адронная эра.

Через полчаса после ее начала все нейтроны оказались связанными с частью протонов, образовав ядра гелия и дейтерия. Вселенная продолжала расши-

ряться и остывать. Еще через 500 тыс лет температура Вселенной снизилась до

3000 К. Электроны теперь смогли прочно соединиться с ядрами. Образовались атомы водорода и гелия – лептонная эра.

Свободные электроны быстро исчезли, прекратилось их взаимодействие с фотонами, барионное вещество Вселенной стало прозрачным. Излучение от-

делилось от атомарного вещества и образовало то, что в нашу эпоху назвали

«реликтовым излучением» - радиационная (фотонная) эра. Реликтовое излу-

чение экспериментально было обнаружено в 1964 г. Это выдающееся откры-

тие и серьезное подтверждение концепции горячей Вселенной.

Остывая и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые сближались, сливались, образуя громадные комплексы. В них выделялись более плотные участки – звезды, галактики, ко-

81

торые и сейчас продолжают эволюционировать. Это современная – звездная

эра.

На современном этапе существует несколько моделей развития Вселен-

ной. Общим для них являются нестационарность, изотропность, однород-

ность моделей.

Нестационарность означает, что Вселенная не может находиться в ста-

тическом состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься.

Изотропность Вселенной означает, что ее свойства не зависят от на-

правления.

Однородность означает однородное в среднем распределение вещества во Вселенной.

Эти три свойства Вселенной объединяются термином космологический постулат.

Существует также гипотеза о цикличности состояния Вселенной. Со-

гласно ей, возникнув когда-то из сверхплотного сгустка материи, Вселенная,

возможно, уже в первом цикле породила внутри себя миллиарды звездных систем и планет. Но затем Вселенная неизбежно начинает стремиться к ис-

ходному состоянию. Красное смещение сменяется фиолетовым, радиус Все-

ленной уменьшается, и, в конце концов, вещество Вселенной возвращается в первоначальное сверхплотное состояние, по пути безжалостно уничтожив и возможную жизнь. И так повторяется каждый раз в каждом цикле на протяже-

нии вечности. В пользу гипотезы «пульсирующей Вселенной» современная космология располагает рядом аргументов чисто математического характера.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СУЩНОСТЬ ЖИЗНИ

Во все времена ученых волновала проблема сущности жизни. Что есть жизнь? Существует множество различных определений. Для естествознания

19 века наиболее удачным можно считать определение Ф.Энгельса, согласно которому жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования в постоянном самообновлении химических составных частей

82

этих тел.

В 20 веке понятие жизни существенно углубилось. Живое не ограничи-

вается белком в качестве субстрата и обменом веществ в качестве функции.

Во второй половине 20 века было предложено следующее определение: жизнь есть способ существования материи, закономерно возникающий не уровне высокомолекулярных соединений и характеризующийся динамичными, ла-

бильными структурами, функцией самообмена, процессами саморегулирова-

ния, самовосстановления и накопления наследственной информации.

По определению известного ученого Г. Селье, жизнь – это процесс не-

прерывной адаптации организмов к постоянно изменяющимся условиям внеш-

ней и внутренней среды. Адаптации заключаются в поддержании структуры и функций всех ключевых систем организма при воздействии на него различных по природе факторов среды. Адаптации являются основой устойчивости и продуктивности всех организмов.

Важнейшими свойствами живого, в отличие от неживой природы, явля-

ются: самоорганизация, саморегуляция, само-воспроизводство.

Согласно теории диалектического материализма, в природе существу-

ют различные уровни движения материи, подчиняющиеся разным зако-

нам.

Жизнь есть особая форма движения материи, которая возникает как новое качество на определенном этапе исторического развития.

Поэтому она обладает свойствами, отличающими ее от неорганиче-

ского мира, и ей присущи особые, специфические закономерности, не-

сводимые к физико-химическим законам неживой природы.

Впознании жизни важно установить именно ее качественные отличия

от других форм движения материи.

ОПРЕДЕЛЕННЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ. В состав живых орга-

низмов входят те же химические элементы, что и в неживые объекты, однако их соотношение различно. Основными биогенными элементами являются Н,

С, О, N. Помимо них важны Nа, Мg, Сl, Р, S, К, Fе, Са и др.

83

Кроме того, все живые организмы построены из четырех основных

групп органических веществ:

нуклеиновых кислот,

белков,

углеводов и

липидов (жиров).

КЛЕТОЧНОЕ СТРОЕНИЕ. Все живые организмы имеют определен-

ную организацию, структурной и функциональной единицей которой для всех организмов (кроме вирусов) является клетка.

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГОЗАВИСИМОСТЬ. Организмы пред-

ставляют собой открытые системы, являющиеся устойчивыми лишь при усло-

вии непрерывного доступа к ним веществ и энергии извне. При этом живая система постоянно находится в состоянии динамического равновесия.

САМОРЕГУЛЯЦИЯ. Живые организмы обладают способностью под-

держивать постоянство своего химического состава и интенсивность обмен-

ных процессов. Недостаток поступления каких-либо питательных веществ мо-

билизует внутренние ресурсы организма, а избыток вызывает прекращение синтеза этих веществ.

РАЗДРАЖИМОСТЬ И ПСИХИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ. Раздражи-

мость — способность организма отвечать на определенные внешние воздейст-

вия специфическими реакциями.

Всякое изменение окружающей организм среды является раздражите-

лем, а реакция организма — проявлением раздражимости.

Сочетания раздражитель — реакция могут накапливаться в виде опыта и использоваться в дальнейшей деятельности.

НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ. ИЗМЕНЧИВОСТЬ. Для живых организмов характерна способность передавать признаки и свойства в неизмененном виде из поколения в поколение с помощью носителей информации молекул ДНК.

Способность организмов приобретать новые признаки и свойства назы-

вается изменчивостью. Изменчивость создает разнообразный материал для ес-

84

тественного отбора.

РАЗМНОЖЕНИЕ И РЕПРОДУКЦИЯ. ИНДИВИДУАЛЬНОЕ РАЗ-

ВИТИЕ (ОНТОГЕНЕЗ).

При размножении организмы воспроизводят себе подобных. Это свой-

ство теснейшим образом связано с явлением наследственности.

Новый организм возникает в большинстве случаев в результате слия-

ния половых клеток (гамет) в ходе процессов онтогенеза.

Развитие сопровождается ростом. В процессе роста и развития посте-

пенно возникает специфическая структурная организация индивида. Продол-

жительность жизни особей ограничена процессами старения, приводящими в конечном итоге к смерти.

ЭВОЛЮЦИОННОЕ

РАЗВИТИЕ

(ФИЛОГЕНЕЗ).

Все живые организмы существуют не только в пространстве, но и во времени.

Филогенез есть необратимое и направленное развитие живой природы, сопро-

вождающееся появлением новых видов и прогрессивным усложнением жизни.

ЦЕЛОСТНОСТЬ И ДИСКРЕТНОСТЬ - одно из самых важных свойств живой матери!

С одной стороны, живая материя целостна, определенным образом орга-

низована, подчиняется ряду специальных, только для нее характерных зако-

нов.

С другой стороны она дискретна, так как любая биологическая система состоит из обособленных, хотя и тесно взаимосвязанных элементов.

УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ

Принцип дискретности лег в основу представлений об уровнях органи-

зации живой материи.

Уровень организации — это функциональное место биологической

структуры определенной степени сложности в общей «Системе систем»

живого. Обычно выделяют следующие уровни:

Молекулярный — самый низкий уровень организации живого. Именно

85

на этом уровне в основном проявляются такие процессы жизнедеятельности,

как обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной инфор-

мации.

Клеточный. Клетка является элементарной структурной и функцио-

нальной единицей живого. Вирусы, будучи неклеточной формой организации живого, проявляют свои свойства как живые организмы, только внедрившись в клетки.

Тканевой. Ткань — совокупность структурно сходных клеток и связан-

ных с ними межклеточных веществ, объединенных выполнением определен-

ных функций.

Органный. Под органом понимают часть многоклеточного организма,

выполняющую определенную функцию или функции.

Организменный. Организм— это реальный носитель жизни, характери-

зующийся всеми ее свойствами. Он происходит от одного зачатка (зиготы,

споры, части другого организма) и индивидуально подвержен действию эво-

люционных и экологических факторов.

Очень удобно использовать этот уровень при рассмотрении взаимодей-

ствия живого существа с окружающей его средой.

Популяционно-видовой. Популяция представляет собой систему на-

дорганизменного порядка: совокупность всех особей одного вида, образую-

щих обособленную генетическую систему и населяющих пространство с от-

носительно однородными условиями обитания.

Популяция является элементарной единицей эволюции.

Вид — совокупность популяций, особи которых способны в природ-

ных условиях к скрещиванию с образованием плодовитого потомства и зани-

мают определенную область географического пространства (ареал).

Биоценотический.

Биоценоз — совокупность организмов разных видов различной сложно-

сти организации, обитающих на какой-то определенной территории.

Если в такой территориальной системе учитываются и факторы среды

86

обитания, т. е. неживой компонент, то говорят о биогеоценозе.

Биосферный — это самый высокий уровень организации.

В данном случае обычно рассматривают все живые организмы и области их существования в планетарном масштабе.

Биосфера — это оболочка Земли, которую населяют или когда-либо на-

селяли живые организмы (к ней относятся части атмосферы, литосферы и гид-

росферы, каким-либо образом связанные с деятельностью живых существ).

ПРОБЛЕМА ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ

Происхождение жизни – одна из трех важнейших мировоззренческих проблем наряду с проблемой происхождения Вселенной и проблемой проис-

хождения человека. Попытки понять, как возникла жизнь на Земле, предпри-

нимались еще в глубокой древности. В античности сложились два противопо-

ложных подхода к решению этой проблемы:

религиозно-идеалистический (жизнь является следствием божественно-

го творческого акта) – креационизм;

материалистический – под влиянием естественных факторов живое мо-

жет возникнуть из неживого.

При всей своей примитивности первые исторические формы концепции самозарождения сыграли прогрессивную роль в борьбе с креационизмом.

Идея самозарождения получила широкое распространение в Средневе-

ковье и эпоху Возрождения, когда допускалась возможность зарождения не только простых, но и довольно высокоорганизованных существ, даже млеко-

питающих. Известны попытки Парацельса разработать рецепты искусственно-

го человека (гомункулуса).

Невозможность самопроизвольного зарождения жизни была доказана многими опытами. Итальянский ученый Ф. Реди в 17 веке экспериментально доказал невозможность самозарождения сколько-нибудь сложных животных,

а Л. Пастер в середине 19 века окончательно развенчал версию о самозарож-

дении, доказав невозможность самопроизвольного зарождения современных

87

микроорганизмов в питательной среде.

Рис 25. Опыт Ф.Реди

Рис 26. Опыт Л.Пастера

Появление жизни на Земле пытались объяснить занесением ее из других космических миров. В 1865 г. немецкий врач Г. Рихтер выдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), согласно которой жизнь является вечной, а

зачатки, населяющие мировое пространство, могут переноситься с одной пла-

неты на другую. В 1907 г. шведский естествоиспытатель С. Аррениус выдви-

нул гипотезу панспермии: во Вселенной вечно существуют зародыши жизни,

88

которые движутся в космическом пространстве под давлением световых лу-

чей; попадая в сферу притяжения планеты, они оседают на ее поверхности и закладывают на этой планете начало живого. В настоящее время получены космохимические данные, указывающие на широкие возможности возникно-

вения органических веществ как предшественников жизни химическим путем,

в космических условиях. В межзвездных облаках обнаружены соединения уг-

лерода, включая аминокислоты. Спектральный анализ космической пыли по-

зволяет обнаружить в ней достаточно сложные органические вещества. Орга-

нические соединения довольно большой сложности присутствуют в метеори-

тах. В них обнаружены спирты, карбониловые соединения, алифатические карбоксиловые кислоты и т.д.

Идею вечности жизни разделял и В. И. Вернадский, но вечности не в плане ее космического перераспределения между планетами, а в смысле не-

разрывности материи и жизни. Иными словами, жизнь и материя, по Вернад-

скому, взаимосвязаны, между ними нет временной последовательности (гипо-

теза стационарного состояния).

Отрицание возможности самозарождения жизни в настоящее время не противоречит представлениям о принципиальной возможности развития орга-

нической природы, жизни в прошлом из неорганической материи.

Согласно теории биохимической эволюции жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам. По мнению одного из авторов этой теории А.И.Опарина, происхождению жизни и ее раз-

витию предшествовал достаточно длительный период химической эволюции.

Атмосфера первобытной Земли была восстановительной (отсутствовал кисло-

род) и состояла в основном из воды, аммиака, углекислого газа и метана. Со-

гласно теории Опарина, жизнь возникла в океане. Под действием интенсивной солнечной радиации, вулканической деятельности, электрических разрядов там синтезировались вначале несложные органические вещества, образовав-

шие «первичный бульон». Второй этап биогенеза характеризовался возникно-

вением более сложных органических соединений. Благодаря тем же условиям,

89

относительно простые молекулы органических соединений при взаимодейст-

вии с другими веществами усложнялись, полимеризировались и образовыва-

лись углеводы, жиры, аминокислоты, белки и нуклеиновые кислоты.

Рис. 27 Схемати-

ческое представле-

ние пути происхо-

ждения жизни согласно белково-

коацерватной тео-

рии А.И. Опарина

В 1953 г. С. Миллер и Г. Юри воссоздали условия, характерные, по то-

гдашним представлениям, для ранней Земли, и получили аминокислоты и дру-

гие органические соединения. Однако проблема происхождения жизни оказа-

лась намного сложнее, чем казалось вначале.

Рис. 28 Аппарат Миллера для синтеза органических веществ из смеси метана, аммиака и воды

90