24. Общее строение Земли

Наиболее развиты небулярные модели формирования Солнца и планет путем сжатия газовой или пылевой туманности (небулы). Первые варианты таких моделей были предложены в XVIII веке математиком и механиком П. Лапласом и философом И. Кантом. История Земли состоит из двух этапов: ранняя история и геологическая история.

Ранняя история (протоархейская эра, 4,7-4,0 млрд. лет назад) включает три фазы – фазу аккреции, фазу расплавления и расслоения внешней сферы Земли, лунную фазу – и характеризуется медленным темпом эволюции:

а). При аккреции происходило непрерывное выпадение на растущую Протоземлю тел разных размеров. Земля приобрела около 95% своей массы, оставаясь холодной. В конце фазы интенсивная метеоритная бомбардировка привела к разогреванию и расплавлению внешней зоны планеты.

б). В фазу расплавления и расслоения внешней сферы Земли образуются ядро, мантия и земная кора. Тяжелые железосодержащие породы сотни миллионов лет опускались глубже, формируя ядро, а легкие каменистые породы образовывали кору. В процессе гравитационного сжатия, распада радиоактивных элементов Земля разогревается еще больше. С образованием ядра начались внутренние процессы тектонического и вулканического характера. Дегазация Земли приводит к началу образования атмосферы, состоящей в основном из метана, аммиака и углекислоты. В конце фазы за счет конденсации водяного пара начинается образование гидросферы, т.е. атмосфера и гидросфера выделяются из недр планеты, поскольку вода и газы входят в состав земных пород. Поверхность Земли представляет собой океан раскаленного расплава с прорывающимися из него газами.

в). В лунную фазу происходит остывание вещества вследствие излучения тепла в космос. Образуется тонкий слой первичной коры из базальтов и гранитов. Земная поверхность охлаждается до 100°С. Возникают первые острова и протоконтиненты, сложенные из горных пород, содержащих преимущественно кремний и алюминий Они незначительно возвышаются над еще очень мелководным океанами.

Геологическая история (от архея до современности) характеризуется быстрым темпом эволюции. После охлаждения земной поверхности до 100°С парообразная вода превращается в жидкость, образуются водоемы, возникает круговорот воды в природе. Водная атмосфера превратилась в углекислую. В атмосфере преобладают газы-восстановители: водород, аммиак, сероводород, метан, углекислый и угарный газы. Появление растений привело к формированию атмосферы современного типа. Земля – это объект, который продолжает находиться в процессе становления.

Земля делится на внутренние и внешние геосферные оболочки. Основой их образования является формирования ядра Земли. Ядро занимает центральную область нашей планеты. Это самая глубокая геосфера. Средний радиус ядра составляет около 3500 км, располагается оно глубже 2900 км и состоит из двух частей – большого внешнего (жидкое состояние) и малого внутреннего (кристаллическое состояние) ядер.

Окружает ядро мантия, содержащая не менее 6 отдельных геосфер: нижняя, I зона раздела, средняя, II зона раздела, верхняя, состоящая из астеносферы и зоны Мохоровича. Агрегатное состояние мантии неоднородно – внизу твердое, к верху все более разжиженное, но с высокой степенью вязкости. Для всей мантии характерны интенсивные конвективные движения (это результат сложного взаимодействия механического движения Земли и гигантской конвекции тепла в ее внутренних слоях). Верхняя мантия в целом обладает интересной особенностью – по отношению к кратковременным нагрузкам она ведет себя как жесткий материал, а по отношению к длительным нагрузкам – как пластичный материал.

На не слишком вязкую и пластичную астеносферу опирается более подвижная и легкая литосфера – земная кора с частью подстилающей ее верхней мантии. Земная кора – внешняя оболочка Земли, имеет толщину менее 10 км под океанами, более 35 км под материками. Образуется за счет движения литосферных плит, магматических процессов, разрушения и выветривания горных пород и осадконакоплений. Подобное строение внутренних оболочек Земли базируется на сейсмологических исследованиях, определивших их границы.

Имеются также такие общепланетные оболочки, как магнитосфера, электрополе, озоносфера, гидросфера, атмосфера и энергосфера. Выделяют также специфические, присущие только для Земли (пока не открыты других планетах) оболочки: географическая, социальная, и множество других, а как их высшая форма – ноосфера.

25. Всю мантию можно представлять себе как систему конвективных ячеек, в каждой из которых вдоль одной стенки вещество поднимается из недр и течет вдоль поверхности к другой стенке. Там оно опускается вниз и вновь возвращается к первой стенке. Таким образом, движение вещества в земных недрах упорядочено в пространстве, и упорядоченность эта возникла естественным путем. Размеры конвективных ячеек должны быть сравнимы с толщиной мантии. Но отсюда вытекает, что существовали они не всегда, ибо расслоение Земли на ядро, мантию и т.д. заняло какое-то время после формирования нашей планеты. По расчетам геофизиков, интенсивность конвективных потоков в мантии стала достаточно интенсивной, чтобы разломать первичную земную кору на отдельные плиты, когда Земле исполнился почти миллиард лет. И последующая геологическая история Земли отражает конвективные движения в мантии, которые, как выясняется, обладают достаточно строгой периодичностью. Вновь мы сталкиваемся с самопроизвольным, естественным возникновением упорядоченности из первоначально однородного неупорядоченного состояния.

В геодинамической теории выделяют эндогенные процессы, связанные с внутренней динамикой Земли. Это горообразование, тектоника горных пород, вулканизм, метаморфизм, землетрясения, образование ловушек для нефти и газа и т.д. Процессы, связанные с внешней динамикой, порождаемые поступающей на Землю солнечной энергией, называются экзогенными. К ним относятся: выветривание, заболачивание, работа ветра, деятельность атмосферных вод, водных потоков, морей, озер, ледников, а также оползни, лавины, обвалы, криогенные процессы и др.

Литосферные плиты постоянно движутся как в горизонтальном, так и вертикальном направлениях. Оценки показывают, что средние скорости смещения в зонах повышенной сейсмической активности достигают 0,3 мм в год, в спокойных – 0,05 мм в год. Горизонтальные движения земной коры осуществляются крупными блоками. Гипотеза дрейфа континентов, получившая развитие уже в наше время, возникла в XIX веке (Снайдер).

Зоны, ограничивающие плиты, образованы срединноокеаническими хребтами и глубокими океаническими желобами. Здесь расположено большинство действующих вулканов. Длина цепей вулканов составляет около 37 тыс. километров. На каждом километре за 1 миллион лет извергается до 40 кубических километров нового силикатного материала. Сегодня известно до 15 жестких плит. Из них 6-7 – крупные, сталкивающиеся, погружающиеся и надвигающиеся одна на другую. Эти плиты, имеющие толщину 75-150 км, "плавают" на мантии. Вместе с плитами перемещаются и континенты. Установлено, что Красное море расширяется со скоростью 1 см в год, Хребет Петра Великого на Памире движется в сторону Гиссарского хребта со скоростью около 2 см в год. По палеомагнитным данным, Великобритания за последние 200 миллионов лет развернулась по часовой стрелке примерно на 30° и сместилась к северу. Это периодический процесс, в котором главной движущей силой служит тепловая конвекция в нижней мантии, а источником энергии является радиоактивный распад. Казалось бы, естественная радиоактивность как монотонно ослабевающий процесс не может вызвать расщепления и соединения континентов, но здесь важна особенность распространения тепла через земную кору и ухода его в окружающее пространство.

Океаническая кора проводит тепло вдвое более эффективно, чем континентальная. Поэтому если некоторую часть поверхности занимает суперконтинент, под ним должно накопиться тепло мантии, ведущее к его вздыманию и разрушению. После раздвижения осколков тепло уходит под образующиеся между ними новые океанические бассейны. Поэтому при непрерывном подведении тепла к поверхности из-за малой теплопроводности континентов оно "прорывается" через нее лишь в отдельные и достаточно короткие отрезки времени. По схеме, разработанной Дж. Уилсоном, сначала в недрах континента образуются "горячие точки" вулканов, потом они соединяются в рифтовые долины, вдоль которых происходит раскол континента. Рифтовые долины готовят место новому океану, а через сами рифты горячее вещество мантии поступает к поверхности, готовя океанское дно. С течением времени дно уплотняется, охлаждается, опускается вниз, углубляя океан, и этот процесс длится примерно 200 млн. лет. Затем самая древняя часть нового океанического дна, примыкающая к континентальным осколкам, настолько уплотняется, что погружается под континентальную кору – начинается процесс субдукции. Далее океан закрывается, а континенты сближаются. При этом силы сжатия порождают горы.

Выражаясь образно, геодинамические процессы можно суммировать следующим образом. Атмосфера оказывает давление на литосферу и гидросферу, две последние упруго сжимают мантию планеты, которая в свою очередь спрессовывает ядро Земли. Если же идти от центра планеты к ее периферии, то динамическая картина оказывается другой. Ядро Земли притягивает к себе вещество всех других геосферных оболочек, охватывает их обручем инициированного им магнитного поля, нагревает мантию и достигающие ее оболочки литосферы. Мантия Земли передает мощные потоки тепловой энергии литосфере, раздвигает океанское дно и перемещает литосферные плиты. Литосфера и гидросфера оказывают тепловое воздействие на атмосферу. Выветриваясь и испаряясь, они передают ей также огромные массы вещества. Таким образом, геодинамическая активность Земли также имеет свою историю: она находится в полном соответствии с историей эволюции геосферных оболочек.

26. Обобщая и несколько упрощая сказанное о специфике живого, можно отметить, что все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе, а неживые тела не питаются, не дышат, не растут, не размножаются.

Из совокупности этих признаков вытекает следующее обобщенное определение сущности живого: жизнь есть форма существования сложных, открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению. Важнейшими функциональными веществами этих систем являются белки и нуклеиновые кислоты.

Есть несколько фундаментальных отличий в вещественном, структурном и функциональном планах. В вещественном плане в состав живого обязательно входят высокоупорядоченные макромолекулярные органические соединения, называемые биополимерами, - белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). В структурном плане живое отличается от неживого клеточным строением. В функциональном плане для живых тел характерно воспроизводство самих себя. Устойчивость и воспроизведение есть и в неживых системах. Но в живых телах имеет место процесс самовоспроизведения. Не что-то воспроизводит их, а они сами. Это принципиально новый момент.

Также живые тела отличаются от неживых наличием обмена веществ, способностью к росту и развитию, активной регуляцией своего состава и функций, способностью к движению, раздражимостью, приспособленностью к среде и т.д. Неотъемлемым свойством живого является деятельность, активность.

27. Естественнонаучные модели происхождения жизни

К теориям (моделям) происхождения жизни относят:

1) креационизм, утверждающий, что жизнь создана сверхъестественным существом в результате акта творения;

Процесс божественного сотворения мира и живого недоступен для наблюдения, и божественный замысел недоступен человеческому пониманию.

2) концепцию стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;

Сторонники теории вечного существования жизни считают, что Земля никогда не возникала, а существовала вечно, и вместе с ней всегда существовали различные виды живого.

3) концепцию самопроизвольного зарождения жизни, основывающуюся на идее многократного возникновения жизни из неживого вещества;

Данная концепция также зародилась давно и долгое время была единственной альтернативной креационизму.

4) концепцию панспермии, утверждающую, что жизнь занесена на Землю из космоса;

Согласно этой гипотезе жизнь в виде «семян» широко распространена в космосе, откуда зародыши простых организмов могли попасть в земные условия вместе с метеоритами и космической пылью и дать начало эволюции всего живого, породив таким образом все многообразие земной жизни.

5) концепцию случайного однократного происхождения жизни;

Суть гипотезы заключается в предположении, что живая молекула, способная размножаться, могла возникнуть случайно в результате взаимодействия простейших веществ.

6) концепцию закономерного происхождения жизни путем биохимической эволюции.

В начале XX века ученые были убеждены в том, что между органическими и неорганическими соединениями не существует никакой взаимосвязи. Они полагали, что органические соединения могут возникать только в живом организме, биогенно.

Рассматривая проблему возникновения жизни путем биохимической эволюции, Опарин выделяет три этапа перехода от неживой материи к живой:

1) этап синтеза исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы ранней Земли;

2) этап формирования в первичных водоемах Земли из накопившихся органических соединений биополимеров, липидов, углеводородов;

3) этап самоорганизации сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процессов обмена веществом и воспроизводства органических структур, завершающееся образованием простейшей клетки.

Такое разнообразие взглядов вызвано тем обстоятельством, что точно воспроизвести или экспериментально подтвердить процесс зарождения жизни сегодня невозможно. Отмеченные теории преимущественно опираются на умозрительные представления как исследователей естественнонаучного направления, так и исследователей, придерживающихся теологических взглядов.

28. Генетика, наука о наследственности и изменчивости живых организмов и методах управления ими. Генетика по праву может считаться одной из самых важных областей биологии.

Генетика вносит огромный вклад в развитие теории эволюций (эволюционная генетика, генетика популяций). Идеи методы генетики находят применение во всех областях человеческой деятельности, связанной с живыми организмами. Они имеют важное значение для решения проблем медицины, сельского хозяйства, микробиологической промышленности. Новейшие достижения генетики связанны с развитием генетической инженерии.

Наследственные болезни могут быть вызваны нарушениями в отдельных генах, хромосомах или хромосомных наборах. Помимо хромосомных нарушений, наследственные болезни могут быть обусловлены изменениями генетической информации непосредственно в генах.

Эффективных средств лечения наследственных болезней пока не существует.

После возникновения и распространения жизни на Земле ее возникновение в настоящее время на основе одной только неорганической материи оказывается уже невозможным. Все существующие на Земле живые системы возникают сейчас либо на основе живого, либо при посредстве живого. Таким образом, прежде, чем живой организм будет воспроизводить себя вещественно-энергетически, он должен быть воспроизведен биологически, то есть быть рожденным другим живым организмом. Воспроизводство живого живым есть, прежде всего, передача одним поколением другому генного материала, который детерминирует в потомстве явление определенной морфофизиологической структуры.

29. Синтетическая теория эволюции (также современный эволюционный синтез) — современная эволюционная теория, которая является синтезом различных дисциплин, прежде всего, генетики и дарвинизма. СТЭ также опирается на палеонтологию, систематику, молекулярную биологию и другие.

Синтетическая теория в её нынешнем виде образовалась в результате переосмысления ряда положений классического дарвинизма с позиций генетики начала XX века. После переоткрытия законов Менделя (в 1901 г.), доказательства дискретной природы наследственности и особенно после создания теоретической популяционной генетики трудами Рональда Фишера, Джона Б. С. Холдейна-младшего и Сьюэла Райта, учение Дарвина приобрело прочный генетический фундамент.

Толчок к развитию синтетической теории дала гипотеза о рецессивности новых генов. Говоря языком генетики второй половины XX 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.

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.