Концепции современного естествознания

p align="left">

Причины движения материков

Твёрдое вещество может быть кристаллическим, а может и аморфным, медленно меняющим свою форму под влиянием некоторого постоянного давления. Вещество мантии также аморфно, но, кроме того, разбито трещинами и неодинаково нагрето. Будем считать, что в жидкой оболочке ядра мантия теряет тяжелые атомы железа, никеля и им подобных элементов, которые оседают на твёрдое ядро. При их падении выделяется тепловая энергия. Облегчённые и разогретые слои мантии поднимаются вверх, уступая место более тяжёлым и холодным. Итак, движение мантии можно представить как движение очень вязкой жидкости под действием локального нагрева снизу. Это конвективное движение, обычное для более тёплых слоёв жидкости и газа, можно пронаблюдать в туристическом котелке, где кипятят воду, содержащую мелкие взвешенные частицы. Они поднимаются вверх от центра вместе со струями горячей тёплой воды, движутся к стенкам, где вода охлаждается, становится тяжелее, опускается и течёт к центру, замещая поднимающуюся тёплую воду. Нагревая воду на костре или конфорке газовой плиты, можно добиться того, что столб поднимающейся воды будет один (см. схему). Назовём весь объём воды, вовлечённый в движение этой единственной восходящёй струёй, конвективной ячейкой. В 70-е годы акад. Сорохтин разработал гипотезу, согласно которой на Земле с периодом около 200 млн. лет происходит смена циркуляции мантийного вещества - переход с двух конвективных ячеек к одной и обратно. Когда конвективная ячейка является единственной, вынос тепла задерживается и в разогретых недрах формируется вторая ячейка (не всегда она направлена в противоположную сторону). С появлением второй ячейки мантия быстро остывает и возвращается к движению в одной ячейке. В фазе с двумя конвективными ячейками на поверхности Земли идёт процесс горообразования, материки, под которыми возник столб восходящего горячего мантийного вещества (плюм), раскалываются и между ними возникает новый океан. В некоторых случаях в зоне рифта на поверхность изливаются миллионы кубических километров лавы, формируя характерные ландшафты. Если ячейка одна, то материки собираются у столба погружающегося вещества, в зоне субдукции, так же, как предметы, плавающие в ванне, собираются у воронки слива. Тектоническая активность подавлена, горы разрушаются, выветриваются, материковые породы выносятся в океан и формируют обширные мелководные моря. Это чередование периодов горообразования и тектонического покоя было известно геологам и раньше, их известно около 20. Ныне мы должны жить над мантией, циркулирующей в двух конвективных ячейках, в период горообразования, который называется альпийским, а предыдущий - герцинским. Однако простые конвективные модели, вроде модели Сорохтина, ныне должны быть серьёзно модифицированы. Методы сейсмического зондирования стали настолько совершенными, что позволяют создать карту глубинных потоков разогретого вещества, и она оказывается гораздо более сложной, чем это представлялось 30 лет назад. В первую очередь, это касактся включения в геодинамическую картину плюмов - локальных восходящих потоков, расположенных в стороне от осей спрединга. Выход плюма к поверхности часто называют "горячей точкой". Классический пример плюма - "горячая точка", формирующая Гавайские острова. Следует заметить также, что усложнилась и поверхностная мозаика континентальных плит. Если в 70-х годах геофизики оперировали 6 основными плитами, то теперь их около 80.

Классическая термодинамика: понятие энтропии и второе начало термодинамики

Термодинамика - судя по названию - должна изучать потоки тепла. Первым важным шагом на этом пути было исследование цикла Карно. Сади Карно опубликовал научный труд, в котором он анализировал работу идеальной тепловой машины. Допустим, перед нами цилиндр с поршнем, наполненный холодным газом. Если газ нагреть, то он, расширяясь, будет толкать поршень. Чтобы машина могла работать непрерывно, необходимо вернуть поршень назад и повторить цикл.

Для этого необходимо либо выбросить горячий газ и впустить в цилиндр новый, холодный (как это делается в двигателе внутреннего сгорания), либо охладить прежний объём газа. В любом случае нас ожидает пренеприятнейшая процедура - механик тратит дорогое топливо, чтобы нагреть газ, но часть полученного тепла он вынужден выбросить в окружающую среду, чтобы машина смогла совершить следующий цикл. Таким образом, никакая тепловая машина не может обладать стопроцентным КПД (коэффициент полезного действия). Всю работу можно перевести в тепло, но не всё тепло - в работу. Реальный переход в современных тепловых машинах составляет 20-30%. Термодинамика как наука оформилась позже, в 50 - 60-е годы XIX в., в трудах Клаузиуса, У. Томсона, Максвелла, Джоуля. Наиболее важным её понятием стала энтропия, разработанная Клаузиусом в 1865 г. и обозначаемая буквой S (ДS=ДQ/T, где ДQ - тепло, переданное одним телом другому телу, а T - температура). С помощью энтропии можно было вычислять направление потоков тепла. Оно определяется фундаментальным принципом - вторым началом термодинамики, которое записывается так: ДS ? 0, что означает - энтропия не может уменьшаться. В частности, приняв этот постулат, можно доказать, что тепло никогда не перейдёт от менее нагретого тела к более нагретому - при этом уменьшилась бы энтропия. Закономерен вопрос - если есть второе начало термодинамики, то должно быть и первое?

Первым началом является закон сохранения энергии. Энтропия как мера хаоса В конце XIX в. Людвиг Больцман расширил границы термодинамики, введя новое определение энтропии: S = k ln W, где W - термодинамическая вероятность, k - постоянная Больцмана. Теперь второе начало из постулата превратилось в теорему, доказуемую методами теории вероятности. Теперь энтропию можно представлять как меру хаоса, беспорядка, а второе начало термодинамики следует читать так: беспорядок (неупорядоченность) со временем способен только возрастать, упорядоченность никогда не создаётся самопроизвольно.

Возникновение и эволюцию жизни на Земле всегда рассматривают как становление более сложного из более простого, а фундаментальный закон природы - второе начало термодинамики - запрещает подобные процессы. Долгое время физики и биологи старались не замечать этого противоречия.

В конце 40-х годов Э. Шрёдингер издал маленькую популярную книжку "Что такое жизнь с точки зрения физика", где попытался разрешить этот парадокс. В конечном счёте Шрёдингер приходит к выводу, что живые организмы извлекают из окружающей среды отрицательную энтропию. Как? - посредством питания. С этим тезисом не согласится ни один физиолог.



Термодинамика открытых систем

Второе начало термодинамики, безусловно, является абсолютным законом природы. Но в логических построениях физиков от Карно до Шрёдингера есть брешь. Существует особый класс термодинамических систем - открытые системы - в которых возникают локальные условия для появления упорядоченности. Открытые системы ещё называют потоковыми - в них действительно существует поток как некоторая математическая абстракция, но ничто не мешает нам представить её в виде вещественного потока некоторой материи или энергии. Представим себе классический резервуар, в который нечто вливается и из которого нечто выливается. Если энтропия того, что выливается больше, чем энтропия на входе, то что творится с энтропией резервуара? Она может понижаться, но так, чтобы её дефицит внутри покрывался приростом снаружи, на выходе. Второе начало термодинамики приводит к выравниванию температур и запрещает ситуацию, в которой два равномерно нагретых тела поделили бы тепло так, что одному достался бы жар, а другому - холод. Однако холодильник на кухне работает, нагревает решётку сзади и охлаждает камеру внутри! За счёт чего? Термодинамически рассуждая, за счёт разупорядочения потока, точнее - тока электрического, превращения направленного движения электронов (упорядоченность) в хаотическое движение молекул нагретого газа (беспорядок). Грубо говоря, в выделенном месте можно создать умеренный порядок, если в другом сотворить большой беспорядок. Потоковые системы такого рода обычно называют диссипативными (лат. dissipatio - рассеяние) - в них происходит разупорядочивание энергетических процессов. Для них характерны большие различия начального и конечного состояний потока, это сильно неравновесные системы. Внутри потоковой системы упорядоченность может возникать самопроизвольно. Представьте себе подушечку для иголок и обрывки ниток, оставшихся в ушках иголок. Они расположены хаотически. Мысленно подуйте на подушечку - и нитки расположатся упорядоченно, вдоль потока. Разумеется, термодинамика открытых систем работает не с подушечками, а с условиями минимизации некоторых математических функций. А много ли порядка надо для возникновения жизни? Фон Нейман рассчитал, что система, способная создавать своё подобие, проще говоря - размножаться, должна содержать не менее 10 000 элементов. И всё. Отдельные горячие головы предложили даже четвёртое начало термодинамики - "в сложной потоковой системе за достаточно большое время должна появиться жизнь". Разумеется, это уже не закон природы а декларация желаемого. Однако если в этой фразе слово "должна" заменить на "может", она будет выглядеть вполне пристойно. Обратим внимание на то, что здесь не оговаривается химизм субстрата жизни. Есть позиция, остроумно названная "водно-углеродным шовинизмом", т. е. утверждение, что живое существует только в виде углеродных соединений и только при наличии воды. Термодинамика этот тезис игнорирует.

Возникновение жизни на Земле: образование мономеров полимерных соединений

Известно, что наше тело состоит из жиров, белков и углеводов. Проще всего устроены углеводы. Из мономерных углеводов собираются полимеры вроде крахмала. Эти конструкции также очень просты. Жиры представляют из себя эфиры глицерина и жирных кислот. Они потенциально более разнообразны, чем сахара, но не полимеризуются. Белки являются полимерами аминокислот. В настоящее время земная жизнь создает для своих нужд около 20 аминокислот, хотя их может бы быть гораздо больше. Нуклеиновые кислоты образованы азотистыми основаниями - пиринами и пиримидинами, связанными с пятиатомными сахарами - рибозой или дезоксирибозой, а также остатками фосфорной кислоты. Это наиболее сложные молекулы, существующие в природе. Кирпичики жизни - моносахариды, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты, азотистые основания, имеющиеся в современной биосфере, имеют только биогенное происхождение. Это объясняется двумя причинами - практически любая органика разлагается микроорганизмами до углекислого газа и воды, а кроме того, в кислородной атмосфере они термодинамически неустойчивы. В 50-е годы американцы Юри и Миллер провели очень важный эксперимент. В сосуде, содержавшем воду и смесь метана, аммиака, углекислоты и водяных паров, имитирующую исходную земную атмосферу, постоянно пропускали электрическую искру - она имитировала грозовой разряд и служила источником ультрафиолета. В результате через некоторое время в воде обнаруживались все кирпичики жизни - сахара, аминокислоты, жирные кислоты и азотистые основания, а кроме того - ряд других органических соединений, например, пиррольные кольца, являющиеся основой активного центра хлорофилла. Позже подобные вещества были найдены в космической пыли и в метеоритах. Работа Миллера вызвала шквал исследований. "Кирпичики жизни" - мономерные органические соединения - удавалось получить при моделировании самых разных параметров первичного океана и атмосферы, задавая исходные температуры порядка и 200° С в "сухой фазе" и минус 50 - 60° на поверхности льда, варьируя парциальное давление и ионизацию газов первичной атмосферы, в присутствии глин или соединений серы, причём они легко полимеризовались с образованием соединений с атомной массой до тысячи и выше. Таким образом, можно считать доказанным, что в горячем, щелочном первичном океане кирпичиков жизни было достаточно. Однако груда кирпичей - это ещё не Собор Парижской Богоматери. Как произошла сборка живого организма?

Геологические процессы в архее и протерозое

Архейская группа и эра, так называются древнейшие слои земной коры, они сложены из гнейсов и кристаллических сланцев, и так как не содержат в себе окаменелостей животных, то называются также азойскими. А. группа делится на 2 системы: нижняя, следов, более древняя, лаврентьевская или система первобытного гнейса, и верхняя - гуронская или система первобытного сланца. Оби вместе составляют пласт толщиной в 100 т. фут. и, по-видимому, образуют замкнутую оболочку вокруг всего земного шара. Книзу архейские образования очень богаты алиазами, золотом, платиной, серебром, медью, железом и др. металлами.- А. эрой назыв. период времени, потребовавшийся для отложения слоев А. группы.

Архейская эра, начавшаяся 3,5 млрд. лет тому назад, сопровождалась небывалой силы тектоническими процессами. Выплавлялись первые граниты и появились первые островки суши, впоследствии давшие начало материкам. Выветривание их поверхности дало первые осадочные породы. Около 3 млрд. лет назад сформировалось земное ядро и ход конвективных процессов в мантии обрёл современную форму. Океан был горячим - 40 - 50° С, атмосфера - бескислородной, восстановительной. Следующая эра - протерозойская - началась 1,8 млрд. лет назад. Легкая тонкая кора архейской эры в процессе переплавок породила стабильные материковые платформы - нечто тектонически неизменное.

На краях платформ происходит коробление коры, прогибы, разломы, проявляется вулканизм - здесь наблюдается то, что издавна называется геосинклинальной зоной, но сами плиты практически неизменны. Завершение формирования платформ приблизительно соответствует границе архея и протерозоя. Для геолога протерозой - это ранняя эпоха формирования осадочных пород на обширных пространствах материков.

Главным образом это были абиогенные карбонаты - доломиты и известняки. Для протерозоя характерны активные процессы осадкообразования. В протерозое появляются сине-зеленые водоросли, простейшие организмы, возникают многоклеточные организмы.



Развитие жизни в архее и протерозое

Жизнь в это время была представлена сообществами, где ведущую роль в звене продуцентов играли цианобактерии (сине-зелёные водоросли), а их мёртвые клетки разлагали многочисленные и разнообразные бактерии «микрофлоры рассеивания». Эти сообщества оставили после себя ископаемые строматолиты. Значительная часть бактерий свиты рассеивания сама была способна к производству органики, получая энергию от химических соединений, порождённых активным вулканизмом. Они тоже оставили доказательства своего существования. Так, бактерии, окисляющие сероводород до серы, создали нынешние залежи самородной серы. Два с лишним миллиарда лет, от раннего архея до позднего протерозоя жизнь темпы биологической эволюции были очень медленными. Ускорение биологической эволюции дали многоклеточные эукариоты, появившиеся, возможно, в позднем архее. Однако протерозойский спурт мог быть обеспечен только появлением достаточного количества кислорода в атмосфере. Теперь обладатели митохондрий, разлагая тот же субстрат, что и раньше, могли получать раз в пять больше энергии. В позднем протерозое была пройдена «точка Пастёра» - такая концентрация кислорода в окружающей среде, выше которой кислородное дыхание становится энергетически выгодным. Появившиеся около миллиарда лет назад многоклеточные красные и зелёные водоросли способствовали переходу атмосферы из восстановительной в окислительную. Бактерии по-прежнему являются ведущей силой в геологических процессах. Теперь железобактерии создают запасы железных руд. Если в прежние времена ржавое железо должно было бы на воздухе превращаться в зелёную закись, то теперь растворимые закисные формы железа энергетически выгоднее переводить в нерастворимый Fe2O3. Этот процесс может происходить как абиогенно, так и в результате деятельности железобактерий. Возможно, важнейшие запасы железных руд Курской магнитной аномалии, Криворожского бассейна и др. сделали те же микроорганизмы, которые и сейчас поселяются на внутренней поверхности железного бака с водой. Переводя железо в нерастворимую форму, железобактерии откладывают его в виде чехлика на наружной поверхности клеток. Потом они отмирают, а эти пустотелые колбаски из ржавчины будут миллиард лет ждать металлургов. В море накапливаются соли серной кислоты - сульфаты. Их окисленная сера - тоже продукт деятельности бактерий.В позднем протерозое (речь идёт о двух последних его периодах - рифее и венде) существовали красные и зелёные водоросли современных отрядов и классов. Тогда же возникли многоклеточные животные практически всех известных нам типов. Как и от кого - пока неизвестно, точнее, неизвестна та группа простейших, которая могла породить многоклеточных животных. Ближайшими нашими родственниками являются истинные грибы - мухоморы, дрожжи, плесени. Губки (паразоа), которые в учебниках зоологии рассматриваются как первые многоклеточные организмы - это параллельная веточка многоклеточных животных, возникшая до разделения предков грибов и собственно многоклеточных животных - метазоа.

Кембрийский парадокс и жизнь в палеозое

Вдруг ленивый шаг биологической эволюции сменяется на бешеный галоп. Это происходит в следующую геологическую эру - палеозойскую. Здесь наблюдается так называемый кембрийский взрыв. 570 млн. лет назад, сразу, с четверга на пятницу, со свистом и грохотом, животные начали строить панцири, раковины, зубы, хитиновый наружный скелет - всё то, что сохраняется, где углерод медленно заменяется кремнием, и создаёт окаменелости. Прежнюю убогую картину с маловыразительными сульфатами, строматолитами и самородной серой, ржавыми слепками бактериальной клетки сменяют отпечатки целых животных - членистоногих, моллюсков, губок, кораллов, иглокожих.

Кембрий - первый период палеозойской эры. Когда биолог говорит слово «докембрийский», он подразумевает при этом пустоту и неизвестность. Есть ещё два термина - криптозой - эра скрытой жизни, то же, что и докембрий, и фанерозой - эра явной жизни. Кембрийский парадокс содержит две загадки. Первая - почему это произошло? И почему именно 570 млн. лет назад? Вторая - где предковые формы? В кембрии присутствуют основные типы животных, но откуда они взялись? Биологи любят рисовать филогенетические деревья, отражающие историю животных. Если взять такое дерево, отрезать нижнюю половину, останется то, что содержит фанерозой. Вот вершки, но где корешки? Во второй половине ХХ века была открыта докембрийская фауна, которую называют эдиакарской или вендской. Она представлена желетелыми организмами, совершенно непохожими на всё то, что есть в кембрийских отложениях. Появляется третья загадка - наряду с вершками без корешков появились корешки без вершков, кембрийские вершки и вендские корешки несовместимы… Чем питались животные кембрия? Большинство из них были фильтраторами, т. е. отцеживали микроскопический планктон. Это губки и археоциаты, некоторые кишечнополостные, внешне похожие на двустворчатых моллюсков брахиоподы (плеченогие), многие кольчатые черви и раки, а также первые представители хордовых. Нынешние коралловые полипы живут за счёт симбитических одноклеточных водорослей, обитающих в тканях полипов. Вероятно, так же было и в кембрии. Мелкие водоросли, постоянно поселяющиеся на твёрдом субстрате - безусловно, существовали и в кембрии. Ими питаются соскребатели - улитки из класса брюхоногох, первые представители которых тоже известны из кембрия. Имевшиеся тогда крупные многоклеточные водоросли - красные и зелёные - имеют сравнительно близких ныне живущих родственников, которых и сейчас мало кто способен съесть. Их мёртвые тела покрываются шубой бактерий и становятся достаточно привлекательной пищей для детритофагов (мертвоедов). Эти звенья пищевой цепи - самые многочисленные и разнообразные - занимали трилобиты. И, наконец, появляются хищники - крупные членистоногие, родственные им аналомокарисы и головоногие моллюски. Следующий период палеозоя - ордовикский - характерен увеличением разнообразия жизни. Количество ископаемых видов и родов увеличивается на порядок. Появились бурые водоросли - те самые, которые создают подводные леса в прибрежной части современных морей, известные потребителю в виде морской капусты. От трилобитов отщепляется веточка, развившаяся в подтип хелицеровые (ныне полнее всего представленная паукообразными). Их наиболее древние представители - ордовикские ракоскорпионы - мало отличаются от современных скорпионов. Они первыми вышли на сушу. В кембрийские и ордовикские времена жизнь существовала в основном в море, высшие формы жизни - исключительно в море. Следующий период - силурийский - характеризуется выходом на сушу многоклеточных растений и животных - прежде всего паукообразных и многоножек. Покинуть водную среду они смогли только после накопления в атмосфере достаточного количества кислорода, и, как следствие, появления озонового экрана, защитившего поверхность планеты от «кварцевания» жёстким ультрафиолетом солнечного излучения. Сколько-нибудь знакомых нам сосудистых растений нет. В прибрежной зоне, в местах с высокой влажностью селятся псилофиты (правильнее - риниофиты) - сосудистые растения без листьев и корней, ползучий стебель, от которого вверх на несколько десятков сантиметров поднимаются редко ветвящиеся зелёные палочки. Их отдалённые потомки дожили до наших дней (3 вида). Собственно рыб нет («панцирные рыбы» силура - не рыбы, а нечто чуть повыше ланцетника) животных ещё нет, континенты заселены паукообразными, насекомыми, многоножками. В следующем, девонском периоде в океане появляются рыбы - хрящевые и костные, а в самом конце девона примитивные костные выходят на сушу и превращаются в земноводных. Природа изобретает листья - источник питания для новых животных. Листья легче всего разрушаются с образованием гумуса (перегноя). Так растения превращают грунт в почву и в этом им помогают беспозвоночные. Под слоем листового опада благоденствуют новые формы членистоногих. Помимо почвенных клещей - представителей класса паукообразные - возникают неведомо от кого произошедшие трахейнодышащие: несколько классов многоножек и первый класс насекомых - скрыточелюстные. Все они - почвенные животные, питающиеся мёртвой растительностью, детритофаги или хищники, пожирающие детритофагов.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8