Возникновение жизни на Земле
Возраст Земли составляет примерно треть возраста Вселенной. В этот промежуток времени произошло огромное количество биологических и геологических изменений (диаграмма 11.1).
Вулканическая дегазация создала первичную атмосферу, но в ней почти не было кислорода и она была бы токсичной для людей и современной жизни в целом. Бо́льшая часть Земли была расплавленной из-за активного вулканизма и частых столкновений с другими космическими объектами. Со временем такие космические бомбардировки прекратились, что позволило планете остыть и образовать твёрдую кору. Доставленная на планету кометами и астероидами вода cконденсировалась в облака и океаны. Земля стала, наконец, гостеприимной для жизни, а самые ранние её формы обогатили атмосферу кислородом. Около 3,5—3,8 млрд лет назад появился «последний универсальный общий предок», от которого впоследствии произошли все другие живые организмы.
Диаграмма 11.1.
Наиболее важные события и основные этапы развития планеты Земля с момента её образования и до наших дней.
Развитие фотосинтеза позволило живым организмам использовать солнечную энергию напрямую. Это привело к оксигенации атмосферы, начавшейся примерно 2500 млн лет назад, а в верхних слоях — к формированию озонового слоя. Симбиоз мелких клеток с более крупными привёл к развитию сложных клеток — эукариот. Примерно 2,1 млрд лет назад появились многоклеточные организмы, которые продолжали приспосабливаться к окружающим условиям. Благодаря поглощению губительного ультрафиолетового излучения озоновым слоем жизнь смогла начать освоение поверхности Земли.
В 1960 г. была выдвинута гипотеза Земли-снежка, утверждающая, что в период между 750 и 580 млн лет назад Земля была полностью покрыта льдом. Эта гипотеза объясняет кембрийский взрыв — резкое повышение разнообразия многоклеточных форм жизни около 542 млн лет назад. Около 1200 млн лет назад появились первые водоросли, а примерно 450 млн лет назад — первые высшие растения. Беспозвоночные животные появились в эдиакарском периоде, а позвоночные — во время кембрийского взрыва около 525 миллионов лет назад.
После кембрийского взрыва было пять массовых вымираний. Вымирание в конце пермского периода, которое является самым массовым в истории жизни на Земле, привело к гибели более 90 % живых существ на планете. Одно из объяснений этого вымирания сводится к падению крупного астероида, вызвавшего существенное изменение климата. Согласно другой (более распространённой версии) вымирание было вызвано глобальным усилением вулканической активности в связи с тем, что все материки соединились в один единый континент — Пангею. После пермской катастрофы самыми распространёнными наземными позвоночными стали архозавры, от которых в конце триасового периода произошли динозавры. Они доминировали на планете в течение юрского и мелового периодов.
65 млн лет назад произошло мел-палеогеновое вымирание, вызванное, вероятно, падением метеорита. Оно привело к исчезновению динозавров и других крупных рептилий, но обошло многих мелких животных, таких как млекопитающие, которые тогда представляли собой небольших насекомоядных животных, а также птиц, являющихся эволюционной ветвью динозавров. В течение последних 65 миллионов лет развилось огромное количество разнообразных видов млекопитающих, и несколько миллионов лет назад обезьяноподобные животные получили способность прямохождения. Это позволило использовать орудия и способствовало общению, которое помогало добывать пищу и стимулировало необходимость в большом мозге. Развитие земледелия, а затем цивилизации, в короткие сроки позволило людям воздействовать на Землю как никакая другая форма жизни, влиять на природу и численность других видов.
Последний ледниковый период начался примерно 40 млн лет назад, его пик приходится на плейстоцен около 3 миллионов лет назад. На фоне продолжительных и значительных изменений средней температуры земной поверхности, что может быть связано с периодом обращения Солнечной системы вокруг центра Галактики (около 200 млн лет), имеют место и меньшие по амплитуде и длительности циклы похолодания и потепления, происходящие каждые 40—100 тысяч лет, имеющие явно автоколебательный характер, возможно, вызванный действием обратных связей от реакции всей биосферы как целого, стремящейся обеспечить стабилизацию климата Земли (гипотеза Геи, выдвинутую Джеймсом Лавлоком).
Последний цикл оледенения в Северном полушарии закончился около 10 тысяч лет назад.
Основные этапы эволюции приведены в табл.11.1. и приложении.
Таблица 1.1.
Краткая хронология эволюции жизни
| ~4,6 млрд.лет назад | Возникновение Земли |
| 4 млрд.лет назад | Зарождение жизни на Земле (прокариоты - примитивные одноклеточные организмы) |
| 2 млрд.лет назад | Появление клеток с ядрами (эукариоты) |
| 1 млрд.лет назад | Первые многоклеточные организмы |
| 542 млн.лет назад | Начало палеозойской эры, кембрийский взрыв |
| 500 млн.лет назад | Появление первых позвоночных животных |
| 444 млн.лет назад | Выход жизни на сушу |
| 250 млн.лет назад | Начало мезозойской эры, появление динозавров |
| 65 млн.лет назад | Начало кайнозойской эры, конец эпохи динозавров |
| 2,5 млн.лет назад | Начало четвертичного периода(появился род Homo) |
| 200 000 лет назад | Появление первых Homo Sapiens (люди обрели современный вид) |
Эволюция. Синергетика
Все отрасли естествознания пронизаны принципом эволюционизма, т.е. убеждением в том, что материя, Вселенная и все ее элементы развиваются (эволюционируют). Эволюция в широком смысле слова – процесс возникновения более сложных структур из более простых. Можно выделить такие этапы эволюции, как космическая, химическая, геологическая, эволюция протоклетки, эволюция человека, общества и т.д.
Химическая эволюции или пребиотическая эволюция — первый этап эволюции жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул.
Биологическая эволюция — естественный процесс развития живой природы, сопровождающийся: изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, видообразованием и вымиранием видов, преобразованием экосистем и биосферы в целом.
Приблизительная хронология основных этапов эволюции отражена в табл. 12.1.
Таблица 12.1
Этапы эволюции
| Эволюция | Событие, послужившее началом фазы эволюции | Времялет назад | Событие, послужившее окончанием фазы | Времялет назад |
| Космическая | Большой взрыв | 13,7 млрд. | продолжается | |
| Химическаяпребиотическая | Образование тяжелых хим.элементов с ат. массой ›26 по окончании 2го цикла звездообразования | 13,5-12,5 млрд. | Возникновение живых структур | ≥3,5 млрд. |
| Биологическая | Сложные органические вещества и биохимические реакции произошли от простых химических реакций | ≥3,5 млрд. | Биол.эволюция человека прекратилась с использованием орудий труда | 2-3 млн. |
| Биосфера непрерывно эволюционирует |
Элементарный процесс эволюции – самоорганизация. В широком смысле слова самоорганизация - тенденция развития природы от менее сложных к более сложным и упорядоченным формам организации материи. В более узком понимании самоорганизация -спонтанный переход открытой неравновесной системы от простых и неупорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным.
Сущность самоорганизации в открытых системах изучает синергетика. Главная идея синергетики - принципиальная возможность спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Особенностью самоорганизаци является то, что изменения происходят под влиянием внутренних факторов, действующих в системе, а не накладываются на нее извне.
Требования к самоорганизующимся системам (структурам):
1) системы должны быть неравновесными– находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия;
2) открытыми - должны получать приток энергии, вещества и информации извне;
3) нелинейность внутренних процессов - возможность сверхбыстрого развития процессов в системе;
4) наличие флуктуации-любое колебание или любое периодическое изменение (неоднородность).
Неравновесная система характеризуется следующими особенностями:
o Система реагирует на внешние условия (гравитационное поле и т. п.)
o Поведение случайно и не зависит от начальных условий, но зависит от предыстории
o Приток энергии создает в системе порядок, следовательно ее энтропия S, характеризующая степень беспорядка, уменьшается.
o Наличие бифуркации — переломной точки в развитии системы
o Когерентность: система ведет себя как единое целое. Каждая молекула как бы «информирована» о состоянии системы в целом.
Неравновесная (или стационарная) открытая система называется диссипативной системой. Диссипативная система - открытая система, находящаяся вдали от термодинамического равновесия:
o Возникает в неравновесной среде при условии диссипации (рассеивания) энергии, которая поступает извне (требует для возникновения большого количества энергии)
o Диссипативная система характеризуется спонтанным появлением сложных структур ( жизнь, разум)
Точка бифуркации — критическое состояние системы, при котором система становится неустойчивой относительно флуктуаций и возникает неопределенность:
1. станет ли состояние системы хаотическим или она
2.перейдет на новый более высокий уровень упорядоченности.
Свойства точки бифуркации:
o Непредсказуемость. Обычно точка бифуркации имеет несколько веточек аттрактора (устойчивых режимов работы), по одному из которых пойдёт система. По какому? - заранее невозможно предсказать.
o Точка бифуркации носит кратковременный характер и разделяет более длительные устойчивые режимы системы
Фундаментальный принцип самоорганизации – возникновение нового порядка и усложнение систем через флуктуации (случайные отклонения) состояний их элементов и подсистем.
Процесс самоорганизации в сложных системах разных уровней:
1 - Динамически стабильные и адаптивные системы. Флуктуации обычно подавляются за счёт отрицательных обратных связей. ООО обеспечивают сохранение структуры и близкого к равновесию состояния системы.
2 - Более сложные открытые системы. Приток энергии извне и усиление неравновесности. Отклонения со временем накапливаются и вызывают эффект коллективного поведения элементов и подсистем (положительные обратные связи).
Характеристика видов обратной связи дана на диаграмме 12.1.
Диаграмма 12.1.
Виды обратной связи
Для сложных систем в зависимости от степени сложности:
1) - либо разрушение прежней структуры,
2) - либо возникновение нового порядка.
1) Недостаточно сложные системы не способны к развитию и при получении извне чрезмерного количества энергии необратимо разрушаются. 2) Самоорганизующаяся, эволюционирующая система. Возникшие изменения не устраняются, а накапливаются и усиливаются. Возможно возникновение нового порядка и новых структур, образованных из элементов прежней, разрушенной системы
Этап самоорганизации наступает только в случае преобладания положительных обратных связей, действующих в открытой системе, над отрицательными обратными связями.
«Поддержание организации в природе не достигается …управлением из одного центра; порядок может поддерживаться только с помощью самоорганизации.» - из доклада для Европейского Совета, подготовленным Карлом Бибрахером, Грегуаром Николисом и Петером Шустером
Список литературы
1) Бондарев В.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие – М.:Альфа – М:ИНФА – М, 2010. – 445 с.:ил.
2) Горелов А.А. Концепции современного естествознания: учебное пособие – М.: Издательство Юрайт; Высшее образование, 2010. – 335 с.
3) Концепции современного естествознания: Учебник для ВУЗов. Под ред. Проф. В.Н.Лавриненко. –М.: Юнити-дана, 2001. – 303с.
4) http://ru.wikipedia.org/wiki/Методы научного познания
5) http://ru.wikipedia.org/wiki/Научные революции
6) http://ru.wikipedia.org/wiki/Картины мира
7) http://ru.wikipedia.org/wiki/Вселенная
8) http://ru.wikipedia.org/wiki/Солнечная система
9) http://ru.wikipedia.org/wiki/Земля
10) http://ru.wikipedia.org/wiki/Эволюция
11) http://ru.wikipedia.org/wiki/Синергетика