1. Происхождение Вселенной и Солнечной системы
Происхождение Вселенной представляет пока нерешенную в своей полноте проблему, однако ход ее эволюции с определенной стадии можно считать установленным на базе открытых законов и наблюдательных фактов.
Предполагается, что энергетика процесса расширения материи из первоначального сверхгорячего и сверхплотного состояния была обеспечена преимущественно аннигиляцией частиц и античастиц при некотором избытке частиц, ставших исходным веществом для формирования космических тел. В процессе остывания оно проходит последовательные фазы интенсивных взаимопревращений, затем — электрически нейтральной плазмы и газовой смеси гелия (25%) с водородом (75% по массе).
Присутствие других элементов в том числе более тяжелых крайне незначительно, и их образование связано уже с процессами синтеза в недрах рождающихся звезд. Но каким образом появляются эти плотные горячие объекты в уже остывшей и разреженной среде с перспективой неизбежной тепловой смерти?
Однако на пути, казалось бы, безудержного расширения Вселенной природа ставит барьеры самоорганизации материи, тормозящие процессы деградации. Роль противодействующего фактора играет гравитация, которая через механизм взаимного притяжения значительно уплотняет разреженную космическую среду, состоящую преимущественно из водорода, гелия и примеси более тяжелых элементов в виде пылевых частиц. Чтобы силы гравитации справились с возрастающим при сжатии давлением среды, необходимо ее предварительное охлаждение. Для образования космического объекта из газопылевого облака его плотность, размеры, температура и масса должны соответствовать друг другу достаточно строго. Рождение Солнца предполагает существование индивидуального облака при плотности 2•10—18 г/см3, температуре 10К, радиусом ≈0.02 Парсек (≈6•1011км), что примерно в 100 раз больше радиуса орбиты самой дальней планеты солнечной системы — Плутона. Радиус образовавшегося Солнца почти в 1 млн. раз меньше родившего его облака, а средняя плотность светила всего в 1.4 раза выше плотности воды, хотя в центре это соотношение приближается уже к двумстам.
Показательно, что среднемассовая температура оформившегося Солнца составляет около 9 млн. градусов, при 15 млн градусов в центральной области и примерно 5500°С на поверхности. В связи с этим заметим, что подавляющая часть материи Вселенной сосредоточена в звездах и имеет высокую температуру при очень холодной межзвездной среде.
Более вероятно представляется образование Солнца в коллективе с другими звездами: в составе ассоциаций или скоплений. Их масса может составлять от десятков до тысяч масс Солнца с размерами в десятки парсек. Требования к температуре и плотности газово-пылевого комплекса для его гравитационного уплотнения будут менее строгими. Такой достаточно протяженный массив в общем случае характеризуется неравномерностью температуры и плотности по объему, а также наличием облаков, движущихся относительно друг друга со скоростями до 10 км/сек. Распад комплекса на отдельные фрагменты происходит вследствие гравитационной неустойчивости, которая может быть усилена ударными волнами от взрыва сверхновой звезды, столкновением облаков и т. д. После оформления протосолнца с локализацией массы в объеме с размерами порядка тысячных долей парсека возможно улавливание облаков, движущихся тангенциально относительно его центра и перевода их в режим орбитального движения. Допускаемая скорость облаков для удержания на орбите близ периферии составляет около 1 км/сек.
Существенное ускорение уплотнения наступает, когда радиус протосолнца в 10000 раз превышает размер будущего светила, т.е. близкий к радиусу орбиты Плутона. Сжатие протосолнца до будущей орбиты Венеры занимает всего около 10 лет. Силы гравитации с этой стадии уже не обеспечивают дальнейшего сжатия из-за сильного разогрева, и требуется охлаждение протозвезды для продолжения процесса аккреции. Стационарное состояние Солнца устанавливается через несколько десятков миллионов лет, когда создаются условия для прохождения протон — протонной термоядерной реакции.
Потеря массы Солнца излучением за время его существования (≈4.6 млрд. лет) составило несколько более 100 масс Земли, или около 0.03% массы Солнца. За это же время убыль водорода, превратившегося в ходе термоядерной реакции в гелий, оказалось на уровне 4.5% от массы Солнца.
Масса всех планет примерно в 448 раз больше массы Земли, а масса всех спутников в 8 раз меньше массы нашей планеты или в 10 раз превышает массу Луны.
Средняя скорость движения Земли по орбите — 29.8 км/сек, период обращения вокруг Солнца 365.24 средних солнечных суток, наклон земной оси к плоскости орбиты ≈66.5°; а к перпендикуляру ≈23.5°, период вращения вокруг оси ≈23 часа 56 минут.
Наличием угла наклона земной оси к плоскости орбиты может быть объяснен закономерным для всех планет движением к общей плоскости обращения вокруг Солнца под действием сил гравитационного взаимодействия. Основную роль в этом процессе, который к настоящему времени еще не завершен, играют Юпитер и Сатурн. Можно полагать, что Земля образовалась близко к плоскости орбиты Сатурна, а современному положению обязана в большей степени Юпитеру.
Важным обстоятельством, имеющем отношение к особенностям образования Солнца, является его незначительный момент количества движения по сравнению с планетами. По этому параметру оно уступает планетам в сумме ≈136 раз, хотя превосходит их по массе в 748 раз.
Земля принадлежит к группе планет с существенно более высокими плотностью и скоростями обращения по орбите, чем удаленные от Солнца Юпитер, Сатурн и др. Орбитальные скорости планет так называемой «земной группы» различаются от 47.9 км/сек у Меркурия до 24.1 км/сек у Марса, тогда как у остальных планет они составляют от 13.1 км/сек у Юпитера до 4.7 км/сек у Плутона.
Плотность планет «земной группы» составляет в среднем 5300 кг/м3 против ~ 1200 кг/м3 у остальных.
Существующие модели образования Солнечной системы не объясняют столь разительного (примерно в 4.5 раза) расхождения в плотности планет земной и периферийной групп.
Как упоминалось выше, сжатие Протосолнца сопровождается его прогрессирующим нагревом за счет гравитационной энергии. При прохождении внешней границы протозвезды уровня орбит от Марса до Меркурия среднемассовая температура объема увеличивается примерно от 15 до 50 тысяч градусов. Температура наружных слоев будет существенно ниже: ≈2300 К для Марса, ≈2800 К для Земли, около 4200 К для Венеры и 6000 К для Меркурия.
Несмотря на разреженность газовой среды, достаточно длительное нахождение под действием лучистого нагрева приводит к освобождению сгустков протопланет (планетезималей) от летучих компонентов, а для Меркурия и Венеры вполне реально может произойти даже полное или частичное расплавление.
Что касается Юпитера и Сатурна, то температура газа в области их образования при сжатии Протосолнца менее 1200 К и 700 К соответственно. Быстрое прохождение зоны этих планет наружной границей образующейся звезды и высокая разреженность среды уже не могла обеспечить существенного прогрева будущих планет. Их относительная массивность объясняется удаленностью от Солнца.
Важнейшим фактором, сопровождающим образование Солнца, является интенсивность излучения из сжимающегося объема, существенно превышающая его уровень на любом удалении при стационарном состоянии светила. Равновесные средние температуры на поверхности планет составляют 930 К (6000 К) у Меркурия; 740 К (4200 К) у Венеры; 288 К (2800 К) у Земли; 210 К (2300 К) у Марса; 160 К (1200 К) у Юпитера и 130 К (700 К) у Сатурна. В скобках приводятся значения температур на орбитах планет при прохождении их границы Протосолнца.
При облучении тела на него производится световое давление в результате передачи импульса поглощаемых или отражаемых фотонов. Сила этого давления примерно в 100 раз превышает силу гравитационного притяжения даже самых тяжелых молекул, причем это соотношение не зависит от удаления от Солнца.
На стадии сжатия Протосолнца тяжелые элементы как бы выталкиваются из его объема наружу. Это положение сохраняется в периферийных областях Солнца: конвективной зоне, фотосфере, хромосфере.
Так, излучение из слоя фотосферы, непосредственно примыкающей к конвективной зоне, изобилует линиями поглощения однозарядных ионов железа, магния, причем концентрация этих элементов в несколько раз (до 10) выше, чем в межзвездной среде.
В этой связи представляется парадоксальным факт удержания Солнцем таких легких элементов, как водород и гелий. Температура в фотосфере составляет около 6000 К, что недостаточно для заметной ионизации атомов водорода, которая требует подогрева до 100 тыс. градусов. Уровень температуры для ионизации гелия еще больше (около 180 и 360 тыс. град. соответственно для отрыва первого и второго электрона). «Право» на возврат в глубину Солнца имеют только «голые» ядра этих элементов, но снятие электронной «одежды» может произойти только при температурах 400 тыс. град. и выше, которые характерны для границ между конвективной и промежуточной зон.
Тем не менее такие условия реализуются в атмосфере Солнца уже за пределами фотосферы. Под действием светового давления атомы и молекулы, в том числе и частично ионизированные, разгоняются в области хромосферы до скоростей порядка 100 км/сек.
Проходя через магнитное поле Солнца, индукция которого в тысячи раз выше, чем у Земли, высокоскоростной поток проводящей среды, вызывает появление электродвижущей силы и электрического тока, что характерно для реализации магнитогидродинамического эффекта.
Мощность такого солнечного генератора пропорциональна электропроводности среды и квадрату ее скорости поперек магнитных линий.
В условиях интенсивных электрических разрядов повышается температура среды, степень ее ионизации и электропроводность. Одновременно происходит постепенное торможение потока. На границе хромосферы и короны температура поднимается до уровня порядка миллиона градусов, что достаточно для достижения высокой степени ионизации водорода и гелия. После торможения в гравитационном поле Солнца они в виде протонов и ядер с ускорением порядка 270 м/сек2 возвращаются в конвективную зону.
Отметим, что атомы или ионы тяжелых элементов, являясь поглощающими в относительно низкотемпературной зоне фотосферы, становятся уже излучающими из области короны, причем линии излучения соответствуют наличию ≈15-ти зарядных катионов железа и никеля. При этом энергия ионизации находится на уровне 500 ЭВ, что соответствует температуре даже выше 1 млн. град.
Резкий рост температуры происходит в узкой зоне между хромосферой и короной на удалении около 2000 км от границы Солнца (фотосферы). Из этой зоны тепловой радиационный поток направлен как внутрь, так и наружу. Он примерно в миллион раз меньше общего солнечного потока, что объясняется разреженности атмосферы в этой области.
Однако унос вещества от Солнца все же имеется, но в незначительном количестве и составляет всего 0.01% от массы Солнца за 10 млрд. лет. Уровень потерь у звезд других типов может превышать солнечный в миллион раз.
Такое истечение имеет признаки своеобразного ветра, который классифицируется как солнечный. Скорость молекул составляет около 500 км/сек, температура до полумиллиона градусов при плотности порядка 10—23 г/см3. Этот плазменный поток тормозится и удерживается магнитосферой Земли.
Стабильность массы и активность Солнца в определенной мере связаны, однако при этом не исключены те или иные временные отклонения. На протяжении примерно 4 млрд. лет температурные условия на Земле обеспечивали сохранение и развитие органической жизни, не в последнюю очередь благодаря термостатирующим свойствам мощной гидросферы. Поддержание аналогичных условий на суше становится критичным в последние ≈450 млн. лет.
Между тем установлен ряд оледенений на Земле продолжительностью более 10 млн. лет с периодичностью 200÷300 млн. лет. Столь высокая длительность указывает на связь этих явлений с процессами на Солнце и на их глубинный характер. Снижение уровня его активности, являющееся причиной значительного похолодания, может быть связано с уменьшением мощности энерговыделений в ходе протон — протонных и других термоядерных реакций. Ядра образующегося гелия не только экранируют протоны от столкновений между собой, но значительно снижают их кинетическую энергию. Это объясняется специфическим взаимодействием протонов с гелием, содержащим два нейтрона. Увеличение концентрации гелия сверх уже имеющейся может заметно снизить тепловыделение в реакционной зоне.
Предполагается, что после достижения определенной пороговой концентрации может сработать механизм отстаивания, в результате чего более тяжелый гелий в поле тяготения уйдет к центру ядра Солнца. При этом возрастет концентрация протонов и уровень энерговыделения. Оценки показывают, что осаждение ядер гелия является очень медленным процессом из-за высокой вязкости водородно-гелиевой плазмы. Накопление гелия способствует развитию конвективного режима и установлению естественного барометрического распределения концентраций по радиусу. При этом проявляется некоторое смещение (дрейф) зоны термоядерных реакций по направлению от центра.
Генерируемые в недрах Солнца кванты излучения на пути к поверхности претерпевает огромное число поглощений, переизлучений, многообразные трансформации первоначальной частоты рентгеновского диапазона с превращением в безопасный для жизни оптический спектр со смежными инфракрасным и ультрафиолетовым. Этот процесс занимает время в несколько миллионов лет; средняя скорость прохождения находится на уровне 2 см/час.
В условиях вакуума свету понадобилось бы на это менее двух с половиной секунд. Роль света играют нейтрино. Регистрируя и изучая их спектр можно судить об особенностях процессов в глубине Солнца. И хотя мы купаемся в его лучах — ровесниках австралопитека, такие исследования могут быть полезными.
Более актуальным является изучение одиннадцатилетнего цикла активности, сопровождающегося сменой полярности магнитного поля через 22 года. Такая периодичность связана с особенностями передачи тепла в зоне, прилегающей к наружной поверхности Солнца.
Мощность термоядерного реактора и радиус светила однозначно определяют уровень эффективной температуры фотосферы менее 6000 К (5770 К). При этом возможна неполная диссоциация водорода и слабая ионизация таких элементов, как натрий, калий, магний, кальций, алюминий. Поэтому в поверхностных слоях связанные электроны всех элементов, включая водород и гелий, эффективно поглощают кванты излучения, что и определяет относительную непрозрачность среды в этой зоне. Температурные условия в более глубоких областях обеспечивают полную ионизацию элементов, кроме тяжелых, и тем самым высокую прозрачность.
За время существования Солнца тяжелые элементы световым давлением были вытеснены в поверхностные слои. В результате этого их весовая концентрация в отдельных областях может достигать 10 и более процентов, что в сотни раз превышает средние значения.
Когда лучистый механизм вывода тепла наружу не обеспечивает требуемого уровня, блокируемый поток тепла производит дополнительный подогрев среды. Это приводит, помимо роста радиационного потока, к возбуждению механизма конвекции. Условием ее возникновения и поддержания является снижение плотности среды на каждом уровне по сравнению с вышележащим, достигаемое перегревом. Его расчетное значение для водородной среды составляет 20 К на 1 км. и зависит от молекулярного веса и ускорения силы тяготения. Для тяжелых элементов эта величина должна быть на уровне сотен тысяч градусов на тысячу километров, что в реальности не наблюдается. Протяженность конвективной зоны составляет десятки тысяч километров при общем перепаде температур около 500 000 К.
Световое давление на частично ионизированные атомы тяжелых элементов практически на два порядка превышает их вес и создают движущий напор для циркуляционных контуров.
При ориентировочной массе тяжелых элементов в конвективной зоне 1027 кг (0.05% от массы Солнца) это давление может превышать 1012 Па, чего вполне достаточно для поддержания многоярусной циркуляции по радиусу. Отметим, что теплосодержание водорода в десятки раз превышает то же у тяжелых элементов, т.е. выявляется разделение функций между ними по передаче тепла и гидродинамическому обеспечению конвективных контуров. Скорость движения среды в контурах изменяется от сантиметров в секунду в глубине зоны до километров в секунду на границе фотосферы с тенденцией ускорения в фотосфере и хромосфере и отражает обратнопропорциональную зависимость от плотности.
Циркуляционные и конвективные потоки происходят в сложной магнитогидродинамической ситуации. В широких пределах меняются скорость, плотность, степень ионизации и диссоциации молекул, направление движения среды, а также тесно связанные с этими параметрами конфигурация и интенсивность магнитных полей.
Предполагается цикличность обращения тяжелых элементов в конвективной зоне до глубины (60÷70) тыс. км. Расчетное суммарное время подъема и осаждения (принимаются равными) составляет около 10.2 лет, что близко к наблюдаемому циклу активности Солнца (≈11 лет). Циклично изменяется число пятен. Максимальное число пятен может достигать двухсот и падает в цикле до нуля. Наблюдались длительные периоды с практически полным отсутствием пятен. Известен маундеровский минимум (с 1645 по 1715 г), когда насчитывалось всего 50 пятен. Это сопровождалось неурожаями в течение многих лет. Наиболее пострадали Скандинавия, Прибалтика, Россия, где от голода умерло до половины населения.
Пятна рождаются в широтных поясах от 10° до 50°; в полярных зонах и вблизи экватора их нет. Сначала появляется своеобразная пора на поверхности, которая превращается в пятно увеличивающихся размеров, затем образуется хвостовое пятно и другие пятна группы.
При средней величине ≈15 тыс. км. пятна достигают размеров 200 тыс. км., а группа пятен — до 1500 млрд. км2 (апрель 1977 г.). Время существования пятен составляет от нескольких часов до нескольких месяцев. Достигая предельных размеров и максимального удаления друг от друга, пятна и их группы распадаются. Дольше всех сохраняется головное пятно. Отмечается тенденция образования биполярных групп пятен, т.е. пар больших пятен с противоположной полярностью магнитного поля в сопровождении множества менее крупных.
Пятна излучают поток в несколько раз меньше, чем остальная поверхность, однако это с избытком компенсируется незначительным повышением температуры Солнца (<50 К).
Область, непосредственно прилегающая к пятнам, характеризуется наличием факелов и образующихся из них гранул более ярких, чем в центральной части солнечной поверхности.
Более мощными проявлениями солнечной активности являются протуберанцы — спокойные или бурные плазменные образования, удерживаемые в короне до двух месяцев магнитными трубками пятен. Их высота достигает 30 тыс. км.
Самыми взрывными энергиями сопровождаются солнечные вспышки. Их мощность достигает 1023 вт, что всего в 4000 раз меньше полной светимости, а энергия составляет до двукратной от приходящей на Землю в течение года. При этом удельная (отнесенная к единице массы) мощность энерговыделения в сотни миллиардов раз выше, чем для Солнца в целом.
Внешние проявления вспышки: глубокая ионизация тяжелых элементов, образование электронов и протонов с энергией до 1011 ЭВ, коротковолновый спектр излучения хромосферы и короны предполагает наличие высоконапряженных электрических полей.
Это может реализоваться при срабатывании скоростных потоков проводящей среды — плазмы в поперечных магнитных полях, т.е. в солнечных магнитогидрогенераторах.
Отметим, что преимущественная часть работы по ускорению плазмы производится световым давлением на тяжелые элементы, которое только в пределах хромосферы может произвести разгон среды до десятков километров в секунду.
Повышенная, по сравнению с долгосрочным средним уровнем солнечная активность, оборачивается ее закономерным спадом, как правило, более продолжительным. Восстановление сработавшего потенциала активности на глубине конвективной зоны около 75 тыс. км, производится преимущественно радиационным потоком с более низких уровней. Время прохождения тепловым потоком слоя в 30 тыс. км, составляет около 100 лет и увеличивается по мере углубления. Это является причиной проявления циклов активности Солнца с более длительными периодами.
По некоторым прогнозам, с 25-го цикла солнечной активности (после 2020 г.) может установиться период ее снижения подобный маундеровскому минимуму с числом пятен не выше 50 единиц. Уровень ниже 100 ед. является уже основанием для серьезных опасений за климат.
В целом климатическая система Земли характеризуется множеством весьма устойчивых циклов. Накладываясь друг на друга они дают весьма сложную картину. Для удобства анализа факторы влияния на климат могут быть сгруппированны.
Цикличность солнечной активности обсуждалась выше, и были выявлены циклы продолжительностью от 11 лет до сотен миллионов лет.
Количество солнечной энергии, приходящей на Землю, зависит от расстояния до Солнца. Оно максимально в перигелии (максимальное сближение) и почти на 7% ниже в афелии. Изменения энергии при параде планет составляет 4% для крайних положений Земли.
Условия на самой Земле и в атмосфере влияют на количество тепла, поглощаемое, зависящее от альбедо поверхности, и удерживаемое, зависящее от концентрации парниковых газов (метан, диоксид углерода, пары воды).
Стабильность температуры — залог сохранения жизни на Земле, что при определенных обстоятельствах может быть обеспечено соответствующим уровнем энергетики.
Подводя итог анализу эволюции Вселенной, следует отметить особую роль звездообразования в этом процессе.
Исходными «кирпичиками» для формирования космических объектов являются преимущественно 3 элементарных частицы: протон, нейтрон и электрон. Их абсолютная тождественность при исключительном масштабе тиражирования поражает, как и многообразие тел Вселенной, из них образованных.
Креативным фактором этого процесса является гравитация, концентрирующая охлажденную водородно-газовую смесь и разогревающая ее до температуры, инициирующей термоядерные реакции синтеза.
Массы формирующихся звезд могут различаться в сотни раз. Звезды, в недрах которых происходят термоядерные протон — протонные реакции превращения водорода в гелий, относятся к так называемой «главной последовательности» (ГП).
Минимальная масса для прохождения термоядерной реакции составляет около 10% от массы Солнца. По отношению к нашему светилу эти звезды излучают примерно в 1000 раз меньше энергии, а время их нахождения на ГП больше, чем у Солнца (примерно 100 млрд. лет) в 100 раз. Если масса звезды превышает массу Солнца в 10 раз, ее светимость превышает солнечную уже более, чем в 1000 раз при сокращении времени нахождения на ГП до 100 млн лет.
После выгорания водорода в звезде начинается последовательное выгорание гелия и синтезируемых более тяжелых элементов (углерод, азот, кислород и т.д.) остаток звезды превращается в белый карлик, нейтронную звезду или черную дыру.
Солнце — стабильная звезда, что не в последнюю очередь объясняется умеренным уровнем интенсивности тепловыделения, отнесенной к единице массы. Он ниже, чем у человека, примерно в 10000 раз и меньше, чем у дрожжевой клетки, в миллион раз.
2. Земля — космическая колыбель жизни
2.1. Эволюция жизни на земле.
Зарождение жизни на Земле коренным образом изменило ход ее эволюции. К основным химическим элементам, которые принимали в этом активное «участие», относятся углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор.
Углерод по своей роли является универсальной основой жизни, поскольку обеспечивает образование соединений, на несколько порядков превышающее возможности других элементов. Углеродные соединения отличаются высокой прочностью внутримолекулярных связей, многообразием пространственных конфигураций и функциональных групп.
Кроме основных шести элементов, важная роль в придании органическим соединениям специфических функций принадлежит калию, натрию, кальцию, натрию, магнию, хлору и множеству микроэлементов; железу, цинку, меди, марганцу, кобальту и др.
Первоначальный хаос, из которого возникла жизнь, — не просто нагромождение молекул, а наличие потенциальных возможностей, дополняющих друг друга и подлежащих испытанию временем.
Накопление информации происходит одновременно с сокращением вариантов выбора при удачных шагах. Критерием предпочтительной направленности процессов объединения молекул является устойчивость и повышение вероятности самовоспроизведения. Успехом самоорганизации клеток на этом пути было бы крайне маловероятное событие: создание производства с наличием в структуре обязательных служб и цехов. При этом должны быть обеспечены материальное снабжение комплектующими, канализация — отвод лишних молекул и продуктов реакций, энергоснабжения, конструкторский отдел с чертежами изделия, главный технолог, осуществляющий выбор материалов их доставку к месту сборки, её очерёдность и контроль за соответствием образцу, а также защиту от внешних воздействий.
Природа сотворила это чудо, которое стало кирпичиком всего живого, а мы назвали ее клеткой.
У клетки имеются защита в форме наружной части оболочки — стенки, под которой располагается мембрана, обеспечивающая избирательное проникновение веществ из среды внутрь и вывод отходов. Клетка содержит следующие органеллы:
Митохондрия — энергетический отдел клетки.
Вполне возможно, что эта важная органелла клетки имеет свою историю, на некотором этапе вступившая с клеткой во взаимовыгодный симбиоз.
Аппарат Гольджи с функцией транспорта веществ и химической обработки поступающих клеточных продуктов.
Ядро — важнейшее образования в клетке, регулирующее ее жизнедеятельность. Именно ядро несет в себе генетическую (наследственную) информацию, хранимую в ДНК. В ядре непосредственно перед его делением происходит воспроизведение (репликация) ДНК.
РНК и особенно ДНК — нуклеиновые кислоты — хранители генетического кода, но собственно сохранение обеспечивается жизнедеятельностью клетки — микрозавода размерами в несколько микрон и массой такой незначительной, что в одном грамме содержится несколько миллиардов клеток.
Следует отметить высокую энергонапряженность процессов в клетке. Так, по параметру теплоотдачи на единицу массы клетка превосходит Солнце на несколько порядков (примерно в миллион раз). Перевес по отношению к крупным животным составляет около двух порядков.
Протекание процессов зарождения и жизнедеятельности клетки возможно в достаточно узком диапазоне температур и при наличии водного бульона, содержащего набор необходимых веществ. Здесь мы не рассматриваем специфические микроорганизмы, с которыми не связано возникновение жизни.
Предельная температура по фактору денатурацин белков (свертывание и потеря активности) составляет около 40 оС; оптимальная — примерно 27 оС; при низкой температуре активность снижается, но клетки не гибнут и восстанавливают жизнедеятельность при повышении температуры и наличии питательной среды.
Без воды жизнь не может существовать, поскольку она является не только неотъемлемым компонентом живого, но и в течение длительного времени была единственной средой обитания.
Вода является колыбелью жизни, что обеспечивается ее уникальным свойствами.
— Способность растворять соли, сахар, спирты и другие соединения, а так же связанная с этим возможность переносить вещества диффузией или в потоках,
— Большая теплоемкость не допускает опасного изменения температуры, обеспечивая относительное термостатирование;
— Высокая теплота испарение способствует эффективному охлаждению живых организмов, фотосинтезирующих растений при приемлемом уровне потери влаги,
— Значительная теплота затвердевания воды затрудняет образование кристаллов льда в живых организмах, что губительно для них;
— Высокий теплоизолирующие характеристики снега предохраняют корневую систему растений от гибели в зимний период;
— Максимальное среди всех жидкостей поверхностное натяжение обеспечивает возможность роста растений до больших высот, что определяет большую производительность по биомассе в том числе ценного делового строительного материала, относительную проходимость зарослей, возможность укрытия животных от хищников, работоспособность корневой системы растений в сухих почвах и т. д.;
— Вода — источник водорода в процессе фотосинтеза, реагент гидролиза;
— Защита первых микроорганизмов от губительного ультрафиолетового солнечного из лучения,
— Среда оплодотворения, распространения семян, микроорганизмов потоками моских и океанических течений
— Главный фактор продуктивности растительного мира и непременное условие существование всего живого.
Первые безъядерные клетки появились 3,2 — 3,8 млдр. лет назад. Их следы обнаружены в Гренландии, Северной Америке, Южной Африке. Очертание суши в то время существенно отличалась от современного, однако отмечаем удаленность этих регионов от тропиков и большую вероятность независимого зарождения первых микроорганизмов. К ним относятся бактерии и сине — зелёные водоросли, уже способные к фотосинтезу и производству кислорода, несколько позже появились клетки с ядром, содержащим ДНК и РНК, а вслед за ними — специализированные клетки высших многоклеточных, растений и животных.
Уже 2 млрд. лет назад концентрация кислорода достигает около 1% от современного уровня. Это знаменует переход от ферментации к дыханию в энергетическом обеспечении жизнедеятельности клеток с более, чем десятикратным преимуществом дыхания в интенсификации процессов. Своеобразные кислородные оазисы жизни были привязаны к зонам распространения фотосинтезирующих водорослей (мелководье, оптимальный температурный режим, насыщенность питанием). Период существования ферментации и дыхания был достаточно длительным, пока концентрация кислорода не выросла до нескольких процентов от современного содержания; около 500 млн. лет назад она достигла уже 10%. В это время суша была безжизненная, а вся жизнь была сосредоточена в воде. Следует указать на важное препятствие для ее развития на суше, связанное с высокой концентрацией в атмосфере аммиака. При взаимодействии с кислородом он превращается в нейтральный азот и воду. Потребное количество кислорода для этой реакции составляет около 6,6 х 10 15 т.
До этого аммиак был важнейшим питанием для образования белков, на долю которых приходится более половины сухой массы клеток.
Реально атмосфера Земли в интересующее нас время могла состоять из азота, метана, аммиака, сероводорода, кислорода, углекислого газа и аргона, причем сероводород и аммиак в присутствии кислорода должны были постоянно выгорать.
Выход жизни на сушу подготавливается в течении длительного времени. Этот процесс включал в себя геологическую, химическую эволюции, изменение атмосферы, обеспечение защиты живого от ультрафиолетового излучения, отработку механизмов фотосинтеза.
Две основные ветви живого мира: растения и животные развиваются в глубоком симбиозе. Растения обеспечиваю животным пищу и свободный кислород, а животные снабжают растения углекислотой и культивируют почву для наземной растительности. Для своего развития растения дополнительно нуждаются в свете, влаге, тепле, наборе элементов с обязательным присутствием хлора.
Только растения, стоящие в основании пищевой пирамиды, могут обеспечивать выход и постоянную прописку животным на суше.
Как ни парадоксально, но именно неподвижные растения опережают животных в десантировании на сушу. В этом процессе реализовался принцип относительности движения. Раньше всего растения появлялись в болотистых местах, заливаемых водой во время приливов, но примерно 440 млн. лет назад происходят регрессии моря с суши, вызванные активными тектоническими подвижками земной коры с образованием горных систем. В дальнейшем, включая каменноугольный период (~285 млн. лет назад), происходят многократные наступления (трансгрессии) и отступления моря на сушу. Были созданы чередующиеся по обводнению — осушению условия тренинга как для животных, так и для растений, что предопределило последующий «взрыв» жизни на Земле. Существенная роль в разогреве недр и перестройке внутренней структуры планеты принадлежит радиоактивным элементам (урану, торию, калию).
Около 420 млн. лет назад появились ракообразные (ракоскорпионы длиной до 3м), первые настоящие рыбы, среди растений преобладают синезеленые водоросли и грибы, на суше развиваются псилофиты с зачатками корневой системы. Примерно 350 млн. лет назад их сменили плауны, папоротники, появляются первые семенные растения, уже приспосабливаются к земной жизни земноводные животные — четвероногие амфибии — потомки кистеперых рыб.
Каменноугольная эпоха (340 — 285 млн. лет назад) характеризуется благоприятными условиями для бурного развития растительности, что явилось причиной масштабного угленакопления, резкого снижения в атмосфере диоксида углерода и соответствующего роста концентрации кислорода, существенная часть которого была связана в процессах окисления минералов.
Эти явления заслуживают самого пристального внимания. Жизнь на Земле обязана своим существованием постоянному воспроизводству первичного органического вещества в результате фотосинтеза из углекислого газа и воды. При этом кислород выделяется как метаболит. В ходе прямой реакции вода под действием солнечного облучения расщепляется в присутствие хлорофилла с последующим образованием углеводородов. В свою очередь, в процессах усвоения животными с помощью микроорганизмов, а так же сгорания органического вещества образуются исходные продукты: вода и диоксид углерода.
Таким образом, фотосинтез являются принципиально обратимым процессом. Временная задержка обратной реакции (отсроченность) сберегает кислород в атмосфере и обеспечивает дыхание живых организмов, которое сводится к окислению органических веществ с производством необходимой для жизнедеятельности энергии.
Наличие свободного кислорода объясняется появлением некоторого барьера для реакций окисления. Это может быть: изоляция органики большими слоями воды или грунта, устойчивые для переработки микроорганизмами структуры, низкотемпературные условия и т. д.
Земная кора содержит около 2х1016 т. органического углерода в рассеянном состоянии; концентрированные скопления оцениваются в 200 млрд. тонн нефти; в 250 млрд. тонн газа, в 1013 тонн угля.
Для окисления приведённой массы углерода потребовалось бы около 5,3 х 1016 тонн кислорода, что почти в 45 раз больше его содержания в атмосфере Земли (~ 1,18 х 1015 тонн). Основная часть (почти 98%) кислорода должна была нейтрализована в процессах окисления минералов, раствориться в воде, чтобы осталась его концентрация на оптимальном для жизни уровне (~21% объемных). Рост содержания кислорода до 25% уже неприемлем из-за угрозы возгорания растительности, замедления производства органики при фотосинтезе (О2 является его ингибитором); снижение концентрации кислорода привело бы к изменению дыхательного процесса.
В связи с этим стабилизацию концентрации кислорода на уровне оптимальном для жизни под воздействием многих факторов следует рассматривать как уникальное событие. Постоянство содержание кислорода в течение длительного времени должно быть в центре внимания цивилизации так же, как и концентрация углекислоты. Это обстоятельство следует так же учитывать при анализе возможности возникновения органической жизни на других планетах. Помимо обеспечения приемлемых температурных условий в достаточно узком диапазоне и в течение длительного времени, важнейшими атрибутивными факторами являются:
— наличие необходимых элементов в поверхностном слое — коре планеты,
— не следы, а обильное содержание воды;
— присутствие радиоактивных элементов, обеспечивающих образование суши, тренинг десанта органической жизни на материке, движущую силу геологических процессов влияющих на концентрацию кислорода в атмосфере и т. д.
Общая тенденция глобальных изменений важнейших для сохранения жизни на Земле условий выражается в снижении радиогенного тела и связанным с этим затухании геологических процессов и вулканической деятельности; в уменьшении массы природно-возобновляемого диоксида углерода в атмосфере из за неравновесности фотосинтеза, связывания в карбонатах и т.д., в увеличении концентрации кислорода в атмосфере. Климатические изменения, связанные с Солнцем, будут обсуждены далее.
Следует отметить, что изменение концентрации кислорода в атмосфере происходило неравномерно, что было связанно с условиями развития растительности (тепло, влажность, содержание диоксида углерода).
Считается доказанным, что ещё 250 млн. лет назад практически все известные нам континенты были объединены в единый гигантский материк Пангею. Реально существование на определённом этапе Северного материка Лавразии и южного — Гондваны. Примерно 200 млн. лет назад начался их раскол и постепенное расхождение. Удаленные от береговой линий участка суши характеризовались континентальным климатом со склонностью к образованию ледников в периоды похолодания, связанным с долговременными (~300 млн. лет) циклами солнечной активности.
Оледенение, начавшейся с конца каменноугольного периода (достигло своего апогея около 280 млн. лет назад), было пожалуй самым крупномасштабным в истории Земли. Толщина ледников достигала 6 км, что привело к резкому сокращению площади водного пространства и дополнительному усилению континентальности. При этом на Земле установилось выраженная климатическая зональность. Теплолюбивые растения и животные уступали место холодоустойчивым.
В этих условиях общая продуктивность фотосинтеза существенно снизилась, что привело к снижению концентрации кислорода в атмосфере 200 млн. лет назад до одной трети от современного уровня.
В связи с климатическими изменениями и уменьшением площади морей, земноводные вытесняются в тропические регионы а пресмыкающиеся (рептилии), менее привязанные к воде при размножении, осваивают пустыни, полупустыни и степи.
В период от примерно 220 млн. до 175 млн. лет назад в недрах Земли накапливаются силы для образования глубинных разломов континентальных плит и ослабления связи между отдельными блоками платформ. Это приводит к расхождению материков, чему способствовало мощное давление ледников. Дрейф материков сопровождается образованием между ними водных бассейнов — будущих океанов.
По трещинам на поверхность Земли изливаются базальтовые лавы, причем их отложения достигают мощности до 8 км. Все это сопровождается интенсивной вулканической деятельностью.
Уменьшение площади суши приводит к глобальному смягчению климата. Около 190 млн. лет назад температура воды в Арктике, составляла около 15°С, а в районе современной Англии ~примерно 25°С. Это способствовало развитию жизни как в воде, так и на суше. Широкое распространение получили голосемянные растения, которые через 50 млн. лет вытесняются покрытосемянными, повсюду распространяются хвойные породы. Происходит накопление торфяных залежей, концентрация кислорода устанавливается на современном уровне.
Пресмыкающимся осваивают три стихии: динозавры- сушу, ихтиозавры — море и океаны, птерозавры — воздух; появляется многочисленные насекомые, птицы.
Достаточно обоснованно можно предполагать, что млекопитающие, первые из которых появились около 220 млн. лет назад в виде грызунов, произошли от некоторой ветви пресмыкающихся. Эти достаточно мелкие млекопитающие в течение ~150 млн. лет находились как бы в тени гигантов. Но это время было затрачено не зря. Непреложным фактом эволюции является закономерность, когда создание прогрессивной организации требует больше времени. Серьезным эволюционным достижением, обеспечившим преимущества млекопитающим в будущем, была выработка защитных механизмов для выживания в резко меняющихся условиях обитания. К этому прежде всего следует отнести живорождение после внутриутробного развития плода в плаценте, вскармливание детёнышей материнским молоком, приобретение волосяного покрова и стабильной температуры тела, дифференциация зубов на резцы, клыки и коренные, преобразование нижней челюсти в однокостную структуру, образование стремечка и наковальни в слуховом органе.
Выживанию способствовал также преимущественно ночной образ жизни первых млекопитающих и отсутствие деликатесных качеств, снижающих плотоядный интерес к ним со стороны хищников. Их судьба весьма показательна.
Юрский и меловой период (195÷67) млн. лет назад был для динозавров временем расцвета.
Науке известны несколько сот их видов массой до 80 тонн, длиной до 30 м, высотой около 15 м. В соответствии с законом построения пищевой пирамиды, продуцент — первое растительное звено цепи питания примерно на 10% усваивается по уровню свободной энергии «вегетарианцами», которые могут обеспечивать «энергией только 10% по массе хищников. Многочисленные вторичные хищники, микробы, бактерии, насекомые и микроорганизмы перерабатывают и разлагают недоеденное, включая и заканчивающих жизнь «гурманов», возвращают их на стадию фотосинтеза. Так осуществляется жизненный цикл в природе, условием сохранения которого является наличие солнечной энергии, диоксида углерода, воды и необходимых элементов в почве.
Экосистема периода владычества динозавров была достаточна благоприятна для растительного и животного мира. Обильная, сочная зелень только примерно 100 млн. лет назад вытесняется жестколиственными породами, на 90% представленная покрытосемянными. Это было реакцией на развивающуюся сезонность климата, что определяет листопадность растений.
В этих условиях динозавры должны были мигрировать в более теплые регионы, которые не всегда были обеспечены влагой. Не исключено, что гибель динозавров в течение 1÷2 млн. лет была связана с похолоданием, которое отмечается по результатам палеонтологических исследований примерно 70÷60 млн. лет назад, т.е. в начале мезозойской эры. Климат был еще достаточно теплым: температура воды в северном ледовитом океане достигла 14оС, на широте современной Великобритании — ~22оС, а в экваториальной области — около 35оС. Умеренный климат был в районах Гренландии, Аляски, Чукотки с преобладанием дубовых и каштановых.
Но такой климат устраивал не всех, поскольку суточные колебания температуры были весьма значительными в том числе и в субтропиках. Потому значительно раньше, уже более 100 млн. лет назад некоторые динозавры возвращаются в воду.
Экосистема, в которой благоденствовали динозавры, была стабильной в течение около 150 млн. лет. Но в конце мезозойской эры раскол Пангеи и формирование материков с резко возрастающей береговой линией приводят к насыщению гидросферы новыми солями и микроэлементами посредством процессов эрозии и растворения. Попадая в организм животных, обитающих в больших водоемах и около них, новые вещества могли нарушить установившийся в течение миллионов лет баланс микроэлементов и даже привести к отравлению. Так, покрытосемянные растения часто содержат таннины (горькие и дубильные вещества), а также алкалоиды (стрихнин и морфин), являющиеся ядами.
Описанные серьезные нарушения в пищевой цепочке сами по себе уже фатальны для судьбы динозавров, включая растительноядных и хищников. Если учитывать их приспособленность к похолоданию, следует отметить, что принципиальных механизмов противостояния более суровым климатическим условиям динозавры не были выработаны. Основная причина: — такие условия отсутствовали в широком масштабе. Поэтому не были приобретены терморегуляция и волосяной покров, размножение в подавляющем большинстве производилось откладыванием яиц в горячий песок. Но некоторые пресмыкающиеся: крокодилы, ящерицы обитают на Земле до сих пор, максимальную угрозу их существования представляет повышенный интерес людей к мясу и коже реликтов.
Эволюционная эстафета от динозавров были подхвачена млекопитающими, которые продемонстрировали жизнеспособность во всех климатических зонах и сферах обитания: от тропиков до Арктики, на суше, в воде, в земле, на деревьях и даже в воздухе. При высокой степени общности генетического кода масса особей млекопитающих различается в 10 миллионов раз (от землеройки до кита). В экосистеме они занимают ниши грызунов, насекомоядных, вегетарианцев, хищников и всеядных. К последним относится человек, занимающий срединное положение среди млекопитающих по массе на логарифмической шкале.
И вот 60 млн. лет назад на одну из многочисленных эволюционных тропинок вступили не самые изящные представители млекопитающих. Они не отличались выдающимся физическим данными, их ориентация на место в жизни была крайне неопределенная. Им приходилось искать укромные места для спасения от свирепых хищников, и в конце концов они смирились с древесным образом жизни. В это время была выработана ловкость, усовершенствовалось рука в способности к захвату ветвей, предметов и т. д, развивалась смекалка, начали проявляться коллективные действия.
Овладение речью и логическим мышлением, открытие мира искусства проложили дорогу к прогрессу. Приручение и одомашнивание животных, культивирование растений ослабили зависимость человека от окружающей среды, которая раньше представляла для него постоянную угрозу. Постоянной и возрастающей проблемой «царя» природы является уникальный среди животного мира неукротимый комплекс агрессивности к себе подобным. На современном уровне развития это чревато самоуничтожением.
2.2 Особенности эволюции органической жизни.
Органическая жизнь возникла и развилась на крайне тесном температурном островке от 0оС до ~ 38оС (273 ÷ 311) К. В технологиях пытаются достичь температур от абсолютного нуля (криогеника) до 400 миллионов градусов (в термоядерных исследованиях). В недрах массивных звезд температура составляет около 100 миллионов градусов. Температурные ограничения для существования жизни связаны и с превращением воды в лед, и с сохранением структуры и функций белков.
За время эволюции климата на Земле, исключая последние ~300 млн. лет, температурные условия в субтропических областях были, по-видимому, неприемлемыми для зарождения жизни в ее изначальных клеточных формах. Вполне реалистичным представляется ее возникновение в приполярных широтах при наличии береговой линии, мелководных бассейнов и т. д. с последующим распространением жизни к экватору. Следует отметить, что контуры суши во время появления клеток, да и в период заселения ее земноводными разительно отличались от современных.
Механизм объединения молекул в ходе процессов самоорганизации пока еще неживой материи качественно аналогичен гравитационному сгущению при образовании космических объектов.
Роль сил притяжения играют близкодействующие молекулярные силы ионных и водородных связей. В обоих случаях объединение сопровождаются выделением энергии — залогом стабильности молекулы.
Одним из первых шагов на пути «оживления» молекулярных комплексов явилось проявление некоторой избирательности в отношении типа присоединяемой молекулы. Переключение внутриструктурных связей на первых порах обеспечивается солнечной энергией. Когда то же самое происходит в присутствие некоторых молекул, включая реакции распада и синтеза, причем достаточно быстро, можно говорить об энергетическом обеспечении структурных превращений.
Данные молекулы, ускоряющие реакции на много порядков в пригодном для жизни температурном интервале, являются своеобразными биологическими катализаторами. Они составляют группу ферментов, впоследствии синтезируемых клетками на базе белков. Без них поддержание жизни было бы невозможно, поскольку прохождение необходимых метаболических реакций длилось бы годами. Ферменты явились ключом, вскрывшем энергетическую преграду для возникновения жизни.
Первые проявления предпосылок зарождения жизни могут сохраняться и развиваться только при определенной стабильности по отношению к внешним нежелательным воздействиям. Она по большей части обеспечивается водой, являющейся термостатом и питательным бульоном. Возведение оболочки (стенки) из отходов метаболизма и подручных материалов (диоксид углерода, аммиак и т.д.) обеспечивает некоторую защиту. Со временем, когда стенка проявляет избирательность по прохождении снаружи многообразия молекул, она начинает играть важную регулирующую роль в обменных процессах структурного образования, которую уже можно классифицировать как клетку. Именно организация обмена с окружающей средой, выражающегося в притоке питания и строительного материала путем диффузии, а так же в выводе отходов и энергии, позволяют рассматривать клетку как структурную и функциональную единицу жизни.
Все жизненные процессы происходят в жидком содержимом клетки — цитоплазме, содержащем непременные органеллы (ядро, митохондрии, аппарат Гольджи, рибосомы и т. д.), между которыми установлено четкое разделение труда.
Поражает воображение высочайшая степени идентичности клеток, их внутренних подсистем при широкомасштабном тиражировании в различных условиях. Тождественность клеток, не столь детализированная как у элементарных частиц: электрона, протона, нейтрона, обеспечивается в акте деления. Этому предшествует рост клетки с дублированием органелл, репликация ДНК и деление ядра. Увеличение объёма и пропорциональное ему выделение тепла является более значительными, чем рост поверхности клетки, что определяет термодинамическую природу ее деления, предотвращающего перегрев.
Образование двух практически тождественных дочерних клеток в результате бинарного деления при высоким содержании необходимых веществ в воде и атмосфере способствует быстрому размножению.
Такая же идентичность, как и у клеток их образующих, характерна для организмов в пределах одного вида. Однако в некоторых случаях обнаруживается сходство у животных и организмов, не относящихся к родственным. Так, практически одинаковая форма тела наблюдается у дельфина (млекопитающее), ихтиозавра (пресмыкающееся) и акулы (рыба). По-видимому, потенциальная возможность такой конвергенции обеспечивается ресурсом приспособления животных к одинаковым условиям существования, заложенном в структуре ДНК клетки.
Отработка структуры и накопление функционального потенциала клетки в целом завершилось около 2 млрд. лет назад, когда появились предпосылки зарождения уже многоклеточных организмов. На качественно новом витке развития при огромном увеличении масштаба клеточные органеллы превращаются в органы. Большим разнообразием отличаются способы добычи питания, органы пищеварения и выведения из организмов конечных продуктов обмена веществ, системы дыхания, способы движения и размножения. Существенная новизна в эволюции живого связана с зарождением способности адекватно реагировать на изменение внешней и даже внутренней среды, непосредственно связанной с функцией гомеостаза — главного условия выживания. Ценнейшим подарком эволюции является приобретение зрения, дающего способность оценивать окружающую ситуацию на расстоянии.
Отметим, что живые организмы, в отличие от неживых объектов, растут изнутри. Рост, развитие и размножение — особенности живого, обеспечивающие непрерывность и долговременность существования вида при ограниченной продолжительности жизни отдельной особи. Передача генетического материала потомству сохраняет индивидуальные признаки родителей в популяции данного вида.
Совокупность стадий развития данного вида от оплодотворенной клетки одного поколения до аналогичного состояния в следующем поколении представляет собой жизненный цикл. Во время роста зародыша, например, позвоночного он последовательно приобретает признаки рыбы, земноводного, пресмыкающегося, птицы или млекопитающего, причем конкретная видовая принадлежность устанавливается на ранних стадиях дифференцировки. При этом по закодированной команде образуется множество разных типов тканей для построения органов и их систем.
На ранних стадиях развития зародышей невозможно определить группу, к которой они принадлежат, что может быть объяснено наличием общего предка. Глубокая детализация памяти об этапах развития видов заложенная на клеточном уровне, позволяет классифицировать клетку как нетленную летопись эволюции и ее бесценное достояние.
Сохранность этой молекулы жизни обеспечивается уже не ее индивидуальными усилиями, а всей мощью флоры и фауны, находящихся в неразрывном симбиозе. Вполне обоснованные опасения возникли, когда природа вынянчила в своей колыбели весьма строптивое дитя — человека.
Энергетика человека обнаруживает ряд качественных различий с животными. На 1 кг массы человек потребляет в течение жизни в среднем в 5 раз больше, чем лошадь, корова, собака. На возобновление массы у человека используется примерно 5% калорий потребляемой пищи, а у животных ~34%; остальное затрачивается на работу и теплообразование. Пятикратное превышение общего обмена объясняется соотношением продолжительности жизни человека и животных, а так же более экономным расходованием энергии у животных. В частности, удельный расход энергии на перемещение у человека примерно в 2 раза выше, чем животного эквивалентной массы, что является своеобразным налогом на прямохождение.
Повышенное энергопотребление человека связанно так же с обеспечением умственной и психической деятельности, которое может быть эквивалентно общему обмену.
Постоянный расход энергии обеспечивает поддерживание наработанных алгоритмов физической и интеллектуальной активности.
Обладание определенным уровнем физической активности является общественно признанным критерием, характеризующим деятельного и успешного человека. Вместе с тем существует естественная связь интенсивности энергообмена и времени жизни материальных объектов. Так, в ряду живых существ и космических тел (…бактерия, клетка, насекомые, звезды, в том числе Солнце) со снижением удельной на единицу массы интенсивности энергоотдачи время жизни неуклонно повышается.
В этой связи ресурс увеличения времени жизни, помимо здорового питания, непосредственно связан с экономией расхода энергии как чисто физической, достигаемой ограничением подвижности, так и психической, относящийся к процессу мышления и эмоциональных движений. Ограничение круга общения, национализм, религиозный фанатизм, культивирование вражды, возвеличение глупости — основные факторы, дающие эффект «экономии мышления». Это не всегда достигает цели и нередко приводит к противоположным результатам.
2.3. Проблемы сохранения жизни на Земле.
Эволюция материи тесно связано с параметрами состояния и молекулярным составом. В зависимости от температуры и давления материя может находиться в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном, ионизированном (плазменном).
Повышение температуры сопровождается распадом молекул, однако при ее уровне порядка 10 млн. градусов и выше происходит уже обратный процесс — их объединение (синтез), сопровождающийся выделением тепла.
Сравнительно узкий температурный диапазон от 0о С до ~ 38oC — область существования специфических макромолекул — белков и нуклеиновых кислот. На долю белков, состоящих из углерода, водорода, кислорода, азот, иногда и серы приходится свыше 50% сухой массы клеток, образующих все живое на Земле. Его разнообразие и воспроизведение обеспечивается нуклеиновым кислотами — носителями закодированной наследственной информации.
Белки при молекулярной массе от нескольких тысяч до миллионов представляют собой цепи, построенные из аминокислот. Всего 20 аминокислот при вариации порядка их расположения обеспечивают практически неограниченное разнообразие белков и их функций. Так, в организме человека насчитывается более десяти тысяч различных белков.
При нагреве белков выше 38о С сравнительно слабые водородные и ионные связи могут разорваться, что приведет к утрате пространственной формы белка и его биологической функции (процесс денатурации). При снятии температурного воздействия структура белка и его функция могут восстановиться (ренатурация).
К денатурации белков могут привести и действие других факторов: инфракрасное, ультрафиолетовые излучение, щелочи, кислоты, соли, органические растворители, тяжелые металлы и т. д.
Современные формы жизни в большинстве своем базируются на фотосинтезе. Он делает углерод доступным для извлечения энергии живыми аэробными организмами в присутствии кислорода, который так же является продуктом фотосинтеза.
В циклическом процессе кислород возвращается в атмосферу соответственно количеству поглощённого диоксида углерода. Это не гарантирует постоянной и оптимальной концентрации газов в атмосфере.
Неполное окисление углерода, входящего в устойчивые соединения гумуса, защита продуктов фотосинтеза водой, грунтов в геологических процессах, поглощение углекислоты водой приводят к снижению его концентрации в атмосфере, что является одной из основных причин климатических изменений на Земле: проявление сезонности климата, его широтности и ледниковых периодов. Кроме того, эти процессы сопровождаются ростом концентрации кислорода.
Вулканическая активность, сжигание ископаемого органического топлива, природные пожары ведут к повышению концентрации диоксида углерода и угрозе нежелательного потепления климата и некоторому снижению концентрации кислорода.
Однако фактической тенденций эволюции состава атмосферы Земли является неуклонный рост концентрации кислорода и снижение содержания двуокиси углерода.
За счет захоронения в земной коре в рассеянном виде углеродосодержащих продуктов фотосинтеза было выведено из атмосферы двуокиси углерода примерно в 30 тысяч раз больше остаточного содержания.
Масса углеводородов (уголь, нефть, газ) составляет около 0,02% (примерно 1,5х1013 тонн) общего содержания в земной коре. При их полном извлечении и сжигании в атмосферу поступило бы диоксида углерода в двойном количестве от современного содержания.
Концентрация диоксида углерода а атмосфере на уровне 0,03% об. является пороговой по отношению к наступлению ледниковых периодов. Их периодичность, по результатам палеонтологических исследований, составляет около 110 тыс. лет, из которых ~10 тыс. лет являются относительно теплыми. Похоже, что человек воспользовался этим последним потеплением для цивилизационного скачка.
Причиной «сваливания» климата в ледниковый период реально может быть синхронная цикличность солнечной активности.
По всей вероятности, это связано с циркуляцией тяжелых элементов в верхней части промежуточной области и примыкающим к ней слоям конвективной зоны Солнца. Поднимающийся из промежуточной области под воздействий светового давления тяжелые элементы попадают в зону пониженной температуры. При этом степень их диссоциации уменьшается, способность поглощения лучистой энергии (непрозрачность) возрастает. Отметим, что полностью диссоциированные атомы с отделенными электронами являются прозрачными для светового излучения.
По мере накопления частично рекомбинировавших элементов в определенных слоях конвективной зоны происходит снижение солнечной активности. Одновременно создаются условия для возвращение образующихся протяженных катион — электронных комплексов в промежуточную зону с постепенной диссоциацией элементов. Одиночное возвращение элементов невозможно.
Вызванное снижением Солнечной активности похолодание на Земле запускает механизм ее прогрессирующего оледенения, которое развивается от полярных областей. Снижение температуры воды приводит к усилию поглощения диоксида природа из атмосферы и дополнительному похолоданию.
По мере образования ледяного и снежного покрова падает количество тела, поглощенного земной поверхности. В результате происходит прогрессирующее распространение отражающего солнечные лучи покрова в южном направлении.
Но одновременно включается механизмы отрицательной обратной связи. Так, уменьшение свободной поверхности океанов способствует сокращению поглощения диоксида углерода и его сохранению в атмосфере Земли. Находящиеся под мощным снеговым изолятором, растения и другая органика прогреваются, повышая готовность к последующей деградации.
Восстановление активности Солнца способствует протеканию всех процессов в обратном направлении с восстановлением концентрации диоксида углерода в атмосфере и окончанием ледникового периода.
Представляет интерес изменение концентрации диоксида углерода в ходе ледниковых периодов по палеонтологическим данным. За прошедшие 450 тыс. лет произошло 4 таких события с примерно одинаковой продолжительностью. Каждый раз отмечается снижение концентрации парникового газа с уровня ~0,03% об. До 0,02% об. При этом амплитуда колебания температуры составляет около 12оС. Это согласуется с фактом снижения температуры на 6.5оС при каждом подъёме на высоту 1км, когда концентрация диоксида углерода уменьшается на 20%.
Индустриальная революция сопровождается прогрессирующим сжиганием органического топлива и ростом концентрации парниковых газов с 2,8х10—4% об. до ~ 3,8х10—4% об. При этом выброс их в атмосферу составил более 750 млрд. тонн, что эквивалентно сжиганию топлива при чисто углеродном содержании не менее 200 млрд. тонн.
Вследствие описанных выше механизмов естественной убыли двуокиси углерода из атмосферы (растворение в воде, смещение баланса фотосинтеза из — за неполноты окисления углерода) количество потребленного топлива может оказаться существенно выше приведенного значения.
Напрашиваются два естественных предположения: 1. промышленная революция позволила предотвратить наступление очередного ледникового периода; 2. если естественная убыль углекислого газа полностью изведет его содержание примерно за (1÷1,5) тысячи лет, то встает проблема обеспечения фотосинтеза — фундамента пищевой цепи.
Сложившиеся на Земле условия не гарантируют сохранения органической жизни. Ситуация усугубляется не только негативными тенденциями природных процессов, но и производственной деятельностью человека, по своему пагубному влиянию на биосферу сопоставимой с действием глобальных факторов.
Выходом из положения может явиться развитие энергетики, не использующей природное органическое топливо, которое становится неприкосновенным стратегическим запасом. Использование энергии ветра, приливов и даже солнечной радиации не решает проблемы.