Название: Теорія еволюції (системний розвиток життя на Землі) - Огінова І. О.

Жанр: Біологія

Рейтинг:

Просмотров: 1455

Страница: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 | 55 | 56 | 57 | 58 | 59 | 60 | 61 | 62 | 63 | 64 | 65 | 66 | 67 | 68 | 69 | 70 | 71 | 72 | 73 | 74 | 75 | 76 | 77 | 78 | 79 | 80 | 81 | 82 | 83 | 84 | 85 | 86 | 87 | 88 | 89 | 90 | 91 | 92 | 93 |


2.2. Хімічна еволюція

 

Власне хімічна еволюція безпосередньо починається після виник нення різних хімічних елементів, тобто вона найтіснішим чином пов'я зана із загальною еволюцією зірок.

 

2.2.1. Проблема самоорганізації Всесвіту

 

Спочатку уся речовина Всесвіту була стиснена майже до розмірів геометричної точки. Певною мірою зрозуміти механізм утворення подіб ного ущільнення матерії можуть допомогти деякі уявлення про форму вання так званих "чорних дір" Всесвіту, які становлять собою кінцевий етап розвитку великих зірок. "Чорні діри" виникають приблизно таким чином: сферична маса (більша за два – три Сонця) починає стискувати ся під дією власних сил тяжіння доти, доки її розміри не сягнуть крити чного значення гравітаційного радіуса (наприклад для Землі він близько

1 см, а для Сонця – 3 км). Після цього вже ніякі сили не здатні припини ти її подальшого стискування. Розвивається гравітаційний колапс і утворюється "чорна діра", біля якої викривляються простір і час, а щільність матерії та гравітаційне поле досягають надзвичайно високого рівня. Це своєрідні антиентропійні структури, що перебувають у стати чному стані.

За великих температур та щільності речовини утворюється особли вий стан матерії, що характеризується величезним від'ємним тиском, який створював гравітацію, набагато більшу за гравітацію, утворену

масою. Це спричиняє виникнення гравітаційного відштовхування, кот ре, у свою чергу, забезпечує гігантські початкові швидкості розлітання часток (близько 500 км/с). Відбулося розширення Всесвіту. Це сталося близько 20 млрд. років тому (Великий Вибух). На користь того, що поді бні процеси могли реалізуватися у межах космічного простору, свідчить, наприклад, існування:

–          слабкого реліктового випромінювання з температурою близько

3 К, яке рівномірно заповнює увесь Всесвіт і було присутнім від самого початку розширення. З ним пов’язана переважна більшість ентропії на шого Всесвіту;

–   червоного зміщення світла, що надходить до Землі від інших галактик;

–          переважання легких елементів (дейтерію та гелію) над важкими тощо.

Певні недоліки, притаманні концепції Великого Вибуху, намагали ся врахувати автори моделі флуктуації вакууму (інфляційна концепція). Згідно з нею наш Всесвіт виник як неврівноважена система практично з нічого. Його спричинила асиметрія вакууму (різновид космічної енер гії), який потенційно містить у собі всі властивості матерії. Іншими сло вами, вакуум має потенційні можливості стати чим завгодно. Порушен ня симетрії було викликане фазовим переходом і супроводжувалося

виділенням колосальної кількості вільної енергії, котра за 10–35 секунди викликала формування матеріальних часток. За температури близько

1027 °С виникла речовина. Домінування антигравітаційних сил вакууму змінилось на звичайну гравітацію, що уповільнила розширення.

Подальший перебіг подій обома теоріями розглядається подібним

чином.

Кванти з великою енергією взаємодіяли між собою (світло взаємо діяло зі світлом), даючи початок електронпозитронним парам, які, у свою чергу, розпадалися на пари нейтрино – антинейтрино і т. д. Всі взаємодії здійснювалися через надпровідний вакуум, який, навіть за температури, близької до абсолютного нуля, суттєво прискорював від повідні процеси.

За умови наявності величезної кількості енергії більшість новоутворених часток руйнувалася, а відносно стабільними виявлялися ли ше важкі частки типу нейтронів і позитронів. Взаємодії між ними ви кликали утворення різних хімічних елементів, перш за все, гелію. Із часом у водневогелієвій плазмі з'явилися неоднорідності, що становили собою локальні осередки зменшення ентропії. Навколо них почали утворюватися згущення – зародки майбутніх галактик і галактичних скупчень. У надрах галактик народжувалися зірки і зоряні системи.

На окраїні однієї з галактик (Чумацький шлях) близько 5 млрд. років тому сформувалася й Сонячна система. Її поява зумовлена асиметрі

єю між розподілом речовини гігантської молекулярної хмари внаслідок гравітаційного тяжіння та дії інших чинників. При формуванні планет відбувався вторинний розігрів (внаслідок тертя, радіоактивного розпаду тощо). Формувалися нерегулярні структури, в яких швидкість реакцій у хімічних системах і їх складність значно збільшувалися, створюючи пе редумови подальшого ускладнення. Периферичне положення Сонячної системи сприяло розвитку матерії в напрямі подальшого ускладнення.

Це було б неможливим у центрі Галактики, тому що там зоряна щільність приблизно у 20 000 разів більша, що зумовлює занадто високу інтенсивність жорсткого зоряного випромінювання. Воно руйнує всі скількинебудь складні хімічні молекули, котрі утворювалися внаслідок взаємодії різних атомів. Серед часток, які входять до складу атомів, немає навіть двох, що перебували б в однаковому стані. Це створює аси метрію, котра, у свою чергу, спричинює необхідність енергійного по шуку все нових стаціонарних станів. Але будьякий гомеостаз не може підтримуватися нескінченно. Особливості елементарних складових частинок знову неодмінно виведуть усю систему в біфуркаційну точку.

З особливостями взаємодії різних часток між собою пов'язана і тривимірність нашого світу. А саме, більша кількість вимірів приво дила б того, що не утворювалися б зв'язані стійкі системи тіл, які могли б взаємодіяти за допомогою електричних і гравітаційних сил. Іншими

словами, у такому Всесвіті не було б ані атомів, ані планетарних систем, ані галактик. В одновимірному чи двовимірному просторі взаємодіючі заряди протилежних знаків не могли б розлетітися на великі відстані, тому що обов'язково поверталися б до центрального тіла, тобто за таких

умов не існував би вільний рух тіл, що притягуються.

Могли реалізуватися різні варіанти формування Всесвіту, але тільки за умови тривимірності можливе досягнення максимальної ефективності процесів самоорганізації матерії. У просторах з іншим числом вимірів та

іншими фізичними законами життя виникнути не могло. Наприклад, у Всесвітах із дещо зміненими масами елементарних часток не було б зви чайної речовини, бо коливання маси нейтрона хоча б на 0,1 % спричини ло б до відсутність водню. Оскільки він є головним ядерним паливом для

зірок, за таких умов вони взагалі не змогли б утворитися.

Крім того, встановлена залежність розмірів Метагалактики та часу її існування від основних фізичних констант (швидкість світла, постійна Планка, заряд електрона тощо), сильних і слабких електромагнітних та

гравітаційних взаємодій. Така система зв’язків зумовила хімічну своєрід ність Всесвіту (75 % водню та 25 % гелію). Якби константи слабких взає модій були хоч трохи меншими, то вся космічна речовина була б пред ставлена гелієм, а водню взагалі не було. Це спричинило б відсутність води. Внаслідок цього не виникла б вода – рідина, котра є найбільш оп тимальним фазовим станом для прискореного розвитку. Зовсім інша картина вимальовується за припущенням існування дещо більшої конс танти слабких взаємодій: у Всесвіті буде тільки водень. Відсутність ге лію спричинила б неможливість виникнення будьяких інших елементів, що кладе край подальшій хімічній еволюції. Тільки у вузькому діапазоні значень фундаментальних фізичних констант можливе існування скла дних систем, здатних до саморозвитку.

Отже, в межах Всесвіту реалізувався цілий комплекс унікально сприятливих для формоутворення подій, що зумовив специфічність потоків речовини, енергії та інформації, необхідних для самоорганізації.

Усвідомлення цього факту зумовило появу антропного (антропоцентричного) принципу, який інколи ще називають парадоксом спосте рігача. Він полягає в тому, що будьякий сторонній спостерігач неодмінно доходить висновку, що зовнішній світ спеціально організувався таким чином, щоб міг з'явитися цей спостерігач.

Глибинні основи такого феномену сягають основних принципів функціонування нервової системи загалом і особливостей психічного

відображення зокрема. Згідно з ними, в першому наближенні можна вважати, що будьяка особа намагається підтримати й подовжити власне існування і тому завжди оцінює зовнішній світ із позицій шкідливості або

корисності його впливів для себе, ставлячи свою індивідуальність у центр подій. Не уникли таких підходів і деякі науковці, що займалися дослі дженням Всесвіту.

Фізичні та хімічні властивості й відповідні константи та закони

природи, що нібито спеціально підібрані для появи життя, справді вра жають. Вивчення цих особливостей на рівні елементарних часток при вели деяких фахівців до парадоксальних висновків: тіла, особливо дуже малі об’єкти (нейтрони та електрони), почали розглядатись як хвилі ймовірності. Це привело до того, що, згідно з однією з інтерпретацій квантової теорії, тільки акт спостереження перетворює хвилю ймовір ності на певний об’єкт, наприклад, електрон. Спостерігач, у певному сенсі, сам створює реальний світ.

Є кілька варіантів антропного принципу, зокрема, один із них ствер джує: те, що ми очікуємо побачити, має відповідати умовам, необхідним для нашої присутності як спостерігачів. Це правильно, але тривіально: якщо ми спостерігаємо, то ми вже існуємо, тобто зовнішні умови так чи інакше вже є сумісні з нашим існуванням. У зв’язку з цим немає ніякої потреби вводити додатковий принцип зацікавленості Всесвіту в існу ванні саме розумної істоти, вона сама по собі формується внаслідок сис темності процесів самоорганізації енергії та речовини.

Другий варіант антропного принципу виглядає радикальніше: Все світ має бути таким, щоб для його спостереження міг з’явився спостері гач, який своєю появою зробить реальним існування Всесвіту. Цей па радокс певною мірою бентежить недосвідчений розум, але не слід забувати про один простий аргумент: якщо Всесвіт щось "знає" і "хоче", щоб його спостерігали, то сам антропний принцип виявляється зайвим, оскільки Всесвіт із такими ознаками свідомості є самодостатнім.

Видима доцільність зовнішнього світу зумовлюється чинниками набагато простішими: будьякі неоптимальні варіанти будови та функції

у відкритих системах взагалі не можуть реалізуватися внаслідок зрос тання ентропії з наступною руйнацією. Тільки найбільш збалансовані за багатьма параметрами системи здатні до тривалого існування та подаль шого прогресивного розвитку.

Таким чином, речовина Всесвіту розвивалася у напрямку від прос того до складного, із хаосу виникали все нові й нові впорядковані струк тури. Системи, що виникають у таких умовах, ніколи не бувають стабіль ними і стійкими. Вони завжди далекі від рівноваги і, руйнуючись, знову

повертаються до хаосу. Але серед величезної множини подібних ново утворень досить часто і неминуче виникали й системи з мінімальним приростом ентропії, які за певних умов зберігалися, тобто відбувався своєрідний добір лише стійких фізичних і хімічних систем, еволюція

яких спрямовувалася у певний бік. Обмеження можливих варіантів про гресивного розвитку хімічної речовини зумовлювалося асиметрією елементів, складністю молекул, фізичним станом систем, дією стерич них і зовнішніх факторів. Вони визначають найбільш енергетично вигідну взаємну орієнтацію молекул і в умовах нестабільності сприяють досягненню системою нового стійкого стану.

2.2.2. Оптимальна асиметрія

 

Асиметрія хімічних елементів пов'язана із різницею у заряді ядра і кількістю електронів на зовнішній оболонці.

Хімічні елементи з великою асиметрією легко реагують із системами, що мають асиметрію протилежного знака. Наприклад, лужні ме тали та галогени дуже швидко взаємодіють між собою. Але саме ця ак тивність зумовлює утворення досить сталих сполук, які виявляються мало перспективними для подальшого розвитку.

Незначна асиметрія хімічних елементів (інертні гази) зумовлює те,

що вони надзвичайно важко вступають у будьякі взаємодії і також не здатні до прогресивного розвитку.

До тривалого ускладнення внаслідок самоорганізації виявляються спроможними лише атомарні системи з ОПТИМАЛЬНОЮ асиметрією і відповідною оптимальною активністю. Перспективними у цьому відношенні є хімічні елементи, що займають СЕРЕДИННЕ положення у періодичній системі: фосфор, азот, кисень, сірка і вуглець. Останньому елементу належить особлива роль у хімічній еволюції завдяки тому, що він, маючи 4 електрони на зовнішній оболонці, може давати надзвичайно широкий спектр різноманітних сполук. Число сполук, які може утво рювати вуглець, сягає сотень тисяч, а всі інші хімічні елементи разом узяті – не більше 20 тисяч.

За хімічними властивостями до вуглецю наближається кремній, але

його двоокис становить собою тверде кристалічне тіло (пісок). Нато мість двоокис вуглецю – це газ, який, завдяки своїй рухомості, повсюд но поширений і доступний для численних реакцій. Зокрема, його фікса ція в циклі Кальвіна при фотосинтезі забезпечує органічними речовинами всі інші трофічні рівні в екосистемах.

 

2.2.3. Наявність оптимальної складності

 

Дуже прості молекули, що не мають достатньо розвиненої структу ри, матимуть і мінімальні можливості для подальшого розвитку. Занадто складні системи також матимуть невелику вірогідність переходу на більш високий рівень, оскільки вже реалізували свої потенційні можливості. Тільки оптимально структуровані хімічні сполуки здатні утворювати нові зв'язки з іншими молекулами. Наприклад, мономерами білків стали амі нокислоти, що відзначаються поліфункціональністю. Саме у середніх членів ряду органічних речовин спостерігаються максимальні можливо

сті для самоорганізації внаслідок збалансованого сполучення сталості й мінливості.

 

2.2.4. Фазовий оптимум

 

Тверді кристалічні тіла мають добре розвинену упорядкованість, структуру і стабільність. Але їх здатність до реакцій низька завдяки не значній рухомості елементів кристалічної решітки. Сполуки у газоподіб ному стані можуть швидко реагувати з іншими речовинами і відзначаються лабільністю. Але вони характеризуються хаотичністю на макрорівні і неспроможністю утворювати скількинебудь сталі упорядковані структури. Тільки рідина має оптимальне поєднання сталості і лабіль ності, котре є необхідним для подальшої самоорганізації хімічних еле ментів та молекул у більш складні системи.

Звідси витікає, що для хімічної еволюції планета повинна мати достатнє гравітаційне поле, яке б могло утримувати гідросферу. Для цього в неї мусить бути певна маса і орбіта, наближена до колової. Якщо маса планети завелика, то відбуваються інтенсивні ядерні реакції, а темпера тура зберігається на високому рівні, що перешкоджає утворенню сталих складних хімічних систем. Мала маса пов'язана з невеликою силою тя жіння і неможливістю утримання навіть атмосфери. Крім того, колова орбіта забезпечує оптимум радіації від центрального світила і певну рівномірність протікання реакцій у хімічних системах. Таким вимогам відповідає дуже мало планет у нашій Галактиці.

Наявність води на Землі – це неймовірне космічне везіння. Найпро стіший комплекс із двох атомів водню та одного атома кисню спричи нив появу унікальної хімічної системи, суттєві особливості якої не мож на звести до простої суми характеристик двох газів, що входять до її складу. Емерджентність проявляється в тому, що вода як система набу ває таких принципово нових властивостей:

1)  це універсальний розчинник, здатний перетворювати кислоти,

луги та солі на іони з підвищеною реакційною здатністю;

2)  питома теплоємність води вища, ніж у багатьох інших речовин,

завдяки чому океани можуть поглинати й віддавати величезну кількість тепла, вирівнюючи клімат на планеті;

3)  поверхневий натяг води більший, ніж у будьякої іншої речовини (окрім ртуті), що сприяє переміщенню водних розчинів різних хімічних речовин по капілярах рослинних судин;

4)  надзвичайно високі температури плавлення та кипіння дозво ляють хімічним реакціям ефективно здійснюватися за досить високих температур;

5)  молекули води певним чином упорядковуються довкола макромолекул, полегшуючи їх функціонування тощо.

Все вищевикладене дозволяє визнати: первинна Земля була унікаль ною в тому відношенні, що умови на ній (достатньо різноманітний газо вий склад атмосфери, виверження вулканів, інтенсивні процеси вивітрювання і розмивання тощо) сприяли формуванню постійних контактів трьох фаз (твердої, рідкої та газової), що суттєво активізувало хімічні процеси. Таке надзвичайно доречне об’єднання в єдину систему трьох різних фаз, що зберігалося протягом багатьох мільйонів років, і одержало

назву еквілібросфери або сфери рівноваги.

 

2.2.5. Стеричні фактори

 

Для того щоб системи могли реагувати між собою, вони не повинні мати просторових ускладнень у взаємодії своїх функціональних груп. Якщо просторове розташування молекул не є термодинамічно оптима льним або енергія зовнішнього середовища перевищує силу зв’язків між елементами структури, то її ентропія зростає, система стає неврівнова женою і руйнується.

Унікальну роль у підтримці стабільності складних хімічних систем відіграє ВОДЕНЬ. Він має мінімальні розміри атома і тому може включатися практично до будьякої структури.

Суттєвого значення для зменшення молекулярної ентропії набуває і  подібність деяких розмірів атомів вуглецю, кисню та азоту (майже однакові радіуси зв'язків, внутрішньоатомні відстані у молекулах, кути між зв'язками тощо). Як наслідок – ланцюги, утворені цими атомами, мають подібну геометрію, незалежно від співвідношення окремих елемен тів. Два такі ланцюги будуть певною мірою відповідати один одному практично за будьякої послідовності атомів, що входять до їх складу.

 

2.2.6. Зовнішні умови хімічних процесів

 

Умови середовища відіграють досить значну роль у хімічній ево люції, визначаючи напрямок і швидкість реакцій. Найважливішими се ред них є температура, тиск, іонізуюча радіація, наявність каталізаторів тощо. Зокрема, при абсолютному нулі хімічні процеси майже не йдуть.

Підвищення температури викликає прискорення реакцій, але за занад то високих температур сполуки, які вже утворилися, будуть швидко розпадатися. Обидва процеси (синтез і розпад) не мають чітко окресле них температурних меж і перекриваються за середніх температур, у невеликому діапазоні яких (близько 37 °С) вони будуть рівно вірогід ними. За таких умов і обмін речовин (самоорганізація складних систем) протікає найлегше, що забезпечує оптимальну швидкість хімічної еволю ції. Аналогічна ситуація є характерною для тиску та іонізуючої радіації. Каталізатори сприяють переходу системи у більш рівноважний стан за рахунок зменшення енергії, необхідної для реакції. Крім того, у достатньо поширених хімічних процесах з автоколивальним режимом утворюються продукти, котрі можуть виконувати функцію каталізаторів, що значно прискорює будьякі реакції. Це має настільки велике значення, що процес зародження життя можна вважати еволюцією каталізаторів неорганічних базових реакцій. У відкритих системах основну частину субстрату вико ристовує найшвидша реакція. На відміну від звичайної хімії, де реакції спрямовуються у бік хімічної рівноваги, у хімії відкритих систем реакції йдуть у напрямку, що вказує їм потік речовин.

Внаслідок усіх перелічених реакцій здійснюється добір найбільш доцільних (оптимальних) сполук і реакцій, які дозволяють хімічній сис темі дуже швидко і з мінімальною витратою енергії досягти максимально корисного ефекту. Поступово здійснювався перехід до якісно нового біологічного етапу розвитку матерії, але загальні принципи її самоорга нізації збереглися й на цьому рівні.

 

Страница: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 | 55 | 56 | 57 | 58 | 59 | 60 | 61 | 62 | 63 | 64 | 65 | 66 | 67 | 68 | 69 | 70 | 71 | 72 | 73 | 74 | 75 | 76 | 77 | 78 | 79 | 80 | 81 | 82 | 83 | 84 | 85 | 86 | 87 | 88 | 89 | 90 | 91 | 92 | 93 |

Оцените книгу: 1 2 3 4 5

Добавление комментария: