9. Эволюционные концепции в современном естествознании.

9.1. Эволюция Вселенной.

Классическая модель: стационарная бесконечная Вселенная.

Космологические парадоксы

Ж. Шезо, швейцарский астроном (XVIII век) – фотометрический парадокс: в бесконечной Вселенной должна быть бесконечная светимость неба.

Х. Зелигер, немецкий астроном, конец ХIХ века – гравитационный парадокс: в бесконечной Вселенной сила тяготения бесконечно велика и должен произойти коллапс.

Современные представления о Вселенной

А.А. Фридман, российский математик, 1923 г.: Вселенная расширяется, она не стационарна!

Эдвин Хаббл, американский астроном (1889-1953 г.) - «красное смещение» спектральных линий в излучениях галактик.

Закон Хаббла: удаляющиеся друг от друга галактики движутся со скоростями, пропорциональными расстоянию между ними:

Возраст Вселенной составляет ~ 13,7 млрд. лет.

Размеры видимого горизонта Вселенной ~ 10²⁷ м.

3. Стандартная космологическая модель: Вселенная безгранична и расширяется.

Эволюция вселенной включает в себя:

• «Инфляционную» модель (от 10^–43 до 10^–35 секунд от начала возникновения Вселенной);

• модель «Большого взрыва» (начиная с 10^–35 секунды). Создатель этой модели: Георгий Гамов, американский физик (1946-1948 г.)

Этапы развития нашей Вселенной.

 До 10^–43 с - «ложный» вакуум», взаимодействие - суперсила. Из флуктуаций зародились Вселенные.

2. 10^–43 – 10^–35 с - гигантское вздутие, материя в виде излучения и плазмы. Число частиц ~ на 10^–7% больше, античастиц, античастицы исчезли полностью. Т ~ 10³² К.

3. 10^–35 – 10^–4 с - эра адронов. Возникают нуклоны. Т~ 10²⁸ К.

4. 10^–4 - 10 с - эра лептонов. Аннигиляции электронов и позитронов с избытком электронов. Т ~ 10¹⁰ К.

5. 10-300 с - эра фотонов. Энергия - излучение. Т ~ 10⁹ К.

6. 300 с до 10⁶ лет - эра атомов. Образование атомов, разделение материи на излучение и вещество. Т ~ 4000 К.

7. Через 10⁶ лет - эра звезд. Случайные неоднородности превращаются в огромные газовые сгущения.

Первичные звезды

Звезда – гигантский плазменный шар, длительно находящийся в устойчивом состоянии.

После выгорания водорода звезда начинает снова сжиматься, возрастает температура звезды и образуются ядра более тяжелых элементов.

Для звезд с достаточно большой массой эволюция завершается взрывом (взрыв сверхновой) и выбросом ядер тяжелых элементов в космос в виде газовой сферы с пылью из твердых частиц.

1. Вращательный момент газовой сферы равен нулю

Образуется единый объект - Солнце без планетной системы.

2. Вращательный момент газовой сферы небольшой

Образуется Солнце, допланетный диск, затем – планеты.

3. Вращательный момент газовой сферы велик

Образуются две бинарные звезды – Солнца.

Эволюция вторичных звезд

Звезда – Солнце горит до завершения термоядерных реакций. В зависимости от массы звезды, она станет:

1. Белым карликом (плотность  ~ 10¹⁰ кг/м³)

2. Нейтронной звездой (плотность  ~ 10¹⁸ кг/м³)

3. Черной дырой с огромным гравитационным полем.

Два сценария развития Вселенной:

а) Модель открытой Вселенной - бесконечное расширение.

б) Модель закрытой или пульсирующей Вселенной - расширение сменяется сжатием. Затем возможен новый цикл расширения.

9.2. Эволюция Земли

Возраст Земли ~ 4,5 млрд. лет.

Радиус Земли R ~ 6400 км.

Масса Земли М ~ 5,9710²⁴ кг.

Земля увеличивается ~ на R = 310^–5 м за тысячелетие.

Этапы эволюции Земли

1. Фаза аккреции (рождения) ~ 17 млн. лет. Интенсивное выпадение на ядро космических тел. Земля – холодное космическое тело.

2. Фаза расплавления внешней сферы земного шара. Формируются ядро и мантия Земли.

3. Лунная фаза. Это фаза остывания поверхности Земли из-за излучения энергии в Космос. Формируется верхний слой коры Земли, затем водоемы (из атмосферы выпала вода).

9.3. Эволюционные идеи в химии

Эволюционная химия зародилась в 1950 - 1960 гг.  

И. Берцелиус, шведский химик (1779-1848 г.): основа химии живого - каталитические химические реакции, т.е. биокатализ.

А. Е. Арбузов, русский химик, (1877-1968 г.): «Подражание живой природе есть химизм будущего!»

Основная цель эволюционной химии: использование принципов, заложенных эволюцией в химизм живой природы, для развития химической науки и технологии.

Одна из задач эволюционной химии: понять, как из неорганической материи возникает жизнь.

Основные направления эволюционной химии

1. Исследование ферментов и раскрытие тонких механизмов их действия.

Луи Пастер XIX век - идея о ведущей роли ферментов в процессе жизнедеятельности.

Ферменты — это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками, биологические катализаторы.

2. Функциональный подход.

Детальное изучение химической эволюции, т.е. самопроизвольного, без участия человека, синтеза новых химических соединений.

В 1960 г. открыто явление самосовершенствования катализаторов в ходе реакции.

3 Субстратный подход.

Исследование химического естественного отбора веществ: К участию в живой материи природа отобрала ограниченный набор элементов и соединений.

В основе живых систем (97,4%) только 6 из 112 химических элементов – органогены:

углерод (С), водород (Н), кислород (О),

азот (N), фосфор (Р), cepa (S).

Признаки «естественного отбора» элементов:

а) способность образовывать прочные, энергоемкие химические связи,

б) связи должны быть лабильными, т.е. перестраиваемыми, изменчивыми.

Из более 170 аминокислот в составе белка 20.