Концепция происхождения оболочек Земли.

Земля имеет 6 оболочек: атмосферу, гидросферу, биосферу, литосферу, пиросферу и центросферу. Атмосфера - внешняя газовая оболочка Земли. Ее нижняя граница проходит по литосфере и гидросфере, а верхняя—на высоте 1000 км. В атмосфере различают тропосферу (двигающийся слой), стратосферу (слой над тропосферой) и ионосферу (верхний слой). Средняя высота тропосферы—10 км. Ее масса составляет 75% всей массы атмосферы. Воздух тропосферы перемещается как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Над тропосферой на 80 км поднимается стратосфера. Ее воздух, перемещающийся лишь в горизонтальном направлении, образует слои. Еще выше простирается ионосфера, получившая свое название в связи с тем, что ее воздух постоянно ионизируется под воздействием ультрафиолетовых и космических лучей. Гидросфера занимает 71% поверхности Земли.. Солнечный свет проникает на глубину 200 м, а ультрафиолетовые лучи — на глубину до 800 м. Биосфера, или сфера жизни, сливается с атмосферой, гидросферой и литосферой. Ее верхняя граница достигает верхних слоев тропосферы, нижняя — проходит по дну океанских впадин. Биосфера подразделяется на сферу растений и сферу животных. Литосфера - каменная оболочка Земли - толщиной от 40 до 100 км. Она включает материки, острова и дно океанов. Под литосферой расположена пиросфера — огненная оболочка Земли. Породы на значительных глубинах вследствие высоких температур и большого давления, вероятно, находятся в расплавленном состоянии. Центросфера, или ядро Земли, расположена на глуби не 1800 км. По мнению большинства ученых, она состоит из железа и никеля. Давление здесь чрезвычайно велико, температура— нескольких тысяч градусов. Мантия состоит из подвижного вещества. Твердая оболочка Земли находится в непрерывном движении. Материки смещаются, ввиду чего происходит их раскол. Происходит становление плит, которое сопровождается землетрясением, ввиду чего магма выходит на поверхность земли – образуются горы. К примеру: Гималаи растут по 1м. в год, Гренландия же смещается в сторону Северной Америки по 3-4 м. в год, впоследствии на месте их стыка могут возникнуть горы. Япония является большим разломом, в котором смыкаются литосферные плиты Китайского океана, п-ова Камчатка, Индостана. По этой причине землетрясения и цунами для Японии – привычное явление. Другой большой разлом находится посередине Тихого океана и является соединением плит Европы и Америки.

Особенности живых систем. В 1945 Шрёдингер написал научный труд, в котором пытался дать общие соображения о термодинамике живых процессов. «Живая материя отклоняется от деградации к равновесию». Т.к. живая материя – это замкнутая система, то равновесие в ней характеризуется согласно классической термодинамике максимумом энтропии. Значит, если система уклоняется от равновесия, то она должна постоянно компенсировать рост энтропии свободной энергией. Свободная энергия – та часть внутренней энергии, за счет которой может совершаться работа.

Следовательно Шредингер полагал, что живой организм – это не закрытая, а открытая система, обменивающаяся с окружающей средой энергией и материей

Рождение генетики; ее основные понятия и представления. На молекулярно-генетическом уровне организации живого элементарной единицей является ген. Этот термин как фактор наследственности ввел в биологию в 1909 г. датский ученый В. Л. Иогансен (1857—1927). На самом деле ген — это участок молекул ДНК и РНК со специфичным набором нуклеотидов, в последовательности которых закодирована генетическая информация. Ген состоит из 450 нуклеотидов, объединенных в 150 ко-лонов длиной около 150 нм, в то время как межатомные рас­стояния, например, в неорганических кристаллах, составляют около 0,1 — 0,2 нм. Следовательно, генная структура содержит порядка 1000 — 1500 атомов. Это позволило Э. Шрёдингеру предположить, что такое число с точки зрения статистической физики слишком мало, чтобы обусловить упорядоченное и зако­номерное поведение. Живой же организм воспринимает воз­действие только огромного числа атомов и молекул.

Можно считать, что погрешность в выполнении физическихи химических законов природы составляет 1/п, где п — число молекул, участвующих в проявлении этих законов. Какими мы были бы чувствительными, если бы реагировали на воздействие отдельных атомов! Отсюда можно сделать вывод, что поведение генов должно определяться вероятностным характером законов квантовой механики. Обычно в клетках растений и животных молекулы ДНК присутствуют в виде некоторых структур ядра клетки, которые называются хромосомами. Хромосомы состоят из большого числа генов, которые расположены на ней в линей-ном порядке, а гены являются кусками молекулы ДНК. Гены, как правило, располагаются в ядрах клеток. Они имеются в каж­дой клетке, и их число может достигать многих миллиардов. Можно в шутку сказать, что по своей роли гены представляют собой «мозговой центр» клеток.

Собственно исходная генетическая информация заключена в последовательности аминокислот в различных пептидных цепях. Поэтому можно считать, что на молекулярно-генетическом Уровне элементарными единицами, несущими в себе коды гене­тической информации, являются молекулы ДНК. В клетке чело­века молекула ДНК содержит около 1 млрд пар оснований, дли­на ее около 1 м. Если составить цепочку из ДНК всех клеток одного человека, то она может протянуться через всю Солнечную систему. В ДНК даже простейшего организма содержится Информация, объем которой эквивалентен информации во. Всех томах Российской государственной библиотеки. Генетика – это биологическая наука о наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими.Центральным понятием генетики является “ген”. Это элементарная единица наследственности, характеризующаяся рядом признаков. В основу генетики легли закономерности наследственности, обнаруженные австрийским биологом Г. Менделем при проведении им серии опытов по скрещиванию различных сортов гороха. Основные направления исследований учёных – генетиков: 1.Изучение молекул нуклеиновых кислот, являющихся хранителями генетической информации каждого вида живого, единицами наследственности.2.Исследование механизмов и закономерностей передачи генетической информации.3.Изучение механизмов реализации генетической информации в конкретные признаки и свойства живого. Выяснение причин и механизмов изменения генетической информации на разных этапах развития организма.

Основные идеи, понятия и принципы синтетической теории эволюции. Раскрытие генетического кода и установление закономернос­тей молекулярной биологии показало необходимость соедине­ния современной генетики и дарвиновской теории эволюции. Так родилась новая биологическая парадигма — синтетическая теория эволюции (СТЭ), которую можно рассматривать уже как неклассическую биологию. Хотя до настоящего времени не со­здана физическая модель эволюции в СТЭ, но так же, как в целом в физике живого (и как мы неоднократно это обсуждали), могут быть использованы синергетические идеи развития слож­ных самоорганизующихся систем и квантовые принципы. В ча­стности, в активизации процессов самоорганизации и усложне­нии структуры живого организма состоит суть его эволюции. Причем эта самоорганизация в биологических объектах проис­ходит с непревзойденными точностью, эффективностью и ско­ростью и тем самым является характеристикой эволюции живой природы.

Основные идеи эволюции Ч. Дарвина с его триадой — на­следственностью, изменчивостью, естественным отбором — в современном понимании эволюции живого мира дополняются представлениями не просто естественного отбора, а такого отбора, который детерминирован генетически. Началом разработки синтетической, или общей, эволюции можно считать работы С.С. Четверикова по популяционной генетике, в которых было показано, что отбору подвергаются не отдельные признаки и особи, а генотип всей популяции, но осуществляется он через Фенотипические признаки отдельных особей. Это приводит к Распространению полезных изменений во всей популяции. Таким образом, механизм эволюции реализуется как через случай­ные мутации на генетическом уровне, так и через наследование ценных признаков (ценность информации!), опреде-адаптацию мутационных признаков к окружающей среды обеспечивая наиболее жизнеспособное потомство. Из-за вероятностного характера возникновения подчиняющихся законам статистической физики, их нельзя тать основным фактором эволюции, так как они только влияю? на изменчивость генотипа, и поэтому мутационный проце_сс приводит к образованию и полезных, и вредных генов, которые как бы составляют фонд наследственной изменчивости. Следо­вательно, изменчивость на молекулярно-генетическом уровне также не является фактором эволюции и естественный отбор на этом уровне не работает. Полезность изменчивости будет опре­деляться естественным отбором особей, наиболее приспособлен­ных к жизни в конкретных условиях. Естественный отбор будет действовать непосредственно на фенотип живого организма и тем самым начнет проявляться уже на онтогенетическом уровне организации живого. Как отмечал Н.Н. Моисеев , изменчивость создает поле возможностей развития той или иной живой системы, наследст­венность ограничивает это поле, но отбирает реализующий ва­риант эволюции по некоторым правилам или принципам. Прин­ципы этого отбора — законы физики, биологии, общественного развития, с помощью которых с какой-то вероятностью из до­пустимых значений отбираются значения, наблюдаемые нами в реальности. К таким же правилам отбора относятся и те следствия человеческого опыта, на которые мы опираемся в сво­ей практической деятельности, принимая те или иные решения. Заметим, что с физической точки зрения в основе этих принци­пов лежат законы сохранения, а сами фундаментальные принци­пы имеют запретительный характер: никакие изменения не мо­гут идти вопреки закону изменения энергии и закону сохране­ния количества движения. Как отмечалось в первой части данного курса, законы различных механик (классической, кван­товой и релятивистской) также имеют ограничительный харак­тер и справедливы лишь для определенных условий..

Основные уровни организации живого. Уровни организации живого, уровни биологической организации, биологические системы, различающиеся по принципам организации и масштабам явлений. Основными У. о. ж,, которые характеризуются специфическими взаимодействиями компонентов и отчётливыми особенностями взаимоотношений с ниже и выше лежащими системами, можно считать следующие: молекулярный, организменный, популяционно-видовой и биогеоценотический (биосферный). Возможна и более детализдрованная классификация, включающая, в частности, клеточный, тканевый и другие У. о. ж. За пределами биологии существуют уровни более низкие, чем молекулы, – атомы, электроны, протоны и др. ядерные частицы, а также более высокие, чем биосфера, – Земля, небесные тела, космос. Понятие об уровнях имеет широкое значение и относится к системам, которые существуют благодаря связям, объединяющим составляющие их компоненты в целое. Связи в пределах каждого У. о. ж. носят конкретный характер. Так, в клетке протекают биохимические процессы, действуют силы физической природы; различные организмы, обитающие в одном водоёме, сохраняя присущие им особенности, образуют замкнутую и относительно стабильную экологическую систему, объединённую общим круговоротом веществ и пищевыми отношениями. Благодаря системной природе живых существ У. о. ж. становятся реальными и четко различимыми. Характеристика биологических систем показывает, что при усложнении организации система низшего У. о. ж. входит в систему, следующую за ней, последняя – в ещё более высокую. Поэтому говорят об иерархии У. о. ж. Иерархическая лестница уровней биологической организации соответствует истории развития органического мира и является его следствием. Согласно общепринятой концепции происхождения жизни, развитие последней началось с органических молекул, образовавшихся без участия организмов. Затем возникли примитивные предшественники клеток, появились клетки и многоклеточные организмы. Каждому У. о. ж. соответствуют свои уровни исследований, биологической дисциплины: молекулярному уровню – биохимия, молекулярная биология, молекулярная генетика, биоорганическая химия, биофизика; клеточному – цитология; организменному – физиология; популяционно-видовому (вид) – популяционная генетика, экология, систематика и т.п. Т. н. системный анализ имеет целью исследование сложных, иерархических систем в самых различных сферах действительности, не исключая и человеческое общество. Живые организмы с их большим числом переменных величин и множеством внутренних связей относятся к таким системам. Общая теория систем, развиваемая Л. Берталанфи, родилась в биологии. Идея об У. о. ж., тесно связанная с представлением о системах, в своей основе является диалектико-материалистической, т.к. даёт возможность объяснить целостность и качественное своеобразие биологических объектов материальными факторами; она имеет важное значение для понимания биологических закономерностей.

Понятие биосферы. Законы управляющие развитием биосферы. Биосфера (ученый Зюсс) – это целостная самоорганизующая система, состоящая из различных компонентов (экологических систем, популяций, организмов…), которые могут рассматриваться как самостоятельные самоорганизующиеся системы. Структура, состав и энергия биосферы определяются прошлой и настоящей деятельностью всех живых и неживых организмов, в том числе и человека. Биосфера - живые организмы и среда их обитания. Качественные преобразования биосферы уже не раз происходили, и это приводило к исчезновению одних биологических видов и появлению других. Внес большой вклад в представление о биосфере русский ученый Вернадский. В процессе жизнедеятельности организмы получают из окружающей среды необходимые химические вещества, а после смерти они возвращают их обратно, таким образом, живое и неживое состоят в постоянном взаимодействии. Живые организмы – это та геохимическая сила, которая играет ведущую роль в формировании облика нашей планеты. Человечество, растения, животное – «живое вещество». Однако в отличие от других компонентов биосферы человек оказывает влияние не только на неживую материю, но так же на живую, создавая новые виды растений и животных. Однако, в дальнейшем выяснилось, что биосфера представляет собой единство объектов живой и вой природы, вовлеченных в сферу жизни. Два основных компонента биосферы — живые организмы и среда их обитания непрерывно взаимодействуют и влияют друг на друга. Как мы р_ас сматривали в гл. 14, воздействие биотических (живых) факторов на абиогенные условия в значительной мере изменяет физическое, химическое и геологическое состояния нашей планеты Именно поэтому биосферу нельзя рассматривать отдельно от не живой природы, а только в единой совокупности со средой обитания живых организмов — гидросферой, атмосферой и верхней частью литосферы, которые обеспечивают их необходимым! компонентами жизни — водой, кислородом, минеральными веществами и микроорганизмами. Можно даже сказать, что окружающая среда выступает неким регулятором жизненных процессов, причем не только в поставке необходимых веществ и кон­тактном взаимодействии, но и во влиянии совокупности поле! различной природы, обладающих энергетическими и информа­ционными характеристиками.

Таким образом, биосфера — это вся совокупность связанны* между собой биологическим круговоротом веществ и энергий биогеоценозов на поверхности Земли. С этим круговоротом связана миграция атомов химических элементов — их биогеохи­мические циклы, в ходе которых атомы большинства химиче­ских элементов проходят бесчисленное число раз через живое вещество. Так, например, весь кислород атмосферы совершает кругооборот в природе через живое вещество за 2000 лет, угле­кислый газ — за 200—300 лет, а вся вода биосферы за 2 млн лет. Разные организмы в разной степени способны аккумулировать из среды обитания различные элементы: содержание углерода в растениях в 200 раз, азота — в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Состав, структура и энергетика биосферы опреде­ляются совокупной деятельностью живых организмов. В раз­личных природных условиях биосфера принимает вид относи­тельно независимых комплексов — биогеоценозов. Биосфер² распространена неравномерно по земной поверхности, верхня* ее граница — 25—30 км, нижняя (в земной коре) — до 2—3 км, в воде — до 3—10 км. Океан занимает около 71% земной поверхности Земли, биомасса составляет всего 0,13% от суммарной массы живых о ганизмов. Масса живого вещества сосредоточена в основном сухопутных растениях. Сухопутные животные составляют водные— 7%, растительность на суше — 92%, в воде — 8%. Одним из признаков живого и условием сохранения биоты и биосферы в целом является разнообразие видов живых организмов. К настоящему времени установлено, что число видов растений оставляет 21%, а животных — 79% от общего числа объектов живой природы. Однако на 79% видов животных приходится вего 1% ^всей биомассы Земли. Отсюда можно сделать вывод что чем выше уровень видовой дифференциации, тем мень­ше' соответствующая ему биомасса. Такое распределение числен-_Н0сти видов и их биомасс не случайно, а определяется ходом _эволюции. Несмотря на то что животный мир более разнообра­зен и почти в четыре раза превосходит численность видов расте­ний, на долю позвоночных и млекопитающих приходится менее 4%, поэтому на суше преобладают растения, а в воде — живот­ные. Из процентного соотношения сухопутных и водных видов делается вывод, что возможность видообразования на суше, обусловленная процессами эволюции, выше, чем в воде. Отме­тим еще один общий закон: чем выше уровень дифференци­ации, тем меньше занимаемый видом объем.