23.09.2015. Тема 4

История земли - эволюция жизни

(Глобальная эволюция и метаморфозы материи и вещества.)

Позволим себе банальное утверждение: для того, чтобы понять, что такое - жизнь, надо изучить начало и эволюцию живого.

Исходя из сказанного, начнем с предполагаемого Начала, под которым обычно понимают этап ранней Вселенной (под ранней Вселенной обычно понимается эпоха, соответствующая возрасту от 10⁻⁴³ с до 3 мин от Начала истории – Большого Взрыва (БВ). Согласно теории БВ (или Большого отскока – если усматривать в этом космическом акте элемент ритмики, что более логично), рождение классического “пространства  — времени” произошло в точке сингулярности, причем в момент рождения Вселенной плотность и температура вещества достигали максимально возможных значений (плотности 10⁹³ г/см³ и температуры 10³² К).

Этапы эволюции материи.

Возникновение и развитие материи рассматривается современной наукой начиная с плазмоподобного состояния вещества и появление первоэлементов - нуклидов простейших ядер (1-ый этап эволюции), химической эволюции (2-ой этап эволюции), органической эволюции (3-ий этап эволюции), и биологической эволюции – 4-ый этап эволюции.

1-й этап эволюции – Большой взрыв и его итоги.

С момента Большого взрыва (БВ) Вселенная непрерывно расширялась, температура вещества понижалась, а объем ее возрастал. Через 10⁻⁴² с начинается инфляционная стадия, характеризующаяся предельно сильным отрицательным давлением: вместо сил притяжения возникают силы отталкивания. Затем через 10⁻³⁶ с из-за неустойчивости вещества при отрицательном давлении эта фаза развития Вселенной закончилась, и началось рождение материи и вещества.

При таких условиях не могли существовать ни молекулы, ни атомы, ни атомные ядра. “Разрешенным” оказалось существование лишь некоторой смеси разных элементарных частиц, включая фотоны и нейтрино (Табл. …). Поскольку расширение Вселенной происходило с большой скоростью, высокая плотность и температура существовали очень короткое время. Последовательность дальнейших превращений примерно такова. Барионный избыток появляется через время 10⁻³⁵ с при температуре примерно 10²⁹ К. Электрослабое взаимодействие начинает проявляться через 10⁻¹⁰ с при температуре примерно 10¹⁶…10¹⁷ K. При этом электронно-кварковая смесь, существовавшая от 10⁻²⁵ до 10⁻¹⁵ с, уже через 10⁻⁴ с после Большого Взрыва завершается формирование кварков.

Примерно через 10^-2 с во Вселенной уже “разрешено” существование фотонов, электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино и  небольшого числа нуклонов. Процесс нуклеосинтеза начинается при температуре ниже 1 млрд.  градусов. В результате последующих секунд происходит первичный нуклеосинтез — возникает смесь легких ядер (по-видимому - две трети водорода и одна треть гелия), остальные химические элементы формируются из них намного позже (примерно через миллион лет).

Не касаясь более детально этого бурного периода эволюции Вселенной и превращения излучения в вещество, отметим, что расширение Вселенной сопровождалось ее непрерывным усложнением.

2-й этап химический эволюции (доуглеродный, неорганический)

Этот этап характерен для значений температур менее 4000⁰ C. Происходит ядерно-атомный синтез, при котором последовательно возникает ряд ядер, определяемый текущим значением температуры среды, начинаются процессы объединения электронов с ядрами и появления первых атомов.

Начавшиеся процессы образования водорода и гелия из плазмы проматерии на протяжении последующих ~ 15…16 млрд. лет завершаются созданием большинства элементов Периодической таблицы Менделеева (Табл. …).

Важно отметить, что эволюционное формирование новых химических элементов всегда сопровождалось появлением их изотопов (Табл…).

Число химических элементов в настоящее время немногим более 100, при этом число изотопов превышает 3000 !!!

Заметим, что появление изотопов в результате высокоэнергетических процессов на Земле и в ближнем Космосе не прекратилось и существует всегда.

Таблица . Эволюция материи как функция температуры среды.

Время от БВ	Температура	Результат эволюции
10 -43 с	Т=10 32 0С.	Квантовая гравитация
10 -35 с.	Т=10 28 0С.	Инфляция. Расширение Вселенной. Появление зародышей сгустков материи. Существование фотонов, нейтрино и т.п.
10-11 с.	Т=10 18 0С.	Эра разделения сил и взаимодействий (электромагнитных, слабых и др.).
10 -5 c.	Т=10 12 0С.	Плазмоподобное состояние вещества. Начало объединения кварков в протоны и нейтроны.
10 -2 с.	Т=10 9 0С.	Начало образования атомного уровня. Фотоны, электроны, позитроны, нейтрино, антинейтрино – существуют. Образование изотопов ядер гелия и водорода (первичный нуклеосинтез).
1 млн. лет от БВ	Менее 4000 0С.	Синтез элементов и изотопов - 12С, 16О, 13Fe, 20Ne, 24Mg, 27А1, 28Si и др.
	Менее 3000 0С	Образование оксидов Al, Mg, Ti, Zr, С (ржавчина, песок, вода, угл. газ и др. распространенные элементы Земной коры)
	Менее 2000 0С	Конденсируются тугоплавкие вещества - железо, силикаты. Возникновение горных пород (алюмосиликатов, гранитов, базальтов кварцитов и др.)
	1000 0С	Конденсируются другие металлы и их соединения с серой и кислородом.
~10 млрд. лет	Менее 400 0С	Формирование летучих и газовых компонентов, гидросферы и атмосферы Земли. Образование углеводородных соединений.
~15 млрд. лет. Настоящее время		Число химических элементов – 118 Число изотопов – более 3000 !!!

3-й этап эволюции

Пребиотическая эволюция — это один из этапов эволюции жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических факторов, а также в силу самоорганизации, свойственных всем сложным системам, к которыми бесспорно относятся углеродсодержащие молекулы.

Следует считать, что для химической эволюции может быть пригодна практически любая среда: глубины океанов, недра планет, их поверхности, протопланетные образования и даже облака межзвёздного газа, что подтверждается повсеместным обнаружением в космосе многих видов органических веществ — альдегидов, спиртов, сахаров и даже аминокислот, которые вместе могли служить исходным эволюционным материалом при возникновение жизни.

В 2014г. ученые-астрономы, использующие группу радиотелескопов ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), обнаружили в космосе (в гигантском газовом облаке) углеродосодержащие органические макромолекулы, являющиеся общими для возникновения простейших форм жизни - молекулы изопропила цианида. Их обнаружение указывает на вероятность формирования сложных молекул в космосе с последующим заносом на поверхность планет, где могут происходить дальнейшие процессы формирования и усложнения макромолекул, являющихся зародышами жизни.

Особо отметим значение воды, появившейся на этапе химической эволюции, когда температура на поверхности Земли опустилась ниже 400 ⁰С. Вода имеет комплекс качеств, которые делают возможной появление и развитие жизни. Жизнь не может возникать и существовать независимо от воды. Вода поддерживает все обменные процессы в организме, газообмен, питание всех органов и систем, удаление отходов метаболизма, стабилизирует температуру организма. Вода нужна как универсальный растворитель, как среда, в которой формируются кислые и основные среды организма.

Для синтеза сложных молекул важны следующие характеристики воды:

- Температура воды в жидком состоянии обеспечивает синтез и стабильность органических молекул.

- Вода необходима как деполяризующий растворитель для химических реакций, поскольку делает возможным гомогенное перемешивание.

- Вода, имея высокую теплоёмкость, принимает выделяющуюся при реакциях теплоту и предоставляет в распоряжение реагирующих веществ протоны для катализов.

- Вода и водяной пар поглощают вредное для макромолекул ультрафиолетовое облучение.

- Вода, в которой растворены соли (например, морская вода), образует при вымораживании области разных концентраций веществ, которые окружены мембранами льда. Отграничение от внешней среды и повышенная концентрация вещества считаются необходимыми для образования биологически активных молекул.

- Особенность термодинамики воды (при нагревании от 0 до 3,98°С вода сжимается) предотвращает замерзание водоёмов до дна — холодная вода, как менее плотная, остаётся на поверхности и замерзает, а подо льдом сохраняется положительная температура.

Биомолекулы. Все гипотезы исходят из того, что помимо воды и фосфатов на начальных этапах истории Земли в атмосфере и гидросфере в достаточном количестве имелись только восстановленные формы, отличающиеся от обычных в современный период химических соединений, так как древняя атмосфера не содержала молекулярного кислорода.

В качестве источника энергии, инициирующей синтез, в это время могли выступать ультрафиолетовое излучение Солнца, тепло вулканических процессов, ионизирующие излучения радиоактивного распада и электрические разряды.

Существуют также теории, в рамках которых источником необходимой энергии для возникновения биомолекул могут служить окислительно-восстановительные процессы между вулканическими газами (восстановитель) и частично окисляющими сульфидными минералами, например пиритом (Fe S₂).