Современные представления о возникновении жизни на земле

1) текущий учет изменений в окружающей среде и предотвращение ухудшения качества окружающей среды;

2) прогноз изменений в окружающей среде и связанных с ними экологических последствий.

     Для того чтобы управлять природопользованием, необходимо располагать данными о том, какая именно среда оптимальна для нормальных условий жизни человека.

     Экологические факторы среды, с которыми связан любой организм, делятся на две категории:

* факторы неживой природы (абиотические);

* факторы живой природы (биотические).

Приспособительная реакция организмов к тем или иным факторам среды определяется степенью постоянства (периодичностью) воздействия этих факторов.

А.С. Мончадский выделяет три основных фактора.

1. Относящиеся к явлениям Солнечной системы, и в частности связанные с вращением Земли (смена времен года, суточная смена). Здесь имеется строгая периодичность, действовавшая еще до появления жизни на Земле, возникающие живые организмы должны сразу адаптироваться к этим факторам.

2. Факторы, являющиеся следствием первичных: влажность, температура, давление, динамика растительной пищи, содержание растворенных газов в воде и др.

3. Факторы, не имеющие правильной цикличности, например стихийные явления. К этим факторам относятся и антропогенные (производимые человеком) воздействия на окружающую среду, например появление примесей в воде, почве, воздухе, связанное с деятельностью промышленных предприятий. Для того чтобы адаптация живых организмов к новым условиям могла наследственно закрепиться, требуется длительное эволюционное время, за которое сменятся сотни поколений. Живые организмы, как правило, не успевают выработать приспособительные реакции, то есть адаптация к непериодическим факторам у организмов невозможна.

     Ядовитые и вредные вещества, например неочищенные сточные воды, отбросы, выхлопные газы, радиоактивные вещества, биоциды и др., попав в экосистему, не исчезают бесследно. Даже низкие их концентрации, действуя долгое время, могут повредить человеку, животным и растениям. Как показали наблюдения, некоторые яды могут передаваться по пищевым цепочкам и сетям.

     Так, тяжелые металлы (например, свинец) передаются из растений корове, оттуда в молоко, а с молоком -- человеку. Инсектициды поступают с отравленными насекомыми в насекомоядную рыбу, а затем к человеку или птице, съевшей эту рыбу.

     В отдельных звеньях пищевой цепи может происходить нарастающее накопление ядов. Если они не разлагаются и не выводятся из организмов, то нарушается равновесие химического круговорота веществ. В жизнестойкой экологической системе все время должно поддерживаться равновесие, исключающее необратимое уничтожение тех или иных «каналов» обмена информацией (энергетической, химической, генетической и др.).

     Жизнедеятельность всех живых организмов, включая человека, представляет собой работу, для осуществления которой требуется энергия. Энергия солнечной радиации первична на Земле и имеет преимущественное значение для жизни в инфракрасной и ультрафиолетовой области спектра.

     Непрерывный поток солнечной энергии, воспринимаясь молекулами живых клеток, преобразуется в энергию химических связей. Химические вещества последовательно переходят от одних организмов к другим, то есть происходит последовательный упорядоченный поток вещества и энергии.

     Продукция фотосинтеза обеспечивает человека пищей, одеждой, энергией. Например, каменный уголь - это солнечная энергия, аккумулированная в продуктах фотосинтеза растений прошлых геологических эпох.

     Экология, по сути дела, изучает связь между излучением и экологическими системами и способы превращения энергии внутри системы. Отношения между растениями и животными, между хищниками и жертвами, не говоря уже о численности и видовом составе организмов в каждом их местообитании, лимитируются и управляются потоком энергии, превращающейся из ее концентрированных (конкретных) форм в рассеянные (невосстанавливаемые).

     Существует два основных механизма удержания, перераспределения и накопления энергии на Земле.

1. Механизм, характеризующий среду обитания: испарение, конденсация, градиенты плотности в атмосфере и в океане, геохимические реакции, эрозия и др. (геохимический круговорот веществ).

2. Механизм, характеризующий жизнедеятельность биообъектов: фотосинтез, дыхание и др.

     Все типы экосистем регулируются теми же основными законами, которые управляют и неживыми системами, например техническими установками, машинами. Различие заключается в том, что живые системы, используя часть имеющейся внутри них энергии, способны самовосстанавливаться, а машины приходится чинить, используя при этом внешнюю энергию.

     Когда излучение поглощается каким-либо предметом, последний нагревается, то есть энергия излучения переходит в энергию движения молекул, из которых состоит тело, причем, это касается любых физических полей и сред, взаимодействующих с ними. В частности, солнечное излучение сушей и водой поглощается по-разному, в результате возникают теплые и холодные области, что в свою очередь служит причиной образования воздушных потоков, которые, например, могут вращать ветряные двигатели и выполнять другую работу. Таким образом, «потребленная» энергия на самом деле не расходуется, она только переводится из состояния, в котором ее легко превратить в работу, в состояние с малой возможностью использования.

     Если температура какого-либо тела выше температуры окружающего воздуха, то тело будет отдавать тепло до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой окружающей среды, после чего наступает состояние термодинамического равновесия и дальнейшее рассеяние энергии в тепловой форме прекращается.

     Такая система находится в состоянии максимальной энтропии.

     Энтропия отражает возможности превращения энергии и рассматривается как мера неупорядоченности системы.

     Энтропия - фундаментальное понятие термодинамики. Если молекулярная система обладает энергией. Е и имеет N(E) доступных состояний в пределах от Е до Е + АД то качественной мерой молекулярного беспорядка в системе будет энтропия

     Понятие энтропии как показателя термодинамической искаженной энергии имеет большое значение не только в физике, химии, биологии, но и в экологии для решения проблем, связанных с изменением состояния окружающей среды. Энтропия показывает, что тот или иной процесс может происходить в системе с определенной вероятностью. При этом если система стремится к равновесному состоянию, энтропия увеличивается и стремится к максимуму.

     С термодинамических позиций энтропию можно выразить другим соотношением, связывающим теплоту Q и температуру Т.

     Если система получает приращение теплоты AQ, то энтропия изменяется на AS энтропию можно определить с помощью измерения теплоты и температуры.

     Применяя положения термодинамики к процессу жизнедеятельности, можно отметить, что живой организм извлекает энергию из пищи, используя упорядоченность ее химических связей.

     Часть энергии идет на поддержание жизненных процессов, часть передается организмам последующих пищевых уровней. В начале этого процесса находится фотосинтез, при котором повышается Упорядоченность деградировавших органических и минеральных веществ. При этом энтропия уменьшается за счет поступления энергии от Солнца.

     Само существование биосферы можно рассматривать как стационарный процесс, реализуемый на фоне грандиозного необратимого процесса охлаждения Солнца. Если возникновение биологической структуры можно представить двумя стадиями: биосинтезом составляющих элементов (макромолекул, клеток) и сборкой из них организованной системы, то процесс сборки находится в значительной степени под термодинамическим контролем, поскольку на молекулярном уровне система стремится к состоянию с наименьшим химическим потенциалом. Самоорганизация и эволюция биологических систем на всех уровнях, начиная с клетки и кончая биосферой в целом, происходят вследствие оттока энтропии в окружающую среду.

     Земля получает энергию от Солнца в виде излучения. При этом достигающий Земли поток энергии за секунду равен 1,2 * 1017 Вт.

     Согласно второму началу термодинамики, энергия любой системы стремится к уменьшению, то есть к термодинамическому равновесию, что равнозначно максимальной энтропии. В такое состояние живой организм перейдет, если лишить его возможности извлекать упорядоченность (энергию) из окружающей среды.

     Закон энтропии универсален и безграничен и гласит, что утратившая чувство гармонии любая структура немедленно поглощается живой природой.

     Методы термодинамики применимы только к макроскопическим системам, состоящим из большого числа частиц. Система, которая не может обмениваться со средой ни энергией, ни веществом, является изолированной (камни, шлаки); если происходит обмен только энергией, то система называется замкнутой (теплообменники); а если и энергией, и веществами - открытой.

     При применении термодинамики к биологическим системам необходимо учитывать особенности организации живых систем:

1) биологические системы открыты для потоков вещества и энергии;

2) процессы в живых системах, в конечном счете, имеют необратимый характер;

3) живые системы далеки от равновесия;

4) биологические системы гетерофазны и структурированы.

     Для описания свойств биологических систем целесообразно применение термодинамики необратимых процессов, которая рассматривает ход процессов во времени (основатели - лауреаты Нобелевской премии по химии Л. Онзегер и И. Пригожий). Фундаментальным понятием термодинамики необратимых процессов является стационарное состояние системы. Процесс жизнедеятельности биообъектов сопровождается непрерывно идущими биологическими процессами, выделяя в определенный период времени доминирующий (или тот же, измененный по времени) процесс.

     Таким образом, процесс жизнедеятельности и есть множественная последовательность различных стационарных состояний.

     В общем случае основным свойством живых систем является наличие разности потенциалов на мембранах клеток. Незначительные изменения потенциала сопровождаются четко выраженными физиологическими изменениями: нервным импульсом, транспортом ионов через мембрану, сокращением мышечной ткани и др. Длительное нарушение целостности мембраны всегда ведет к патологии, а выравнивание потенциала означает смерть клетки. 
 

Заключение. 

    Очевидно, истинная жизнь начинается с появления клетки. Биологические мембраны помогают объединению отдельных органелл (мембранные органеллы и органеллы-частицы) в единое целое. Образуется истинная основа жизни, знаменующая собой скачок в эволюции. Очевидно, первые клетки примитивны, они не имеют ядра (прокариоты). В настоящее время таковы бактерии и некоторые другие микроорганизмы. Они появились около 3,2-3,5 млрд. лет назад. Затем началось развитие клетки с ядром (эукариоты), содержащим хромосомы -- органеллы, которые хранят с помощью ДНК и передают наследственные черты клетки.

    Первые клетки были прообразом всех живых организмов: растений, животных, бактерий. Позже, в процессе эволюции, под воздействием дарвиновских законов естественного отбора клетки совершенствуются, вслед за прокариотами и эукариотами отделяется третья категория -- специализированные клетки высших многоклеточных, растений и животных -- метафитов и метазоа.

    Сложные процессы химической эволюции, которая переходит в биохимическую и биологическую эволюцию, могут быть выражены в виде простой схемы: атомы ® простые молекуы ® сложные макромолекулы и ультрамолекулярные системы (пробионты) ® одноклеточные организмы.

    Первый шаг сделан. Это было самым трудным. На этапе предбиологической эволюции «испробовано» множество вариантов дальнейшего развития исходных углеродных соединений. Начало можно представить как сложное переплетение различных дорог, которые постепенно расходятся, а жизнь избирает один путь. Другие остаются дорогами никуда. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список использованной литературы. 

1. Голдсмит Д., Оуэн Т. «Поиски жизни во Вселенной», М., 1983 г.
2. Кальвин М. «Химическая эволюция», М., Мир, 1971 г.
3. Николов Т. «Долгий путь жизни», М., Мир, 1986 г.
4. Поннамперума С. «Происхождение жизни», М., Мир, 1977 г.
5. Фокс С., Дозе К. «Молекулярная эволюция и возникновение жизни», М., Мир, 1975 г.
6. Хоровиц Н. «Поиски жизни в Солнечной системе», М., Мир, 1988 г.
7. Шкловский И. С. «Вселенная. Жизнь. Разум», М., Наука, 1987 г.
8. Югай Г. А. «Общая теория жизни», М., Мысль, 1985 г.