Палнеты Солнечной системы и происхождение жизни на Земле
Содержание
1. Задача
Оценить
расстояние до галактики, если красное
смещение линии Ha водорода (длина волны
l=656 нм) составляет 10 нм. Принять постоянную
Хаббла Н=75 км с-1/Мпк.
Решение:
Н =75 км×с-1/Мпс
Dl =10 нм
l = 656
Определить: R
При удалении галактики со скоростью V согласно эффекту Доплера для смещения Dl в красную сторону (в сторону удлинения длины волны) линии излучения l справедливо соотношение (при небольшом удалении):
Dl/l = V/c
где c - скорость света.
Отсюда скорость удаления галактики равна:
V = c ×Dl/l
Вычислим скорость, чтобы узнать скорость удаления:
V = 3×108×10/656 =0.046×108 м/с =46×105 м/c =4600 км/с
По закону Хаббла скорость удаления пропорциональна расстоянию до галактики:
V = H R
Примем постоянную Хаббла Н = 75 км×с-1/Мпс
Расстояние до галактики будет:
R = V/H = 4600/75 = 61,3 Мпс
Учтем, что 1 парсек = 3.26 световых года, а 1 Мпс =106 пс. Тогда
R =199,838×106 cв. лет
Ответ: галактика удалена на 199,838 млн. световых лет.
2. Планеты Солнечной системы
Солнечная система состоит из самого Солнца, девяти больших планет с их спутниками, более ста тысяч малых планет (астероидов), огромного числа комет (по некоторым данным, их более 100 млрд), бесчисленного количества мелких метеорных тел, межпланетных пыли и газа (рис.1). Происхождение, эволюция, законы движения всех тел, входящих в Солнечную систему, полностью определяются центральным телом — Солнцем. Точно определить границу Солнечной системы невозможно, но большинство исследователей проводит ее на расстоянии 100 тыс. а. е. от Солнца. Многие данные говорят о том, что у других звезд тоже есть планетные системы, но точно доказать существование хотя бы одной из них пока не удается.1
Основная масса вещества Солнечной системы (исключая само Солнце) содержится в девяти больших планетах. Плоскости орбит планет наклонены друг к другу под небольшими углами. Небольшие углы они составляют и с плоскостью солнечного экватора. Вращение Солнца вокруг своей оси и обращение планет вокруг него происходит в одном направлении. Расстояния между орбитами планет возрастают по мере удаления от Солнца.
Рис. 1.
Схема строения Солнечной системы.
Малые планеты, или астероиды, имеют диаметр от 1 до 1000 км. Их общая масса, несмотря на огромное их число, не превышает 1/100 массы Земли. Орбиты большинства астероидов расположены между орбитами Марса и Юпитера. Однако есть астероиды, которые обращаются вокруг Солнца по очень вытянутым орбитам. Так, Гидальго может удаляться от Солнца за пределы орбиты Сатурна, а Икар заходить внутрь орбиты Меркурия. Некоторые астероиды могут сближаться с Землей. Например, в 1973 г. Икар приблизился к Земле на расстояние 7 млн км. Хотя известны случаи, что некоторые небольшие астероиды заходили внутрь орбиты Луны, столкновение Земли с астероидом настолько маловероятно, что может происходить не чаще, чем один раз за сотни миллионов лет. В настоящее время неизвестно ни одного астероида, столкновение с которым может произойти в сколько-нибудь обозримое время.
Метеорные тела диаметром от долей миллиметра до нескольких километров и межпланетная пыль (частички, размеры которых не превышают сотен микрометров) заполняют практически все пространство Солнечной системы. Метеорные тела и пыль образуются при распаде комет, при столкновениях с астероидами. Скорость метеорного тела уменьшается, и оно постепенно приближается к Солнцу.
По своим характеристикам (размерам, массам, скорости вращения вокруг оси, химическому составу планет и их атмосфер) планеты делятся на две большие группы: группу планет типа Земли и группу планет типа Юпитера. Эти группы как бы разделены «поясом астероидов». К первой группе относятся четыре ближайшие к Солнцу планеты (Меркурий, Венера, Земля и Марс) и Луна, так как ее характеристики близки к характеристикам планет этой группы, хотя она и является спутником Земли. Все планеты группы Земли обладают сравнительно небольшими массами и размерами, но представляют собой весьма плотные тела.2
Члены этой группы либо полностью (Луна, Меркурий) лишены атмосферы, либо имеют малопротяженную и не очень плотную атмосферу, масса которой составляет лишь ничтожную долю массы планеты. Основным химическим соединением в этих атмосферах является углекислый газ (Венера, первичная атмосфера Земли, Марс). Все планеты этой группы обладают сходным строением. Лучше всего исследовано строение Земли. По современным представлениям, в центре планеты располагается внутреннее ядро (субъядро) радиусом около 1300 км. Внутреннее ядро окружено жидкой оболочкой толщиной около 2100 км. Внутреннее ядро и оболочка составляют ядро Земли. Выше ядра расположена мантия толщиной около 2900 км, а еще выше — кора, имеющая толщину 4—10 км под океаном и 40—80 км под материками. Только у двух планет этой группы имеются естественные спутники: у Земли—один (Луна), у Марса—два (Фобос и Деймос).
Особый интерес для нас представляет вопрос о возникновении планет. Первые теории происхождения солнечной системы были выдвинуты немецким философом И. Кантом и французским математиком П.С. Лапласом. Их теории вошли в науку как некая коллективная космогоническая гипотеза Канта — Далласа, хотя разрабатывались они независимо друг от друга.
И. Кант выдвинул гипотезу, согласно которой перед образованием планет Солнечной системы пространство, где теперь она существует, было заполнено рассеянной материей, находившейся во вращательном движении вокруг уже возникшего в виде центрального сгущения Солнца. С течением времени вследствие притяжения и отталкивания между частицами рассеянной материи (туманности) возникли планеты. И. Кант впервые выдвинул предположение, что Солнечная система не существовала вечно. Процесс ее возникновения он связывал с существованием сил взаимодействия, присущих частицам туманности. При этом гипотеза И. Канта не противоречила наблюдаемому расположению орбит планет Солнечной системы приблизительно в одной плоскости и существованию спутников.
Приблизительно через 50 лет после этого П.С. Лаплас выдвинул свою гипотезу, во многом сходную с предположением И. Канта. Космогоническая гипотеза П.С. Далласа основывалась на том, что Солнечная система образовалась из уже вращающейся газовой туманности. По теории И. Канта, Солнечная система также возникла из газовой туманности, но она не имела предварительного вращения. В этом случае появлялась непреодолимая трудность: невозможно было объяснить, как могло образоваться правильное вращательное движение небесных тел. Гипотеза П.С. Далласа получила широкое признание в первой половине ХIХ в., но потом оказалось, что ряд фактов не укладывается в ее рамки. 3
Началом следующего этапа в развитии взглядов на образование Солнечной системы послужила гипотеза английского физика и астрофизика Дж. X. Джинса. Он предположил, что когда-то Солнце столкнулось с другой звездой, в результате чего из него была вырвана струя газа, которая, сгущаясь, преобразовалась в планеты. Однако, учитывая огромное расстояние между звездами, такое столкновение кажется совершенно невероятным. Более детальный анализ выявил и другие недостатки этой теории.
Современные концепции происхождения планет Солнечной системы основываются на том, что нужно учитывать не только механические силы, но и другие, в частности электромагнитные. Эта идея была выдвинута шведским физиком и астрофизиком X. Альфвеном и английским астрофизиком Ф. Хойлом. Считается вероятным, что именно электромагнитные силы сыграли решающую роль при зарождении Солнечной системы.
Теории
происхождения Солнечной
3. Происхождение жизни на Земле
Возникновение и эволюция биологических систем — исходная тема биологии. Вокруг нее концентрируются все другие частнонаучные проблемы и вопросы, а также строятся философские обобщения и выводы.
В соответствии с двумя основными мировоззренческими позициями — материалистической и идеалистической — еще в древней философии сложились противоположные концепции происхождения жизни: креационизм и материалистическая теория происхождения органической природы из неорганической. Сторонники креационизма утверждают, что жизнь возникла в результате акта божественного творения, свидетельством чего является наличие в живых организмах особой силы, которая управляет всеми биологическими процессами. Сторонники концепции происхождения жизни из неживой природы утверждают, что органическая природа возникла благодаря действию естественных законов. Позже эта позиция была конкретизирована в идее самозарождения жизни. Концепция самозарождения, несмотря на ошибочность, сыграла позитивную роль, опыты, призванные подтвердить ее, предоставили богатый эмпирический материал для развивающейся биологической науки. Окончательный отказ от идеи самозарождения произошел только в XIX в.4
В XIX в. была также выдвинута гипотеза вечного существования жизни и ее космического происхождения на Земле. В 1865 г. немецкий врач Г. Рихтер высказал предположение, что жизнь существует в космосе и переносится с одной планеты на другую. В 1907 г. шведский ученый С. Аррениус выдвинул схожую гипотезу, согласно которой зародыши жизни вечно существуют во Вселенной, движутся в космическом пространстве под влиянием световых лучей и, оседая на поверхности планеты, дают начало жизни. Эта гипотеза получила название панспермии. В начале XX в. идею космического происхождения биологических систем на Земле и вечности существования жизни в космосе развивал русский ученый В.И. Вернадский.
В
современной науке принята
Первый этап возникновения живого связан с химической эволюцией. После возникновения Земля представляла собой раскаленный шар. Постепенное остывание планеты способствовало тому, что тяжелые химические элементы перемещались к ее центру, а легкие постепенно скапливались на поверхности. Легкие элементы — кислород, углерод, азот и водород — стали взаимодействовать друг с другом, и в ходе дальнейшей химической эволюции появились различные органические соединения. Земная жизнь имеет углеродную основу, чему способствуют особые физические свойства этого химического элемента. Так, углерод способен создавать самые разнообразные структуры, число возможных органических соединений на основе углерода составляет десятки миллионов. Соединения углерода активны при невысокой температуре, даже при небольшой перестройке молекул их химическая активность может существенно меняться. Соединения углерода с водородом, азотом, кислородом, серой, железом и т.п. обладают высокими каталитическими свойствами. Кроме того, многие углеродные соединения хорошо растворяются в воде. Тем не менее ученые не исключают возможности возникновения жизни и на иной, например, кремниевой основе.
По мере остывания земной поверхности происходило сгущение водяных паров, что впоследствии привело к образованию огромных водоемов. Результатом активной вулканической деятельности на первых этапах эволюции нашей планеты стал выброс "на ее поверхность различных карбидов.— соединений углерода с металлами. Карбиды смывались в первичный океан, где вступали во взаимодействие с водой. В результате этих химических реакций образовались различные углеводородные соединения.
Второй этап возникновения живого связан с появлением белковых веществ. Присутствие в водах первичного океана большого числа углеродных соединений привело к возникновению концентрированного «органического бульона», в котором осуществлялся дальнейший процесс синтеза сложных органических молекул — белков и нуклеиновых кислот — из достаточно простых углеродных соединений.
Одним из условий для синтеза сложных органических молекул — биополимеров — является высокая концентрация исходных веществ. Предполагается, что необходимые условия сложились в результате осаждения простых органических молекул на минеральных частицах, например на глине, первичных водоемов. Кроме того, органические молекулы могли образовывать тонкую пленку на поверхности воды, которая под воздействием ветра и водных потоков сбивалась к берегу, образуя толстые слои. Еще одним условием для синтеза биополимеров является наличие бескислородной среды, поскольку кислород, будучи сильным окислителем, моментально разрушил бы исходные органические соединения. Американский ученый Г. Юри выдвинул предположение, что первичная атмосфера Земли действительно была бескислородной и носила восстановительный характер. Она была насыщена инертными газами — гелием, неоном, аргоном, содержала водород, метан, аммиак и азот. Именно в такой среде легко создаются органические соединения. Вторичная атмосфера Земли имела уже иной состав, который стал следствием развития жизни. Вторичная атмосфера на 20 % состояла из кислорода и носила окислительный характер. Для подобного преобразования земной атмосферы понадобилось не менее 1 млрд лет. Идея Г. Юри оказала значительное влияние на развитие представлений о происхождении жизни.
Возможность
абиогенного синтеза
Итак, под воздействием высокой температуры, ионизирующего и ультрафиолетового излучения, атмосферного электричества из простейших органических соединений образовались белки, жиры, углеводы и аминокислоты. Согласно гипотезе русского ученого А.И. Опарина, которая была изложена в работе «Происхождение жизни» (1924), смешиваясь в первичном «бульоне», поначалу разрозненные органические соединения способны образовывать коацерватные капли. Коацерваты уже обладают рядом свойств, которые объединяют их с простейшими живыми существами. Так, например, коацерваты способны поглощать вещества из окружающей среды, вступать во взаимодействия друг с другом, увеличиваться в размерах и т.п. Однако в отличие от живых существ коацерватные капли не способны к самовоспроизводству и саморегуляции, поэтому их нельзя отнести к биологическим системам. Эксперименты с коацерватами показали, что скорость, с которой они поглощают вещества из окружающей среды, может быть различна и зависит от химической организации и пространственной структуры каждой конкретной капли. Поэтому две разновидности коацерватов в одном и том же растворе будут вести себя по-разному. Данные эксперименты являются косвенным подтверждением того обстоятельства, что на этой стадии предбиологической эволюции вполне мог происходить отбор коацерватов в зависимости от характера их взаимодействия с окружающей средой.
Третий этап возникновения жизни связан с формированием у органических соединений способности к самовоспроизводству. Началом жизни следует считать возникновение стабильной самовоспроизводящейся органической системы с постоянной последовательностью нуклеотидов. Только после возникновения таких систем можно говорить о начале биологической эволюции. Одну из версий перехода от предбиологической к биологической эволюции предлагает немецкий ученый М. Эйген. Согласно его гипотезе возникновение жизни объясняется взаимодействием нуклеиновых кислот и протеинов. Нуклеиновые кислоты являются носителями генетической информации, а протеины служат катализаторами химических реакций. Нуклеиновые кислоты воспроизводят себя и передают информацию протеинам. Возникает замкнутая цепь — гиперцикл, в котором процессы химических реакций самоускоряются за счет присутствия катализаторов. В гиперциклах продукт реакции одновременно выступает и катализатором, и исходным реагентом. Подобные реакции называются автокаталитическими.6
Другой теорией, в рамках которой можно объяснить переход от предбиологической эволюции к биологической, является синергетика. Закономерности, открытые синергетикой, позволяют прояснить механизмы возникновения органической материи из неорганической в терминах самоорганизации через спонтанное возникновение новых структур в ходе взаимодействия открытой системы с окружающей средой.
Изучением основных этапов эволюции живого занимается палеонтология — наука об ископаемых организмах. Поскольку биологической эволюции предшествовала длительная предбиологическая эволюция, отдельные этапы биогенеза современная наука увязывает с геогенезом. В геологической истории Земли выделяют различные эры, в которые происходили значительные геологические преобразования, перераспределялись суша и море, менялся климат и т.п. Кроме того, после возникновения жизни каждая эра характеризовалась своеобразием растительного и животного мира. Геологические эры: катархей (5 млрд - 3,5 млрд лет назад); архей (3,5 млрд- 2,6 млрд лет назад); протерозой (2,6 млрд - 570 млн лет назад); палеозой (570 млн - 230 млн лет назад); мезозой (230 млн - 67 млн лет назад); кайнозой (67 млн лет назад - до настоящего времени). Возраст Земли — около 5 млрд лет.
Жизнь на нашей планете возникла в архее, примерно 3,5 млрд лет назад. В это время появляются первые живые клетки — прокариоты. Прокариоты — это простые организмы, способные к быстрому размножению, легко приспосабливающиеся к изменяющимся условиям окружающей среды. Характерное свойство прокариотов — отсутствие выраженного ядра. Эти организмы были анаэробными, т.е. могли жить без кислорода (напомним, что первичная атмосфера Земли состояла из смеси гелия, неона, аргона, водорода, метана и азота). Эти организмы были гетеротрофами, т.е. все необходимые для жизни вещества получали в готовом виде из окружающей среды. Однако истощение первичного «органического бульона» потребовало радикального изменения способов питания. На этом этапе биогенеза преимущество имели те организмы, которые могли получить большую часть необходимой для жизни энергии за счет солнечного излучения. Световая энергия ускоряла химические реакции, в ходе которых синтезировались необходимые для жизни вещества. Процесс выработки необходимых веществ с помощью поглощения солнечной энергии называется фотосинтезом. Таким образом, на смену гетеротрофам пришли автотрофы — живые организмы, которые существуют за счет солнечной энергии и вырабатывают необходимые для жизни вещества самостоятельно. Первыми автотрофами были цианеи, затем зеленые водоросли. Фотосинтез сыграл существенную роль в биогенезе, способствовал общему ускорению эволюции органической материи. На этом этапе преимущество получили аэробные организмы, которые способны к жизни только в присутствии кислорода.
Появление автотрофных организмов серьезно повлияло на состав земной атмосферы. Дело в том, что в процессе своей жизнедеятельности автотрофные организмы выделяют большое количество кислорода и благодаря этому первичная атмосфера Земли постепенно преобразовалась во вторичную, сформировался озоновый слой, защищающий живые организмы от смертоносного действия ультрафиолетовых лучей, изменился состав воды в водоемах и т.п. Таким образом, биогенез оказал существенное влияние на эволюцию нашей планеты и гармонично «встроился» в геогенез, став его продолжением и развитием. Считается, что нынешнее содержание кислорода в атмосфере (21 %), было достигнуто в палеозое, 250 млн лет назад, однако этот процесс начался уже в архее.
В протерозое (1,8 млрд лет назад) появляются эукариоты — живые организмы, клетки которых содержат выраженное ядро. Эукариоты более соответствовали новым условиям. В отличие от прокариотов ДНК эукариотов собрана в хромосомы и способна воспроизводиться без значительных изменений. Существуют две основные гипотезы происхождения эукариотов: аутогенная и симбиотическая. Согласно аутогенной гипотезе эукариоты возникли путем усложнения слабоструктурированных клеток, подобных прокариотам. Сторонники симбиотической гипотезы считают, что эукариоты появились как результат симбиоза нескольких прокариотных клеток, геномы которых объединились в новую целостность.
Примерно 1 млрд лет назад произошло разделение эукариотов на растительные и животные клетки. Структурные различия между растительной и животной клетками невелики. Более существенными являются различия в способах получения необходимых для жизни питательных веществ. В дальнейшем растительные клетки эволюционировали в сторону использования фотосинтеза для обеспечения себя энергией, а животные клетки — в направлении совершенствования способов передвижения (именно способность к передвижению дает возможность животным организмам искать себе пищу). Известны организмы, которые занимают промежуточное положение между растениями и животными. Например, простейший одноклеточный организм эвглена зеленая питается как растение, а передвигается как животное. Эвглену зеленую рассматривают как переходное звено между растительным и животным царствами. Другой пример — растения, которые по способу питания аналогичны животным: растения-паразиты повилика и хмель или насекомоядные растения мухоловка и росянка. Кроме того, существуют совершенно неподвижные животные организмы — моллюски.7
Следующим существенным шагом в биологической эволюции стало появление 900 млн лет назад полового размножения. Механизм полового размножения заключается в слиянии и последующем распределении генетического материала двух организмов. Половое размножение значительно повышает видовое разнообразие, что, с одной стороны, позволяет живым организмам лучше приспособиться к условиям окружающей среды, а с другой — значительно ускоряет эволюционный процесс.
Появление первых многоклеточных организмов произошло примерно 800 млн лет назад. Многоклеточный организм обладает развитыми органами и тканями, т.е. более дифференцирован по сравнению с одноклеточным. Первыми многоклеточными были губки, членистоногие и кишечнополостные.
В палеозое, 500 млн — 440 млн лет назад появляются первые крупные (10-11 м) плотоядные животные и первые небольшие по размерам (около 10 см) позвоночные. Примерно 410 млн лет назад живые организмы начинают завоевывать сушу. Наземные растения получили значительные преимущества перед водными, поскольку процессы фотосинтеза на суше протекают интенсивнее, чем в воде. Первые наземные растения — псилофиты — занимали промежуточное положение между наземными сосудистыми растениями и водорослями. Вслед за растениями на сушу перебрались и животные. Первые наземные животные напоминали современных скорпионов, они были двоякодышащими, т.е. приспособленными к дыханию и в воде, и на суше. От двоякодышащих существ впоследствии произошли сначала земноводные, а затем и сухопутные позвоночные животные. Первыми полностью приспособленными для жизни на суше животными организмами стали древние рептилии, которые по виду напоминали современных ящериц. Примерно в этот же период возникли и насекомые. Около 300 млн лет назад насекомые начинают летать и затем на протяжении почти 100 млн лет господствовали в воздухе.
В мезозое (230 млн — 67 млн лет назад) происходит дальнейшая эволюция животного и растительного мира. Постепенно у наземных растений формируется компактное тело, происходит его дифференциация на корень, стебель, листья, совершенствуются покровные ткани, развивается проводящая система, обеспечивающая растения водой и питательными веществами, изменяются способы размножения. Для целей размножения на суше больше подходят споры и семена, поэтому эволюционное преимущество получили те растения, которые размножались именно таким способом. Дальнейшая эволюция растительного мира связана с совершенствованием семян.
Животное царство также развивается. В начале мезозоя рептилии полностью завоевали сушу, поэтому мезозойскую эру часто называют эрой пресмыкающихся. Древние рептилии постепенно осваивают все новые и новые места обитания, и все более удаляются от воды. Постепенно в ходе эволюции возникали плавающие, летающие и передвигающиеся по суше, хищные и растительноядные рептилии. 195 млн — 137 млн лет назад от древних летающих пресмыкающихся произошли первые птицы, которые сочетали в себе признаки птиц и рептилий. 230 млн — 195 млн лет назад появились первые млекопитающие.
Кайнозой (67 млн лет назад — настоящее время) — время господства млекопитающих, птиц, насекомых и цветковых растений. В конце мезозойской эры произошло сильное похолодание, которое привело к гибели значительного числа видов растений и общему сокращению пространств, занятых растительностью. В этих условиях эволюционное : преимущество получили покрытосеменные растения, у которых процесс размножения не только не зависит от наличия водной среды, но и возможен в новых климатических условиях. Покрытосеменные — цветковые — растения и сейчас составляют большую часть царства растений. Безусловно, в течение 67 млн лет кайнозойской эры не раз происходили изменения растительного царства, но цветковые растения по-прежнему сохраняют господство.
Похолодание в конце мезозойской эры и гибель многочисленных видов растений привели к вымиранию сначала растительноядных, а затем и питавшихся ими хищных динозавров. В условиях похолодания значительное эволюционное преимущество получили теплокровные животные — млекопитающие и птицы. На протяжении миллионов лет происходит появление новых видов живых существ, которые распространяются по поверхности Земли, занимая сушу, воздух и водную среду. Примерно 8 млн лет назад начали формироваться современные семейства млекопитающих. В этот период появились разнообразные виды приматов и тем самым сложились предпосылки для начала антропогенеза. 12 млн лет назад началось очередное вымирание лесов. Одна из групп антропоидных обезьян постепенно стала осваивать новые огромные открытые пространства. Предположительно именно от этих обезьян произошли люди. Сейчас жизнь на Земле представлена клеточными и до-клеточными организмами. Доклеточные живые организмы — вирусы и фаги. Клеточные организмы традиционно разделяют на четыре царства: микроорганизмы, грибы, растения и животные. Основными группами органической природы считаются растения и животные. В настоящее время царство растений представлено более чем 500 тыс. видов, царство животных — более 1,2 млн видов.
4. Задача
У
людей любопытство – признак
рецессивный (а) по отношению к равнодушию,
сцепленный с полом. Любопытный юноша
женится на равнодушной девушке. Отец
девушки отличается любопытством, а мать
и все ее предки были людьми равнодушными.
Какова вероятность того, что дочери от
такого брака будут людьми любопытными?
Дано:
А – равнодушие
а – любопытство