Раздел IV. Бытие и становление природы 2. Концепция эволюции 1
ДВЕ ПАРАДИГМЫ НЬЮТОНОВА парадигма БЫТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩЕГО (БЫТИЕ ПРИРОДЫ) ДАРВИНОВА парадигма ЭВОЛЮЦИИ ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ ВОЗНИКАЮЩЕГО (ЭВОЛЮЦИЯ ПРИРОДЫ) 2
н НЬЮТОНОВА ПАРАДИГМА: ДАРВИНОВА ПАРАДИГМА: неповторимость обратимость прошлого т. е. прошлого и будущего эквивалентность однонаправленность событий «жизненного» прошлого и цикла системы будущего Симметрия t → - t «Стрела» времени ВРЕМЯ – КОНТРОЛЕР ИЗМЕНЕНИЙ ХОД ВРЕМЕНИ РЕГИСТРИРУЕТСЯ ПО ИЗМЕНЕНИЯМ В ОБЪЕКТЕ 3
«стрелы времени» (СВ) в истории возникновения основных объектов Вселенной Антропологическая CВ Биологическая CВ Геологическая CВ Точки бифуркации Гелиологическая CВ Звездная CВ Галактическая CВ Космологическая CВ ? 1 2 3 4 5 6 7 4
1. Космологическая СВ - 13, 7 млрд. лет назад «начало» - Большой взрыв q 10 - 43 сек. после взрыва: фотоны и плазма элементарных частиц (кварки, нуклоны, e -, e +) q 4∙ 10 5 лет после взрыва : атомарное вещество: H, D, He и разделение вещества и ЭМИ 5
Эволюция Вселенной и самоорганизация üЭволюция – это череда резких, скачкообразных изменений состояния объекта, разделенных периодами плавного изменения свойств и признаков объекта üСамоорганизация- лишь один из возможных сценариев эволюции. Он описывает системы вдали от равновесия в ситуации, когда есть контакт с окружением (открытые системы) ЭВОЛЮЦИЯ НАШЕЙ ВСЕЛЕННОЙ ИМЕЛА ОСОБЫЙ МЕХАНИЗМ, СВЯЗАННЫЙ С УНИВЕРСАЛЬНОЙ СИЛОЙ ГРАВИТАЦИИ 6
модель Вселенной по Ньютону • характер движения космических тел определяется тяготением • Вселенная неизменна во времени - стационарна, но неустойчива ; • Вселенная бесконечна (НЕТ ЦЕНТРА, КУДА БЫ СВАЛИЛОСЬ ВСЕ, ЧТО НАХОДИТСЯ НА ПЕРИФЕРИИ!) 7
После Ньютона - борьба идей • Стационарна? • Только тяготение? • Бесконечна, т. е неограничена? • Нестационарна? • Тяготение и отталкивание? • Конечна, но неограничена? 8
модель Вселенной ПО ЭЙНШТЕЙНУ Вселенная ОДНОРОДНА, изотропна (В СРЕДНЕМ) Под действием только гравитации ОНА не МОЖЕТ БЫТЬ стационарной Для стационарности кроме гравитации (притяжения) нужно отталкивание. Он ввел компенсирующий член Λ - характеристику отрицательной гравитации. Эта сила отталкивания зависит только от массы m отталкивающегося тела и его координаты 9
Геометрия Вселенной по Эйнштейну – гиперпространство Оно конечно, но неограниченно! Парадокс? А Пример подобного сочетания: луч света, выйдя из точки А и двигаясь все время вперед, вернется в ту же точку – на его пути нет границ. Вместе с тем сама сфера конечна, она занимает определенный объем! Математики называют такие пространства гиперсферой и гипершаром 10
Вселенная по Эдвину Хабблу • Вселенная расширяется – она нестационарна! Галактики разлетаются тем быстрее, чем они дальше друг от друга 1889 -1953, США Его имя носит космический телескоп – 1990 г. 11
Согласно Эдвину Хабблу • расстояние скорость Постоянная Хаббла ТКАНЬ ПРОСТРАНСТВА как бы РАСТЯГИВАЕТСЯ Возраст Вселенной лет 12
Вселенная по Александру Фридману • Галактики разбегаются, Вселенная расширяется • Источник разбегания – только тяготение (Λ – член не нужен)1) • Причина разбегания – космический взрыв, гигантские начальные скорости • В момент взрыва (t = 0) плотность вещества Вселенной бесконечно велика • Это миг «рождения» мира, т. е пространства и времени 1) Смысл этой величины – см. слайд № 9 1888 -1925, Россия 13
Георгий ГАМОВ Автор трех открытий, за которые Нобелевские премии получили другие: -- теория радиоактивного a-распада. -- в работе трех авторов (Альфер, Бете (? ), Гамов) 1950 г. под шутливой подписью αβγ содержалось предсказание реликтового излучения с температурой ~5 K, возникшего в момент Большого Взрыва в рамках гамовской модели «горячей Вселенной» . 1904 – 1968. Одесса – США Работы по квантовой механике, атомной и ядерной физике, астрофизике, космологии, биологии. - расшифровка генетического код а 20 нуклеиновых кислот, из которых устроено все живое; он написан трехбуквенными «словами» с помощью «алфавита» , состоящего всего из четырех букв. 14
Вселенная по Георгию ГАМОВУ • ЮНАЯ Вселенная БЫЛА ОЧЕНЬ ГОРЯЧЕЙ И ИСПУСКАЛА ИЗЛУЧЕНИЕ • ПО МЕРЕ РАСШИРЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ ИЗЛУЧЕНИЕ БЫСТРО ОХЛАЖДАЛОСЬ ОТ начальной ТЕМПЕРАТУРЫ, близкой к планковской 1. 41679· 1032 K ( температура Планка составляет 141 нониллион 679 октиллионов градусов). 15
Модели 90 -х г. г. 20 века- Сол Перлмуттер и Брайан Шмидт • Λ – член нужен! Антигравитация есть, причем она доминирует уже миллиарды лет! • Она порождается той самой «темной» энергией, которая обнаружена недавно • Это своеобразный скульптор Вселенной 16
Период раннего детства Вселенной 17
Модель пульсирующей Вселенной ? ? ? Большой Взрыв – Большой крах – и т. д. ? ? ? 18
Видео Большой Взрыв ДЛЯ просмотра ОТКРЫТЬ ФАЙЛ С ЭТИМ НАЗВАНИЕМ 19
Большой взрыв (БВ) • Это стандартная модель, когда есть условный нуль времени – как бы акт творения • Чтобы БВ произошел, нужны условия: Вселенная существовала и до него, а не возникла благодаря ему. • Модель БВ об этом умалчивает! • Кроме того, она не объясняет еще много других вопросов 20
Картина РАННЕЙ Вселенной ( 3 минуты от роду) Флуктуации микроволнового реликтового излучения Т = 2, 725 К, с точностью δТ/Т≈10 --5 Если пренебречь очень малыми флуктуациями, микроволновое реликтовое излучение изотропно Т = 2, 725 К ОДНОРОДНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ – СВИДЕТЕЛЬСТВО ОДНОРОДНОСТИ РАННЕЙ ВСЕЛЕННОЙ - некое исходное ГАЗОПОДОБНОЕ СОСТОЯНИЕ. ! 21
Значит, Вселенная стартовала из НЕУПОРЯДОЧЕННОГО состояния с высокой ЭНТРОПИЕЙ ? НЕТ! ПРИ НАЛИЧИИ СИЛЬНОЙ ГРАВИТАЦИИ ОДНОРОДНЫЙ ГАЗ ИМЕЕТ НИЗКУЮ ЭНТРОПИЮ, Т. Е. ВЫСОКОУПОРЯДОЧЕННУЮ КОНФИГУРАЦИЮ Как в ранней Вселенной возникла очень низкая энтропия? 22
ПРОБЛЕМА: Образование порядка в открытых системах связано с уменьшением симметрии от высокой к низкой и падением энтропии ΔS ≤ 0 – как бы вопреки II началу! Можно ли Вселенную считать открытой? : – одновременно работают притяжение и отталкивание: Притягивающая гравитация: Отталкивающая гравитация: сгущения материи и рябь пространства растут. пространства растягиваются. При этом энтропия падает При этом энтропия растет 23
В процессе расширения УМЕНЬШЕНИЮ ЭНТРОПИИ МЕШАЛ КОМПЕНСИРУЮЩИЙ ГЕНЕРАТОР БЕСПОРЯДКА - отталкивание. В итоге энтропия Мира все-таки росла, но значительно медленнее, чем это происходило бы в отсутствие притяжения НОВОРОЖДЕННАЯ ВСЕЛЕННАЯ ИМЕЛА ОТНОСИТЕЛЬНО НИЗКУЮ ЭНТРОПИЮ, КОТОРОЙ БЫЛО куда расти 24
С чего все началось и Что было «раньше» начала? Если Вселенная в больших масштабах однородна, то откуда взялись такие мелкомасштабные неоднородности, как зародыши звезд и галактик? Здесь проявились флуктуации квантовых состояний – расширение растянуло неустранимую «квантовую рябь» , создавая одновременно и флуктуации температуры. Ответ на вопрос о происхождении квантовых флуктуаций и их механизме дала современная модель – теория инфляции 25
Инфляционная теория рождения мира объясняет: Почему пространство расширяется? + Почему температура всюду одинакова, + Почему пространство плоское? + • Сначала – БВ (нагрев и остывание) и инфляция (быстрое расширение), которая далеко разнесла исходно близкие области с одинаковой температурой • Но была ли эра до инфляционного взрыва? Точно не знаем, НО. . . 26
Инфляционная модель Глинер, Старобинский, Линде (60 -70 -80 г. г. ХХ в. ) • Что такое космологическая инфляция и чем она отличается от стандартного расширения, которое продолжается до сих пор? • Инфляция – это период катастрофически быстрого раздувания пространства в начальной фазе жизни нашей Вселенной: инфляция началась, когда возраст Вселенной составлял 10 -43 секунды, а закончилась, когда он достиг 10 - 37 секунды. • В начале инфляции размер Вселенной был чуть больше 10 -33 см, что сопоставимо с планковской длиной, а в момент ее окончания равнялся примерно 0, 1 см 27
• Квантовые флуктуации играли в то время весьма существенную роль. • Их суммарный эффект породил крошечные перепады плотности материи, которые росли в процессе раздувания и становились зародышами будущих галактик и звезд. • Реликтовое излучение сохранило «память» о тех событиях в виде температурных колебаний между различными точками пространства 28
Исходно существовало поле Хиггса – инфлатон • С некоторыми оговорками его можно уподобить гомогенной субстанции вроде тягучего растекшегося меда. • Оно характеризуется предельно сильным отрицательным давлением, которое буквально «расталкивает» вещество, преодолевая силу гравитации • Его энергия, управляющая распуханием пространства, не только не уменьшается, а напротив, растет по экспоненте. 29
• В процессе инфляции пространство удваивает размер каждые 10 -37 сек • В конце инфляции (через 10 -35 сек после начала) энергия инфлатона возрастает в 1090 раз • Но состояние вещества с нарастающим отрицательным давлением и колоссальной энергией крайне неустойчиво, а потому должно неминуемо изменить режим расширения. 30 •
• Инфлатонное поле, раздувающее новорожденную флуктуацию, стремится прийти в такое состояние, когда его энергия минимальна. • Фаза инфляции стремительно сходит на нет, и вся потенциальная энергия поля Хиггса превращается в теплоту • Происходит разогрев Вселенной, и как раз этот момент воспринимается нами как Большой взрыв. • 31
• С окончанием эпохи инфляции рождается обычная материя в виде горячей плазмы. • Она похожа на «кипящий суп» из новорожденных элементарных частиц, разогретый до высочайших температур • «Планковский кусочек» инфлатона (размер 10 -35 м и масса 10 -5 г) может произвести всю материю и излучение Вселенной 32
концепция эволюции 1. 2. 3. 4. 5. Течение событий от прошлого к будущему (стрела времени). Система приобретает определенную структуру и усложняется, ее энтропия падает ΔS ≤ 0 Это возможно при самоорганизации (в открытых диссипативных структурах) Аналогичный ход изменения энтропии возможен также под действием сильной гравитации в системах, которые нельзя признать открытыми. Однако при этом нет противоречия со вторым началом термодинамики 33
Стивен Хоккинг 1942 г, GB Выдающийся астрофизик и популяризатор науки применение термодинамики к описанию чёрных дыр. разработка теории о том, что чёрные дыры «испаряются» за счёт явления, получившего название излучение Хокинга. 34
«стрелы времени» (СВ) в истории возникновения основных объектов Вселенной Антропологическая CВ Биологическая CВ Геологическая CВ Точки бифуркации Гелиологическая CВ Звездная CВ Галактическая CВ Космологическая CВ ? 1 2 3 4 5 6 7 35
2. Галактическая СВ: • 10 9 лет после взрыва. Нарушение равновесия между веществом и ЭМИ. Гравитационная неустойчивость и образование галактик, а также скоплений малых и крупных галактик. 36
3. Звездная СВ: 3∙ 109 лет после взрыва : сжатие фрагментов вещества галактик → поколения звезд. I поколение: из H, D, He, немного Li. II поколение: из всех элементов до Fe. Сверхновые: из тяжелых элементов Межзвездная среда – молекулы, включая биоорганические. 37
4. Гелиологическая СВ: 9, 1 ∙ 109 лет после взрыва. Из единого протосолнечного облака → одновременно образуются Солнце и протопланеты. 38
5. Геологическая СВ 9, 4 ∙ 10 9 лет после взрыва - образование Земли как планеты, - движение литосферных плит, - развитие Земного рельефа 39
6. Биологическая СВ: 9, 7∙ 109 лет после взрыва Основные этапы химической и предбиологической эволюции : v нарушение симметрии «право – лево» на уровне молекул. В природе белки существуют только в виде «правой» модификации, нуклеиновые кислоты – только в виде «левой» ; зеркало зеркальная симметрия правой и левой рук Специфика молекул живого – полное отсутствие зеркальной симметрии (монохиральность) 40
Биомолекулы – макромолекулы с высокой упорядоченностью. В них симметрия значительно ниже, чем в «коротких» молекулах, которые характерны для неживой природы 41
Процесс образования биомолекул в природе можно рассматривать как процесс самоорганизации 42
АБИОГЕНЕЗ • Гипотеза происхождения жизни, основанная на идеях химической эволюции и самоорганизации, имеет много достоверных экспериментальных подтверждений 43
Гипотезы происхождения жизни (4 – 3, 8 млрд. лет назад) Граница между живым и неживым – вопрос определения: ОПАРИН: появление нуклеиновых кислот СПИРИН: наследуемый биосинтез белков. Новые структуры: ВИРУСЫ (ДНК с генетической информацией в протеиновой оболочке), СУБВИРУСНЫЕ ОБРАЗОВАНИЯ Живое или Неживое? ? 44
Что важнее для сохранения жизни? Живое построено из: Белков Нуклеиновых кислот изъятие ЖИЗНЬ Сохраняется Прекращается 45
Структура ДНК и РНК 46
Что было раньше: ДНК или РНК • • • Первичные организмы состояли из простых самовоспроизводящихся молекул РНК ; РНК приобрели способность к синтезу белков, что позволило им увеличить скорость репликации ; Произошел синтез липидов, которые сформировали мембрану возникновение клетки ; Передача функции носителя генетической информации двухцепочечным молекулам ДНК, как более надежным. 47
каким образом возникли первые РНК? • Искусственный синтез РНК и составляющих их нуклеотидов даже в оптимальных условиях маловероятен • Гипотеза: изначально существовало некое более простое (по сравнению с РНК) соединение, "подготовившее почву" для современного мира РНК. 48
Признаки живой материи: Язык биологии Обмен веществ Саморепликация Наследственность Мутагенез Язык самоорганизации открытая система матричная система с автокатализом. сохранение устойчивости способность к изменчивости 49
“Субвирусные образования". • Вироиды лишены белковой оболочки, состоят из однонитевой молекулы РНК, которая автономно реплицируется в клетках. • Некоторые фрагменты белков способны контролировать свое воспроизведение в клетках без участия нуклеиновых кислот, такие частицы называют "прионами". 50
Важный вопрос – где возникла жизнь? 1. «Занос» из космоса благодаря метеоритам - (Панспермия) 2. На Земной поверхности 3. Глубоко в толще Земли 4. В океане Гипотезы, основанные на признании исключительных особенностей Земных условий 51
Классификация организмов • Все организмы, имеющие клеточное строение, делятся на две группы: предъядерные (прокариоты) и ядерные (эукариоты). • К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли, к эукариотам - зеленые растения (в том числе и все остальные водоросли), грибы, слизевики и животные. 52
Прокариоты – безъядерные организмы имеют кольцевую молекулу ДНК. В процессе деления клетки происходит удвоение ДНК ; расхождение двух "хромосом" в дочерние клетки обеспечивается за счет роста клеточной мембраны. 53
Эукариоты –ядерные (гр. эу – хорошо и карион - ядро) • ДНК эукариотов имеет линейную форму и связана с особыми белками – гистонами. • Комплекс ДНК и белков носит название хромосомы. • В ядре эукариотической клетки, специализирующейся на хранении и передаче потомкам наследственной информации, находится несколько хромосом. 54
Схема строения эукариотической клетки: 1 1 — ядро; 2 — ядрышко; 3 — поры ядерной оболочки; 4 — митохондрия; 5 — эндоцитозное впячивание; 6 — лизосома; 7 — агранулярный эндоплазматический ретикулум; 8 — гранулярный эндоплазматический ретикулум с полисомами; 9 — рибосомы; 10 — комплекс Гольджи; 11 — плазматическая мембрана. 55
Функции структурных элементов клетки • 1 - Мембрана - регулирует обмен различными веществами между клеткой и внешней средой. 2 - Цитоплазматический матрикс - водная фаза с белковыми макромолекулами: - ядро, митохондрии, рибосомы и др. 3 - Ядерная мембрана - отделяет ядро от цитоплазмы. 4 - Ядро - содержит одно или два ядрышка, состоящих из РНК. 5 - Ядрышко 6 - Хромосомы - в ядре (палочки, нити, петли). Количество хромосом в клетках постоянно. В хромосоме - молекула ДНК 7 - Рибосомы - состоят из белка и РНК. На рибосомах происходит синтез белка. 8 - Митохондрии - структуры в виде палочек, нитей или гранул. В них питательные вещества окисляются, а высвобождаемая при этом энергия запасается в АТФ (аденозин-трифосфат). 9 - Лизосомы. В растительных клетках - органеллы - хлоропласты, в которых содержится хлорофилл. 56
электронная томограмма дрожжевой клетки: плазменная мембрана, микротрубочки и светлые вакуоли (зелёный цвет), ядро, тёмные вакуоли и тёмные везикулы (золотой), митохондрия и крупные темные везикулы (голубой), а также светлые везикулы (розовый) (иллюстрация Johanna Hoog). 57
Коэволюция живой и неживой природы • Преобразование газового состава атмосферы - один из важнейших результатов созидательной работы живых организмов. Важнейшими компонентами атмосферы стали кислород и азот. • Такая атмосфера стала пригодна для существования более высокоорганизованных существ 58
МОЛЕКУЛА ДНК Сахара и фосфатные группы Боковины “лестницы” состоят из сахаров и фосфатов, перекладины - из 4 типов нуклеотидов: пуринов (аденин, гуанин) и пиримидинов (тимин и цитозин). Комплекс устойчив, если напротив А одной цепи располагается Т другой, а напротив Г - Ц. 59
Носители наследственности • Хромосома – макромолекула в составе эукариотической клетки, в которую входят ДНК и специальные белки • ген - это участок хромосомы, контролирующий развитие определенных признаков. 61
Геном человека - это набор хромосом: 22 аутосомы+ Y Xж M • X Y 62
Неклассичность в биологии Перекрест хромосом происходит случайным образом Ген задает не конкретное проявление, а область вариации того или иного признака, т. е. вероятность его появления 63
Начальные условия совокупность наследственных задатков особи – Фенотип 1 Генотип Фенотип 2 Случайность – вероятность Фенотип 3 Результат - случайные сочетания признаков и свойств особи – множество вариантов. 64
наследственность Из икринки лягушки вырастает только лягушонок: икринка; головастик лягушонок 65
Σ генов один признак. Рост у человека находится под контролем примерно 16 генов. 66
Один ген Σ признаков, Ген, определяющий у человека рыжую окраску волос, обусловливает также более светлый цвет кожи и появление веснушек. 67
Влияние внешних условий: Проявление гена, отвечающего за темную окраску, зависит от температуры. При нормальной для кошки температуре тела фермент, катализирующий синтез пигмента, не работает. Черно-бурая шерсть появляется только на более холодных выступающих частях тела ( уши, нос, лапы и хвост) 68
История развития жизни -1 69
70 История развития жизни -2
Орангутан Горилла Шимпанзе 2 млн. лет назад 3 млн. лет назад 6 -7 млн. лет назад 71
биологическая стрела времени • Триада состояний объекта «рождение – старение – гибель» в процессе эволюции живого задает направление СТРЕЛЫ ВРЕМЕНИ развития биологического объекта 72
Скачать презентацию Раздел IV Бытие и становление природы 2 Концепция
9лекция . 13-_КОНЦЕПЦИЯ_ЭВОЛЮЦИИ_2012-1.ppt