Источники энергии и возраст земли кратко

Обновлено: 04.07.2024

А вот с проблемой возраста Земли дело обстоит совсем по-другому. Здесь геологическая наука имеет конкретные результаты исследований. Каковы же эти результаты?

Но сначала немного предыстории, тем более, что это очень интересно. Например, в старинных персидских сказаниях утверждалось, что Земля существует около 10-12 тысячелетий. Жрецы древнего Вавилона по движению звёзд определили, что наша планета существует около двух миллионов лет.

В Библии подробно рассказывается о том, как Мир был сотворён за шесть дней и как в конце сотворения Бог повелел: "Да будет свет!" ("Fiat lux!" по латыни) . Правда, авторы Библии весьма туманно высказываются о возрасте Земли и о времени возникновения на ней жизни. Поэтому появились теологические расчёты, по которым получалось, что наш мир существует около 5-6 тысяч лет. А вот ирландский архиепископ Дж. Уссер точнее других теологов в 1654 году рассчитал, что мир был создан за 2004 года до рождения Иисуса Христа 26 октября в 9 часов утра. Вот так. Не больше и не меньше. Понятно, что все эти расчёты не имеют никаких научных обоснований и очень далеки от истины.

Конечно, и естествоиспытатели в прошлых веках пытались оценить возраст Земли на основе тех знаний о геологических процессах, которые к тому времени накопила наука. Например, Э. Галле́й (тот самый, чьим именем названа известная комета) на основании расчётов скорости накопления солей в морях и океанах установил, что Земля существует около 10 тысяч лет. Для сравнения укажем, что в начале XX века учёные, используя тот же метод, установили, что возраст океанических впадин превышает 100 миллионов лет (!).

В конце XIX века известный английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) попытался определить возраст Земли путем расчёта времени, потребного для остывания нашей планеты от состояния раскалённого шара, каким она была когда-то, до теперешнего состояния. Приняв за условие, что скорость остывания была постоянной, он сделал вывод, что возраст Земли составляет от 20 до 40 миллионов лет. Точность кельвиновского расчета, прямо скажем, невелика.

Современный взгляд на возраст Земли

Ответы на такие вопросы появились в начале XX века, когда физика добилась больших успехов в изучении атома и ядерных превращений. На основании расчётов радиоактивного распада урана, содержащегося в минералах и горных породах, и превращения его в свинец, был установлен возраст Земли. Наряду́ с урановым методом теперь используются для определения возраста горных пород также калий-аргоновый, руби́диево-стронциевый, свинцовый и другие методы.

Многолетние исследования русских и зарубежных учёных дали возможность установить начало и продолжительность каждого геологического периода. Первые результаты, полученные физиками и геохи́миками, буквально ошеломили мир. Оказалось, что на Земле есть породы, которые возникли миллиарды лет назад (!). Например, в Сибири были обнаружены породы, которые образовались 3,8—4,0 миллиарда, а в Австралии даже 4,2 миллиарда лет назад. Из этих данных возраст нашей Земли определяется величиной немногим более 4,6 миллиарда лет. Но и это ещё не окончательная величина. Ведь 4,6 миллиарда лет - это приблизительный возраст наиболее древних пород, которые слагают современную земную кору. Но кто может сказать, сколько времени протекло до того момента, когда из раскалённой массы, о происхождении и химическом составе которой мы можем только догадываться, в результате остывания начали образовываться первые твёрдые субстанции, составившие в дальнейшем земную кору? Этот процесс мог продолжаться много миллиардов лет, и длительность его мы должны включить в возраст Земли. Поэтому пока не приходится говорить о том, что геологическая наука располагает бесспорными доказательствами того, когда появилась наша планета.

Учение о геосфе́рах

Земной шар, по общепринятым теперь представлениям, состоит из концентрических слоев – геосфер. В центре находится ядро, состоящее из твёрдой внутренней части — собственно ядра радиусом 1250 км и окружающей её внешней части — жидкой фазы. Температура земного ядра — более 5000 °C, а в центральной части ядра доходит до величины 8000-9000 °C. Это происходит отчасти из-за радиоактивного распада некоторых элементов (при котором выделяется тепло), отчасти — из-за термоизоли́рующих свойств мантии. Из-за постепенного истощения радиоактивных элементов во внутренней части Земли ядро продолжает медленно остывать.

За жидкой частью ядра следует мантия — самый толстый (около 3000 км) слой кристаллической породы с температурой 2000—2500°C, составляющий 83% всего объема Земли, далее идет промежуточный слой – астеносфера, а над ней – земная кора, состоящая из среднего (30-40 км, из гранита и кремнезёма) и нижнего (до 30 км из базальта) слоев. Всю твердую оболочку Земли называют литосферой (т.е. каменной сферой). С поверхности планета окружена гидросферой, т.е. морями и океанами, и атмосферой, т.е. воздушной оболочкой. Атмосфера в направлении снизу вверх подразделяется на тропосферу, стратосферу и ионосферу, граничащую с космосом.

Геосферы не являются геометрически пра́вильными сферами, они имеют искажения, отклонения от сферической формы. Границы между ними в значительной мере условны. Например, неясно, к какой сфере отнести природные газы, в огромном количестве имеющиеся в земной коре или растворенные в водах океанов, морей и озер? Если же рассматривать гидросферу, то, строго говоря, никакой сферы мы не обнаружим хотя бы потому, что Мировой океан не покрывает сплошным слоем всю поверхность Земли, а вода в виде пара всегда присутствует в атмосфере, создавая облачные скопления, которые переносят воду в виде дождей из одного района Земли в другой. Кроме того, на планете много подземных вод.

С течением времени, а геологическое время — это миллионоле́тия, — границы атмо-, гидро- и литосферы становятся вообще неопределёнными. С учётом этого в геологической науке условились для простоты называть атмосферой газовую оболочку Земли в её современных пределах, гидросферой – всю совокупность поверхностных вод: океаны и моря́, реки и озера, льды и снега́, а литосферой — земную кору. Ведь в науке почти никогда не обходятся без схем и упрощений, ибо всё сложное познается через простое.

Первые представления о геосферах дали в своих трудах Эдуард Зюсс и Джон Мюррей. Последовательно развивал учение о земных сферах В.И. Вернадский. Им была исследована химическая структура геосфер.

Геосферы находятся в постоянном активном взаимодействии. Атмосфера и гидросфера непрерывно перерабатывают поверхность земной коры. Подземные газы и воды активно влияют на ход геологических процессов. Главным источником энергии для всех поверхностных процессов на нашей планете является лучистая энергия Солнца. Неравномерный разогрев земной поверхности солнечной энергией приводит в движение атмосферу и гидросферу. Эти подвижные геосферы совместно с тектоническими процессами в литосфере с течением времени меняют облик Земли, перемещая огромные массы горных пород, меняя береговую линию океанов и морей. Например, австралийские палеонтологи считают, что континент Австралия 110—130 миллионов лет назад располагался примерно между шестидесятым и восьмидесятым градусами южной широты, т.е. значительно ближе к Южному полюсу Земли, чем теперь. И для такого утверждения имеются научные обоснования, в частности, результаты анализов состава геологических пластов.

Наибольшие вершины и глуби́ны Земли

Внутренние тектонические процессы, опуская одни участки суши, поднимая другие, образуют высокие горы, глубокие разломы в земной коре и глубоководные впадины в Мировом океане. Приведём несколько примеров.

Высочайшими вершинами мира являются в Европе: Эльбру́с (5642 м над уровнем моря), Казбек (5033 м) и Монблан (4807 м); в Азии: Джомолу́нгма (Эверест) - 8848 м и Чогори (8611 м); в Африке: вулкан Килиманджаро (5895 м) и гора Кения (5199 м); в Северной Америке: гора Мак Кинли на Аляске (6193 м) и вулкан Ори́сиба в Мексике (5700 м); в Южной Америке: гора Аконгауга в Аргентине (6960 м) и вулкан Льюльяйльяко в Чили (6723 м).

Наибольшие глуби́ны: Марианская впадина в Тихом океане (11022 м), желоб Кайман в Атлантическом океане (7090 м), желоб Зондский в Индийском океане (7209 м) и желоб "Литке" в Северном ледовитом океане (5450 м).

Получается, что наибольшее расстояние по вертикали между крайними точками поверхности земной коры (Марианская впадина + Эверест) составляет почти 20 километров! Таков на сегодня один из "итогов работы" геосфер, выполненной за многие миллионы лет.

Вложенные файлы: 1 файл

Документ Microsoft Office Word.docx

Источники энергии и возраст Земли.

Каков возраст Земли, и как он был определен?
Возраст нашей планеты по различным источникам колеблется между 6000 лет и 4,6 млрд. лет. Согласно Библии, Адам, первый человек, был создан на шестой день существования планеты Земля. На основании записанной в пятой и одиннадцатой главах Бытия генеалогии Адама и всех его потомков, вплоть до Авраама, которые составляют единую родовую линию, можно вычислить возраст нашей планеты. Определив, где хронологически находился Авраам в истории, и добавив периоды времени, описываемые в Бытие, становится ясно, что нашей Земле около 6 000 лет, плюс минус несколько веков. На счет наиболее популярного предположения, о том, что Земле около 4.6 млрд. лет, принимаемого большинством ученых и изучаемого в самых солидных мировых институтах? Этот возраст был определен двумя основными методами: радиометрическим и геологическим датированием.

С момента её формирования на нашей планете постоянно происходят биологические и геологические изменения. Организмы непрерывно развиваются, принимают новые формы или вымирают в ответ на постоянно меняющуюся планету. Процесс тектоники плит играет важную роль в формировании океанов и континентов Земли, а также жизни, которой они дают убежище. Биосфера, в свою очередь, оказала значительное влияние на атмосферу и другие абиотические условия на планете, такие, как образование озонового слоя, распространение кислорода, а также создание почвы. Хотя люди не способны воспринимать это в связи с их относительно коротким периодом жизни, эти изменения продолжаются и будут продолжаться в течение следующих нескольких миллиардов лет.

Возобновляемыми энергоресурсами называют целую гамму энергетических ресурсов, основной характеристикой которых является то, что они постоянно возобновляются, не смотря на их использование. Кроме энергии приливов и отливов, все возобновляющиеся энергоресурсы получают подпитку от солнца - практически единственного источника энергии на нашей планете.

Структура нашей планеты достаточно сложная включает литосферу, гидросферу и атмосферу, из которых каждая обладает специфическими качествами и по разному реагирует на воздействие солнечной радиации. Наряду с неравномерным распределением солнечного света по земной поверхности всё это вызывает разницу в давлении, температуре, химическом потенциале и уровня солености воды. Эти различия, поддерживаемые солнечным излучением, и есть потенциальные источники энергии. В естественных условиях эти различия постепенно сглаживаются вследствие необратимого рассеивания, и какая-то определенная часть энергии, в конечном счете, уходит в космос.

Использование возобновляющихся источников энергии, по сути, есть вмешательство в процесс распределения солнечной энергии и использование этой энергии на нужды человека. К счастью в большинстве случаев между поглощением солнечной энергии тем или иным объектом и её выделением в космос в виде инфракрасных излучений проходит достаточно много времени. Это дает возможность воспользоваться выше упомянутой энергией.

Так как Земля находится в среднем на расстоянии 150 млн. км от Солнца, только малая часть радиации, зависящая от угла падения, попадает на Землю. Однако даже это количество оказывается достаточно большим и поддерживает практически все процессы, происходящие на Земле, включая жизнь.

Конкретное количество энергии солнечного излучения, а именно количество солнечной энергии, поступающей за 1 сек на поверхность площадью 1 м2, расположенную перпендикулярно солнечным лучам за пределами земной атмосферы, так называемая солнечная постоянная, составляет около 1340 Вт/м2. Общее количество солнечного излучения, попадающего на Землю составляет около 180Ч1015 Вт, в то время как в год это составляет 60Ч1023 Дж. Это в 15 тысяч раз больше, чем потребляемая человечеством энергия за год (около 4Ч1010 Дж в год).

Но не всё излучение достигает Земли как написано выше. Примерное разделение входящей радиации показано на рисунке. Вся энергия, пребывающая на Землю, за исключением малой части, возвращается в космос. Однако между поступлением энергетического потока и его возвращения в космос может существовать определенный временной промежуток, возникающей вследствие ряда преобразований солнечной энергии. Часть этой энергии, как показано на рисунке, мгновенно отражается обратно в космос облаками. Значительная часть энергии, достигшая поверхности земли, затрачивается на испарение воды. Испарившаяся вода поступает в атмосферу и через какое-то время возвращается в виде дождя, росы и снега, что в свою очередь вызывает к жизни речные потоки. Энергия этих потоков в конечном итоге рассеивается. Другая часть энергии поглощается сушей, океанами, морями и атмосферой.

Это поглощение не постоянно от места к месту в течение дня и ночи, что вызывает ветер, океанские течения, приводит к разнице температур между сушей и морем и т.д. И опять же, с течением времени эти потоки теряют свою энергию из-за трения, температурного распределение уравнивается в процессе теплообмена и конвекции, и запас относительной энергии рассеивается.

Достаточно малая часть солнечного излучения (менее 0,1%, не показанного на рисунке) тратится на фотосинтез наземными и водными растениями. Этот запас энергии хранится в тканях растений и возвращается обратно в ходе естественных процессов после их смерти.

Первичная атмосфера Земли и химические предпосылки возникновения жизни.

Большинство современных специалистов убеждены, что возникновение жизни в условиях первичной Земли есть естественный результат эволюции материи. Это убеждение основано на доказанном единстве химической основы жизни, построенной из нескольких простых и самых распространенных во Вселенной атомов.

Исключительное морфологическое разнообразие жизни (микроорганизмы, растения, животные) осуществляется на достаточно единообразной биохимической основе: нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, жиры и несколько более редких соединений типа фосфатов.

Основные химические элементы, из которых построена жизнь, - это углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор. Очевидно, организмы используют для своего строения простейшие и наиболее распространенные во Вселенной элементы, что обусловлено самой природой этих элементов. Например, атомы водорода, углерода, «кислорода и азота имеют небольшие размеры и способны образовывать устойчивые соединения с двух и трехкратными связями, что повышает их реакционную способность. Образование сложных полимеров, без которых возникновение и развитие жизни вообще невозможны, связано со специфическими.

Другие два биогенных элемента -сера и фосфор - присутствуют в относительно малых количествах, но их роль для жизни особенно важна. Химические свойства этих элементов также дают возможность образования кратных химических связей. Сера входит в состав белков, а фосфор - составная часть нуклеиновых кислот.

Кроме этих шести основных химических элементов в построении организмов в малых количествах участвуют натрий, калий, магний, кальций, хлор, а также микроэлементы: железо, марганец, кобальт, медь, цинк и небольшие следы алюминия, бора, ванадия, йода и молибдена; следует отметить и некоторые исключительно редкие атомы, которые встречаются случайно и в ничтожных количествах.

Жизнь - одно из сложнейших, если не самое сложное явление природы. Для нее особенно характерны обмен веществ и воспроизведение, а особенности более высоких уровней ее организации обусловлены строением более низких уровней.

Современная теория происхождения жизни основана на идее о том, что биологические молекулы могли возникнуть в далеком геологическом прошлом неорганическим путем. Сложную химическую эволюцию обычно выражают следующей обобщенной схемой: атомы ? простые соединения ? простые биоорганические соединения ? макромолекулы ? организованные системы. Начало этой эволюции положено нуклеосинтезом в Солнечной системе, когда образовались основные элементы, в том числе и биогенные. Начальное состояние -нуклеосинтез -быстро переходит в процесс образования химических соединений. Этот процесс протекает в условиях первичной Земли со все нарастающей сложностью, обусловленной общекосмическими и конкретными планетарными предпосылками.

Первое необходимое условие имеет общекосмический характер. Оно связано с единой химической основой Вселенной. Жизнь развивается на этой единой основе, отражающей как количественные, так и качественные особенности отдельных химических элементов. Это допущение приводит к заключению, что на любой планете во Вселенной, которая похожа на нашу по массе и расположению относительно центральной звезды, может возникнуть жизнь. Согласно представлениям видного американского астронома X. Шепли, во Вселенной имеется 108 космических тел (планет или звезд-лилипутов), на которых может возникнуть и существовать жизнь.

Главное условие возникновения жизни имеет планетарную причину и определяется массой планеты. Такое утверждение, быть может, имеет несколько геоцентрический и антропоцентрический характер, но жизнь, подобная земной, могла возникнуть и развиться на планете, масса которой имеет строго определенную величину. Если масса планеты больше чем 1/20 массы Солнца, на ней начинаются интенсивные ядерные реакции, что повышает ее температуру и она светится, как звезда. Таковы планеты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Планеты с малой массой (Меркурий) имеют слабое гравитационное поле и не могут продолжительное время удерживать атмосферу, которая необходима для развития жизни. Здесь интересно отметить, что по ряду подсчетов Земля приобрела 80% своей массы в первые 100 млн. лет своего существования.

Из планет Солнечной системы кроме Земли подходящую массу имеют Венера и Марс, но там отсутствуют другие условия. По мнению советского астрофизика В. Г. Фесенкова, во Вселенной 1% планет имеет подходящую массу.

Особенно важной предпосылкой возникновения и развития жизни является относительно постоянная и оптимальная радиация, получаемая планетой от центральной звезды. Обычно оптимальную радиацию получают планеты имеющие орбиту, близкую к круговой, и подвергающиеся поэтому относительно постоянному облучению.

Обязательным условием возникновения жизни является наличие воды. Парадоксально, что, хотя вода - чуть ли не самая распространенная молекула во Вселенной, поразительно мало планет имеют гидросферу: в нашей Солнечной системе только Земля имеет гидросферу, а на Марсе имеется лишь незначительное количество воды.

Значение воды для жизни исключительно. Это обусловлено ее специфическими термическими особенностями: огромной теплоемкостью, слабой теплопроводностью, расширением при замерзании, хорошими свойствами как растворителя и др. Эти особенности обусловливают круговорот воды в природе, который играет исключительную роль в геологической истории Земли.

Из сказанного выше можно сделать следующий вывод: возникновение жизни на Земле есть часть общей эволюции материи во Вселенной, а не некий сверхъестественный акт. Налицо были исходные органические соединения, оптимальная масса Земли, оптимальная солнечная радиация, наличие гидросферы. В этих условиях эволюция материи с высокой степенью вероятности осуществляется по пути возникновения жизни.

За последние 20 лет были получены интересные сведения о наличии органических соединений во Вселенной. Источники этих сведений естественные посланцы космоса на Землю, метеориты.

Все ранее рождавшиеся теории идеалистов, сторонников религиозных течений и даже материалистов были несостоятельными и до конца необоснованными из-за нехватки знаний тогдашних ученых.

И только с наступлением капитализма, который отличался прогрессом в науке и технике, когда был накоплен большой научный потенциал, стали зарождаться научно обоснованные теории о происхождении жизни на земле.

Методы: частично-поисковый, проблемного изложения, объяснительно-иллюстративный.

- формирование у учащихся целостной системы знаний о живой природе, ее системной организации и эволюции;

-умения давать аргументированную оценку новой информации по биологическим вопросам;

-воспитание гражданской ответственности, самостоятельности, инициативности

Образовательные: о биологических системах (клетка, организм, вид, экосистема); истории развития современных представлений о живой природе; выдающихся открытиях в биологической науке; роли биологической науки в формировании современной естественнонаучной картины мира; методах научного познания;

Развитие творческих способностей в процессе изучения выдающихся достижений биологии, вошедших в общечеловеческую культуру; сложных и противоречивых путей развития современных научных взглядов, идей, теорий, концепций, различных гипотез (о сущности и происхождении жизни, человека) в ходе работы с различными источниками информации;

Воспитание убежденности в возможности познания живой природы, необходимости бережного отношения к природной среде, собственному здоровью; уважения к мнению оппонента при обсуждении биологических проблем

ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОБУЧЕНИЯ- УУД

Личностные результаты обучения биологии:

1. воспитание российской гражданской идентичности: патриотизма, любви и уважения к Отечеству, чувства гордости за свою Родину; осознание своей этнической принадлежности; усвоение гуманистических и традиционных ценностей многонационального российского общества; воспитание чувства ответственности и долга перед Родиной;

2. формирование ответственного отношения к учению, готовности и способности обучающихся к саморазвитию и самообразованию на основе мотивации к обучению и познанию, осознанному выбору и построению дальнейшей индивидуальной траектории образования на базе ориентировки в мире профессий и профессиональных предпочтений, с учётом устойчивых познавательных интересов;

Метапредметные результаты обучения биологии:

1. умение самостоятельно определять цели своего обучения, ставить и формулировать для себя новые задачи в учёбе и познавательной деятельности, развивать мотивы и интересы своей познавательной деятельности;

2. овладение составляющими исследовательской и проектной деятельности, включая умения видеть проблему, ставить вопросы, выдвигать гипотезы;

3. умение работать с разными источниками биологической информации: находить биологическую информацию в различных источниках (тексте учебника, научно популярной литературе, биологических словарях и справочниках), анализировать и

Познавательные: выделение существенных признаков биологических объектов и процессов; приведение доказательств (аргументация) родства человека с млекопитающими животными; взаимосвязи человека и окружающей среды; зависимости здоровья человека от состояния окружающей среды; необходимости защиты окружающей среды; овладение методами биологической науки: наблюдение и описание биологических объектов и процессов; постановка биологических экспериментов и объяснение их результатов.

Регулятивные: умение самостоятельно планировать пути достижения целей, в том числе альтернативные, осознанно выбирать наиболее эффективные способы решения учебных и познавательных задач; умение организовывать учебное сотрудничество и совместную деятельность с учителем и сверстниками; работать индивидуально и в группе: находить общее решение и разрешать конфликты на основе согласования позиций и учёта интересов; формирование и развитие компетентности в области использования информационно-коммуникационных технологий (далее ИКТ-компетенции).

Коммуникативные: формирование коммуникативной компетентности в общении и сотрудничестве со сверстниками, понимание особенностей гендерной социализации в подростковом возрасте, общественно полезной, учебно-исследовательской, творческой и других видов деятельности.

Технологии: Здоровьесбережения, проблемного, развивающего обучения, групповой деятельности

Приемы: анализ, синтез, умозаключение, перевод информации с одного вида в другой, обобщение.

Обобщить данные об эволюции химических элементов в космическом пространстве и образовании планеты Земля.

Спланировать поэтапное изучение биохимической эволюции; определить учебные задачи каждого этапа и вопросы для обсуждения на обобщающем уроке.

Основные положения

Первичная атмосфера Земли состояла преимущественно из водорода и его соединений

2. Земля находится на оптимальном расстоянии от Солнца и получает достаточное количество энергии для поддержания воды в жидком состоянии.

3.Восстановительный характер атмосферы первобытной Земле расценивают как химическую предпосылку возникновения жизни нашей планете.

4.Абиогенным путем из компонентов п ной атмосферы Земли под действием энергии грозовых разрядов, мощного жесткого фиолетового излучения Солнца и т. д, возникать разнообразные простейшие молекулы - мономеры биологических полимеров.

5.В водных растворах в более мягких условиях в результате взаимодействия простых органических молекул образовались более сложные.

Проблемные области

Какие, по Вашему мнению, источники энергии преобладали на древней Земле. Как можно объяснить неспецифическое влияние различных источников энергии на процессы образования органических молекул?

При любом варианте обзорной лекции рекомендуем обратить внимание на следующие вопросы

Условия среды на древней Земле, обеспечившие абиогенное возникновение органических соединений:

а)восстановительный характер атмосферы Земли;

в)грозовые разряды и мощное ультрафиолетовое излучение.

2.Расстояние Земли от Солнца обеспечивает достаточное количество энергии для поддержания воды в жидком состоянии.

3.В результате длительной эволюции абиогенного вещества, возникшего в водах первичного океана, образовались структуры, являющиеся открытыми системами.

4.Первыми живыми организмами на нашей планете были гетеротрофные организмы

Первичная атмосфера Земли и химические предпосылки возникновения жизни

Придерживаясь вышеизложенной точки зрения на происхождение планетных систем, можно сделать достаточно обоснованные оценки элементного состава первичной атмосферы Земли. Частично современные взгляды основываются, конечно, на огромном преобладании в космосе водорода; оно обнаруживается также и в Солнце.

Элементный состав звездного и солнечного вещества

Содержание элементов (в %)

Предполагается, что атмосфера первичной Земли, имевшей большую среднюю температуру, была примерно такова: до гравитационной потери водород составлял большую ее часть, а главными молекулярными составляющими были

метан, вода и аммиак. Интересно сравнить элементарный состав звездного вещества с составом современной Земли и живого вещества на Земле.

Наиболее распространенными элементами в неживой природе являются водород и гелий; за ними следуют углерод, азот, кремний и магний. Заметим, что живое вещество биосферы на поверхности Земли состоит преимущественно из водорода, кислорода, углерода и азота, чего, конечно, и следовало ожидать, судя по самой природе этих элементов.

Начальная атмосфера Земли могла изменяться в результате самых различных процессов, в первую очередь в результате диффузионного ускользания водорода и гелия, составлявших значительную ее часть. Эти элементы — самые легкие, и они должны были утрачиваться из атмосферы, ибо гравитационное поле нашей планеты мало в сравнении с полем планет гигантов. Большая часть начальной атмосферы Земли должна была быть утеряна за очень короткое время; поэтому предполагается, что многие первичные газы земной атмосферы — это газы, которые были захоронены в недрах Земли и выделились вновь в результате постепенного разогрева земных пород. Первичную атмосферу Земли, вероятно, составляли органические вещества того же рода, которые наблюдаются в кометах: молекулы со связями углерод—водород, углерод—азот, азот—водород и кислород— водород. Помимо них, при гравитационном разогреве земных недр, вероятно, появлялись также водород, метан, окись углерода, аммиак, вода и т. д. Таковы те вещества, с которыми проведено большинство экспериментов по моделированию первичной атмосферы.

Что же могло в действительности происходить в условиях первичной Земли? Для того чтобы определить это, необходимо знать, какие виды энергии вероятнее всего воздействовали на ее атмосферу.

Источники энергии и возраст Земли

Развитие и преобразование материи без притока энергии невозможно. Рассмотрим те источники энергии, которые обусловливают дальнейшую эволюцию веществ уже не в космосе, а на нашей планете — на Земле.

Оценить роль источников энергии нелегко; при этом необходимо учитывать неравновесность условий, охлаждение продуктов реакции и степень их экранирования от источников энергии.

Развитие физических наук в настоящее время предоставило биологам несколько эффективных методов определения возраста тех или иных пород земной коры. Сущность этих способов заключается в анализе соотношения различных изотопов и конечных продуктов ядерного распада в образцах и соотнесении результатов исследования со временем расщепления исходных элементов. Использование подобных методов позволило ученым построить временную шкалу истории Земли с момента ее остывания, 4500 млн лет назад, и до настоящего времени. Теперь наша задача состоит в том, чтобы внутри этой временной шкалы установить, каковы были условия на примитивной Земле, какого рода атмосферу имела Земля, какая была температура, давление, когда образовались океаны, и как сформировалась сама Земля.

Сайт учителей биологии МБОУ Лицей № 2 г. Воронежа, РФ

Site biology teachers lyceum № 2 Voronezh city, Russian Federation

В 1924 г. отечественный ученый–биохимик А. И. Опарин опубликовал труд "Происхождение жизни", заставивший весь мир по-новому взглянуть на вопрос о происхождении жизни на Земле.

Согласно гипотезе, выдвинутой Опариным, жизнь зародилась на Земле, а не привнесена из космоса.

В своей работе Опарин подчеркивал, что первые предшественники организмов ( протобионты ) в ходе ряда химических и физических процессов (этап химической эволюции), происходивших на протяжении длительного времени в условиях молодой планеты, приобрели свойства организмов. После этого начался этап борьбы за существование и отбора живых существ в соответствии с закономерностями, выявленными Ч. Дарвином (этап биологической эволюции).

Великой заслугой А. И. Опарина является создание теории эволюции живой материи. Ее основные идеи: первоначально жизнь возникла в Мировом океане как результат химической эволюции (т.е. абиогенно); развитие живой материи и появление большого разнообразия форм жизни произошли в процессе биологической эволюции (т.е. биогенно), которая стала вторым, начавшимся после химической эволюции, важнейшим этапом развития жизни в истории Земли. В дальнейшем А. И. Опарин неоднократно уточнял и углублял свои идеи, подкрепляя их новыми исследовательскими материалами.

Какие же условия были на Земле в то время, когда возникли первые организмы?

Согласно современным научным данным, Земля образовалась примерно 4,5–7 млрд. лет назад из скопления газов и холодных (замерзших) пылевых частиц, состоявших из металлов и других химических элементов, окружавших формирующуюся молодую звезду – Солнце. Вначале Земля была газообразной и холодной, но по мере сжатия пылевых облаков, под действием гравитации и под влиянием тепла от распада радиоактивных элементов ее недра сгущались, разогревались и расплавлялись. При этом захороненные внутри планеты газы выделились наружу и образовали первичную газовую атмосферу формирующейся Земли.

Первичная атмосфера по своему составу сильно отличалась от современной: в ней присутствовало значительное количество водорода, были молекулы воды (в виде пара), углекислого газа, метана и аммиака. Свободного кислорода в земной атмосфере не было. Образовавшаяся Земля обладала достаточно большой массой, что позволяло ей удерживать в своем окружении газы. В то же время она находилась на таком расстоянии от Солнца, чтобы получаемого количества энергии хватало для поддержания воды в жидком состоянии.

Условия возникновения жизни на Земле

Исходные вещества	- Первичная атмосфера состояла из газообразных веществ: СО, СО ₂ , Н ₂ S, NH ₃ , H ₂ , NO ₂ , N ₂ , CH ₄ , Н ₂ О и др. - Не было свободного кислорода, который приводил бы к немедленному окислению исходных и промежуточных веществ; - Не существовало живых систем, которые тут же снова разрушали бы органические соединения или использовали их.
Источники энергии	- Космическая энергия: солнечный свет, включая ультрафиолетовое излучение, и космические лучи; - Энергия недр Земли: радиоактивность минералов, тепло вулканов и источников; - Энергия атмосферы: электрические разряды.
Достаточно длительное время	- Процесс химической эволюции начался минимум за 1 млрд. лет до образования первых организмов – гетеротрофных прокариотических клеток.

В результате разогревания Земля стала очень горячей, и вода, испаряясь с ее поверхности, образовала скопление густых облаков пара, окутавших молодую планету. Пары воды, охлаждаясь на высотах, превращались в жидкость и в виде ливней выпадали на горячую поверхность Земли. Такие ливни шли тысячелетиями, заполняя водой все впадины и трещины земной поверхности, образуя Мировой океан и одновременно вызывая охлаждение верхних слоев планеты.

В дождевой воде растворялись химические вещества из атмосферы и земной коры: метан, аммиак, цианистый водород, углекислый газ и многие другие. Вода, стекавшая в океаны, приносила с собой неорганические вещества, из их соединений с водой образовались различные соли. С ливневыми дождями в водоемы попадали и молекулы простейших органических веществ, возникавших в атмосфере под влиянием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов молний.

Накопление органических веществ превратило воды Мирового океана в своего рода бульон, содержавший смесь различных органических молекул. Эти молекулы, находясь близко друг от друга и вступая между собой в различные взаимодействия, создавали более сложные соединения. Так случалось бесчисленное количество раз в течение очень длительного времени, исчисляемого миллиардами лет. Среди множества образовавшихся соединений возникали отдельные сложные молекулы, в том числе белки, липиды, нуклеиновые кислоты, сахара и др., которые затем могли стать "живой" молекулярной системой в виде клетки, существующей в водной среде.

Предположение о том, что в водах Мирового океана было растворено большое количество органических веществ, получило подтверждение в ряде экспериментов, проведенных учеными в наше время.

1. Образование простых органических веществ. В 1953 г. С. Миллер и Г. Юри, смоделировав предполагаемые условия древней Земли (высокая температура, ультрафиолетовая радиация, электрические разряды), синтезировали в лабораторных условиях 15 аминокислот, входящих в состав живого, некоторые простые сахара (рибоза).

2. Образование сложных органических веществ. Испанский учёный Х. Оро (1960) осуществила биогенный синтез пуринов, пиримидинов, рибозы и дезоксирибозы – компонентов нуклеиновых кислот. Американские учёные абиогенно синтезировали АТФ – основную форму накопления энергии в живых организмах (С. Поннамперума,1970), а также аминокислоты, полипептиды и белковоподобные вещества (С. Фокс, 1969).

3. А. И. Опарин считал, что главная роль в превращении органических веществ в организме принадлежит белкам, так как они способны образовывать коллоидные комплексы, притягивающие к себе воду и тем создающие вокруг себя своеобразную оболочку. Другие ученые полагают, что помимо белков большую роль в создании комплексов играли нуклеиновые кислоты. Такие комплексы благодаря диффузии могли слипаться и сливаться друг с другом, удаляя лишнюю воду. Этот процесс был назван ученым коацервацией, а сами белковые комплексы – коацерватными каплями или коацерватами. Со временем у коацерватов появилась оболочка и они оказались способными к поглощению веществ, богатых энергией, и благодаря этому – к увеличению массы и размеров. Однако опыты, проведенные рядом ученых, подтверждают лишь саму возможность таких процессов в те далекие времена.

Коацерваты представляли собой первые "организации" молекул.

Увеличиваясь в размере, коацерваты разделялись на более мелкие частички – так был обозначен путь размножения первичных живых организмов. Для поддержания устойчивости коацерватам была нужна энергия, которая, по–видимому, была представлена различными химическими связями. Устойчивость некоторых коацерватов обеспечивала им сохранение и существование. Возможно, именно такие устойчивые структуры со временем (а этот процесс длился миллионы лет) и дали начало первым живым организмам в виде живой клетки, где нуклеиновые кислоты установили первичный контроль над основными внутриклеточными процессами, в том числе и такими, как питание, рост и размножение. Ученые считают, что эти первые формы жизни на Земле появились примерно 3500–3900 млн лет назад.

4. Возникновение пробионтов. В результате включения в коацерват молекулы, способной к самовоспроизведению (нуклеиновые кислоты), поглощения ионов металлов с образованием ферментов, внутренней перестройки покрытого липидной оболочкой коацервата возникли пробионты – предшественники клеток. Возникновение и реализация генетического кода, мембраны у пробионтов стало началом биологической эволюции.

5. Возникновение первых клеток. В результате длительной эволюции и естественного отбора пробионты превратились в системы более высокого порядка, какими являются живые организмы. Вероятнее всего первыми организмами были гетеротрофные прокариотические клетки.

Итак, идею, выдвинутую А. И. Опариным, коротко можно выразить следующим образом:

Жизнь на Земле прошла длительный путь эволюции химических веществ: из неорганических веществ образовались сложные органические вещества. Накопление их в течение миллиардов лет в океанах обеспечило возможность сложным молекулам концентрироваться в коацерваты, которые стали основой появления элементарных первичных организмов.

Не все еще понятно в самом моменте перехода от сложных органических веществ в коацерватной капле к живой клетке, но ясно, что эта эволюция продолжалась несколько миллионов лет. Экспериментально пока еще не воспроизведен момент, когда сложная молекулярная система становится "живой системой". Поэтому идеи, высказанные Опариным, Холдейном, Берналом и другими учеными, называют гипотезой, а не теорией, так как она еще требует своего доказательства.

Земля возникла как холодное тело из скопления твердых частиц и тел, подобных астероидам. Среди частиц были и радиоактивные. Попав внутрь Земли, они там распадались с выделением тепла. Пока размеры Земли были невелики, тепло легко уходило в межпланетное пространство. Но с нарастанием объема Земли производство радиоактивного тепла стало превышать его утечку, оно накапливалось и разогревало недра планеты, приводя их в размягченное, пластическое состояние, которое и открыло возможности для гравитационной дифференциации вещества – всплывания более легких минеральных масс к поверхности (давая начало образованию земной коры) и постепенного опускания более тяжелых – к центру (начало формирования металлического ядра). Интенсивность дифференциации с глубиной затухала, т.к. в этом же направлении в связи с увеличением давления возрастала вязкость вещества. Земное ядро не было захвачено дифференциацией, сохранило свой первозданный силикатный состав. Но резко уплотнилось из-за высочайшего давления, превысившего миллион атмосфер. Можно выделить несколько этапов в развитии Земли:

1. Стадия первоначального сгустка материи в материнском пылегазовом облаке.

2. Стадия небольшой планеты (сравнимой по объему с нынешним Меркурием), уже способной удерживать вокруг себя постоянную газовую оболочку. Зачатки тектонической деятельности (источники энергии: распад радиоактивных веществ и, возможно, начало гравитационной дифференциации). Выделение с изверженными породами газов H₂O, CO_2, NH₄, и включение их в состав первичной атмосферы.

3. Земля достигает современных размеров. Ее внешняя каменная оболочка – вероятно, базальтового состава. Накопление неживого органического вещества и развитие его в сторону образования высокомолекулярных соединений.

4. Появление доклеточных форм жизни. Организмы только гетеротрофные.

5. Появление одноклеточных организмов и возникновение автотрофных живых существ. Обогащение атмосферы свободным кислородом и азотом за счет жизнедеятельности микроорганизмов.

Возраст Земли устанавливается с помощью радиоактивного метода, применять его можно только к породам, содержащим радиоактивные элементы. Если считать, что весь аргон на Земле – продукт распада калия-49, то возраст Земли будет не менее 4 млрд. лет. Подсчеты О.Ю. Шмидта дают еще более высокую цифру – 7,6 млрд. лет. В.И. Баранов для исчисления возраста Земли взял отношение между современными количествами урана-238 и актиноурана (урана-235) в горных породах и минералах и получил возраст урана (вещества, из которого потом возникла планета) 5-7 млрд. лет.

Таким образом, возраст Земли определяется в интервале 4-6 млрд. лет. Историю развития земной поверхности удается пока непосредственно восстановить в общих чертах лишь начиная с тех времен, от которых сохранились древнейшие горные породы, т.е примерно за 3 – 3,5 млрд. лет (Калесник С.В.).

Геохронология – обозначение времени и последовательности образования горных пород. Если залегание горных пород не нарушено, то каждый слой моложе того, на котором он залегает. Верхний слой образовался позднее всех лежащих ниже.

Историю Земли обычно делят на два эона: криптозой(скрытый и жизнь: нет останков скелетной фауны)и фанерозой(явный и жизнь).Криптозой включает две эры: архей (4500 млн. лет назад) и протерозой (2600).Фанерозой охватывает последние 570 млн. лет, в нем выделяют палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую эры,которые, в свою очередь, делятся на периоды.Часто весь период до фанерозоя называют докембрием (кембрий – первый период палеозойской эры) (табл. 3.3).

Периоды палеозойской эры:

Кембрий (500-570 млн. лет)

Периоды мезозойской эры:

Периоды кайнозойской эры:

Палеоген (эпохи – палеоцен, эоцен, олигоцен) – 25-67

Неоген (эпохи – миоцен, плиоцен) – 1,5-25

Четвертичный (эпохи – плейстоцен и голоцен) – 0-1,5.

1. В основе всех проявлений внутренней жизни Земли лежат преобразования тепловой энергии.

2. В земной коре температура с удалением от поверхности возрастает (геотермический градиент).

3. Теплота Земли имеет своим источником распад радиоактивных элементов.

4. Плотность вещества Земли с глубиной увеличивается от 2,7 на поверхности до 17,2 в центральных частях. Давление в центре Земли достигает 3 млн. атм. Плотность увеличивается скачкообразно на глубинах 60 и 2900 км. Отсюда вывод – Земля состоит из объемлющих друг друга концентрических оболочек.

5. Земная кора слагается преимущественно породами типа гранитов, которые подстилаются породами типа базальтов. Возраст Земли определяется в 4-6 млрд. лет.