Энтропия как мера необратимости природных процессов.

 

Мерой необратимости процесса в замкнутой системе является изменение новой функции состояния - энтропии, существование которой у равновесной системы устанавливает первое положение второго начала о невозможности вечного двигателя второго рода. Однозначность этой функции состояния приводит к тому, что всякий необратимый процесс является неравновесным. Верно и обратное заключение: всякий неравновесный процесс необратим, если в дополнение ко второму началу осуществляется достижимость любого состояния неравновесно, когда оно достижимо из данного равновесно [вся современная практика подтверждает выполнение этого условия; однако противоположное условие выполняется не всегда]. Деление процессов на обратимые и необратимые относится лишь к процессам, испытываемым изолированной системой в целом; разделение же процессов на равновесные и неравновесные с этим не связано.

В качестве примеров необратимых процессов приведем следующие:

1. Процесс теплопередачи при конечной разности температур, необратим, так как обратный переход связан с отнятием определенного количества теплоты у холодного тела, превращением его без компенсации (некомпенсировано) в работу и затратой ее на увеличение энергии нагретого тела. Необратимость этого процесса видна также из того, что он не статичен.

2. Расширение газа в пустоту необратимо, так как при таком расширении не совершается работа, а сжать газ так, чтобы не совершить работу, нельзя. Произведенная же при сжатии работа идет на нагревание газа. Чтобы газ не нагревался, нужно отнять у него теплоту и превратить ее в работу, что невозможно без компенсации.

3. Процесс диффузии необратим. Действительно, если в сосуде с двумя различными газами, разделенными перегородкой, снять перегородку, то каждый газ будет диффундировать в другой.

Происхождение жизни: гипотезы панспермии и абиогенного происхождения жизни.

 

Основные гипотезы

Живые системы характеризуются очень высоким уровнем структурной и функциональной организации на молекулярном уровне, высочайшей информационной плотностью, самоорганизацией, способностью к самовосстановлению и т. п.

Существуют следующие пять основных групп теорий о происхождении жизни.

Креационизм, утверждающий, что жизнь была создана сверхъестественным существом (Богом, космическим разумом и т.п.), к этому направлению примыкают теологи и философы-идеалисты. Этот процесс был произведен один раз, больше он не повторится и поэтому не доступен экспериментальной проверке. Поэтому эту теорию обычно выносят за рамки научного исследования.

Остальные направления материалистичны.

Теория самопроизвольного зарождения - жизнь самозарождается при создании для этого подходящих условий, и это на протяжении всей истории Земли на ней происходило неоднократно, однако попытки создания жизни в искусственных лабораторных условиях (в «пробирке») химическим путем пока не удались.

Теория стационарного состояния. Жизнь существовала всегда, и только изменялись ее формы.

Теория панспермии. Жизнь на Землю была занесена из космоса, поскольку в нем зародыши жизни и белковые элементы непрерывно переносятся с планеты на планету (основание – найденные на метеоритах органические соединения).

Теория биохимической революции - жизнь произошла естественным путем в результате саморазвития химических и физических процессов (примыкает ко второй группе теорий).

Последняя группа теорий в настоящее время является господствующей. Согласно ней биологической эволюции предшествовала длительная химическая эволюция – возникновение все более сложных химических соединений.

Теория абиогенного происхождения жизни

Наибольшее признание и распространение в XX столетии получила гипотеза происхождения жизни на Земле, предложенная А.И.Опариным и Дж.Холдейном. Суть их гипотезы сводится к существованию на Земле продолжительного периода абиогенного образования органических соединений. Процессы химической эволюции привели к появлению пробионтов. Земля возникла около 4,5 млрд лет назад. Остывание ее началось около 4 млрд лет назад; возраст земной коры оценивается примерно в 3,9 млрд лет. К этому моменту образовалась первичная атмосфера Земли. Древняя атмосфера Земли не содержала свободного кислорода и была насыщена вулканическими газами, в состав которых входили оксиды серы, азота, аммиак, оксид и диоксид (двуокись) углерода, пары воды и ряд других компонентов. Мощное космическое излучение и излучение Солнца (озонового слоя в атмосфере не было), частые и сильные электрические разряды, активная вулканическая деятельность, сопровождавшаяся выбросами больших масс радиоактивных компонентов, привели к образованию органических соединений. Значительная часть образующихся мономеров разрушалась под действием высоких температур и многочисленных химических реакций. На фоне высокой химической активности среды происходили процессы усложнения органических соединений, и они могли вступать в соединения друг с другом. Затем формировались коацерваты. Следующим этапом в образовании жизни стало формирование мембран. Возникновение пробионтов. По завершении химической эволюции наступил этап биологической эволюции уже живой материи. Произошло это 3,5—3,8 млрд лет назад. Существует мнение, что дальнейшая эволюция жизни пошла от общего предка, от которого произошли первые прокариоты. Именно это обеспечило большое сходство строения всех прокариот, а впоследствии и эукариот.

 

Главные этапы возникновения и развития жизни. Появление клетки как исходной точка биологической эволюции.

 

Главные этапы возникновения и развития жизни.

В соответствии с гипотезой Опарина - Холдейна в происхождении жизни на Земле можно выделить шесть основных этапов:

1. Образование первичной атмосферы из газов, послуживших основой для синтеза органических веществ.

2. Абиогенное образование органических веществ (таких мономеров, как аминокислоты, мононуклеотиды, сахара).

3. Полимеризация мономеров в полимеры - полипептиды и полинуклеотиды.

4. Образование протобионтов - предбиологических форм сложного химического состава, имеющих некоторые свойства живых существ.

5. Возникновение примитивных клеток.

6. Биологическая эволюция возникших живых существ.

 

Этапы развития

Криптозой

Архей - древнейшая геологическая эра Земли (3,5 - 2,6 млрд. лет назад).

Ко времени архея относится возникновение первых прокариот (бактерий и сине-зеленых) - организмов, которые в отличие от эукариот не обладают оформленным клеточным ядром и типичным хромосомным аппаратом (наследственная информация реализуется и передается через ДНК).

В отложениях архея найдены также остатки нитчатых водорослей. В этот период появляются гетеротрофные организмы не только в море, но и на суше. Образуется почва. В атмосфере снижается содержание метана, аммиака, водорода, начинается накопление углекислого газа и кислорода.

Протерозой (с греч. «первичная жизнь») - огромный по продолжительности этап исторического развития Земли (2,6 млрд.-570 млн. лет назад).

Возникновение многоклеточности - важный ароморфоз в эволюции жизни.

Конец протерозоя иногда называют «веком медуз» - очень распространенных в это время представителей кишечнополостных.

Палеозой

Палеозой (от греч. «древняя жизнь») - геологическая эра (570-230 млн. лет) со следующими периодами:

· кембрий (570-500 млн.лет)

· ордовик (500-440 млн. лет)

· силур (440-410 млн. лет)

· девон (410-350 млн. лет)

· карбон (350-285 млн. лет)

· пермь (285-230 млн. лет)

Для развития жизни в раннем палеозое (кембрий, ордовик, силур) характерно интенсивное развитие наземных растений и выход на сушу животных.

Мезозой

Мезозой (с греч. «средняя жизнь») - это геологическая эра (230-67 млн.лет) со следующими периодами:

· триас (230-195 млн.лет)

· юра (195-137 млн.лет)

· мел (137-67 млн.лет)

Мезозой справедливо называют эрой пресмыкающихся. Их расцвет, широчайшая дивергенция и вымирание происходят именно в эту эру.

В мезозое усиливается засушливость климата. Вымирает множество сухопутных организмов, у которых отдельные этапы жизни связаны с водой: большинство земноводных, папоротники, хвощи и плауны. Вместо них начинают преобладать наземные формы, в жизненном цикле которых нет стадий, связанных с водой.

Кайнозой

Геологическая эра, в которую мы живем, называется кайнозой.

Кайнозой (от греч. «новая жизнь») - это эра (67 млн. лет - наше время) расцвета цветковых растений, насекомых, птиц и млекопитающих.

Кайнозой делится на два неравных периода: третичный (67-3 млн. лет) и четвертичный (3 млн. лет - наше время).

В первой половине третичного периода широко распространены леса тропического и субтропического типа. В течение третичного периода от насекомоядных млекопитающих обособляется отряд приматов. К середине этого периода широкое распространение получают и общие предковые формы человекообразных обезьян и людей.