Первым началом является закон сохранения энергии. Энтропия как мера хаоса В конце XIX в. Людвиг Больцман расширил границы термодинамики, введя новое определение энтропии: S = k ln W, где W – термодинамическая вероятность, k – постоянная Больцмана. Теперь второе начало из постулата превратилось в теорему, доказуемую методами теории вероятности. Теперь энтропию можно представлять как меру хаоса, беспорядка, а второе начало термодинамики следует читать так: беспорядок (неупорядоченность) со временем способен только возрастать, упорядоченность никогда не создаётся самопроизвольно.
Возникновение и эволюцию жизни на Земле всегда рассматривают как становление более сложного из более простого, а фундаментальный закон природы – второе начало термодинамики – запрещает подобные процессы.Долгое время физики и биологи старались не замечать этого противоречия.
В конце 40-х годов Э. Шрёдингер издал маленькую популярную книжку "Что такое жизнь с точки зрения физика", где попытался разрешить этот парадокс. В конечном счёте Шрёдингер приходит к выводу, что живые организмы извлекают из окружающей среды отрицательную энтропию. Как? – посредством питания. С этим тезисом не согласится ни один физиолог.
Термодинамика открытых систем
Второе начало термодинамики, безусловно, является абсолютным законом природы. Но в логических построениях физиков от Карно до Шрёдингера есть брешь. Существует особый класс термодинамических систем – открытые системы – в которых возникают локальные условия для появления упорядоченности. Открытые системы ещё называют потоковыми – в них действительно существует поток как некоторая математическая абстракция, но ничто не мешает нам представить её в виде вещественного потока некоторой материи или энергии.Представим себе классический резервуар, в который нечто вливается и из которого нечто выливается. Если энтропия того, что выливается больше, чем энтропия на входе, то что творится с энтропией резервуара? Она может понижаться, но так, чтобы её дефицит внутри покрывался приростом снаружи, на выходе.Второе начало термодинамики приводит к выравниванию температур и запрещает ситуацию, в которой два равномерно нагретых тела поделили бы тепло так, что одному достался бы жар, а другому – холод. Однако холодильник на кухне работает, нагревает решётку сзади и охлаждает камеру внутри! За счёт чего? Термодинамически рассуждая, за счёт разупорядочения потока, точнее – тока электрического, превращения направленного движения электронов (упорядоченность) в хаотическое движение молекул нагретого газа (беспорядок). Грубо говоря, в выделенном месте можно создать умеренный порядок, если в другом сотворить большой беспорядок. Потоковые системы такого рода обычно называют диссипативными (лат. dissipatio - рассеяние) - в них происходит разупорядочивание энергетических процессов. Для них характерны большие различия начального и конечного состояний потока, это сильно неравновесные системы.Внутри потоковой системы упорядоченность может возникать самопроизвольно. Представьте себе подушечку для иголок и обрывки ниток, оставшихся в ушках иголок. Они расположены хаотически. Мысленно подуйте на подушечку – и нитки расположатся упорядоченно, вдоль потока.Разумеется, термодинамика открытых систем работает не с подушечками, а с условиями минимизации некоторых математических функций.А много ли порядка надо для возникновения жизни? Фон Нейман рассчитал, что система, способная создавать своё подобие, проще говоря – размножаться, должна содержать не менее 10 000 элементов. И всё. Отдельные горячие головы предложили даже четвёртое начало термодинамики – "в сложной потоковой системе за достаточно большое время должна появиться жизнь". Разумеется, это уже не закон природы а декларация желаемого. Однако если в этой фразе слово "должна" заменить на "может", она будет выглядеть вполне пристойно.Обратим внимание на то, что здесь не оговаривается химизм субстрата жизни. Есть позиция, остроумно названная "водно-углеродным шовинизмом", т. е. утверждение, что живое существует только в виде углеродных соединений и только при наличии воды. Термодинамика этот тезис игнорирует.
Возникновение жизни на Земле: образование мономеров полимерных соединений
Известно, что наше тело состоит из жиров, белков и углеводов. Проще всего устроены углеводы. Из мономерных углеводов собираются полимеры вроде крахмала. Эти конструкции также очень просты. Жиры представляют из себя эфиры глицерина и жирных кислот. Они потенциально более разнообразны, чем сахара, но не полимеризуются. Белки являются полимерами аминокислот. В настоящее время земная жизнь создает для своих нужд около 20 аминокислот, хотя их может бы быть гораздо больше. Нуклеиновые кислоты образованы азотистыми основаниями - пиринами и пиримидинами, связанными с пятиатомными сахарами - рибозой или дезоксирибозой, а также остатками фосфорной кислоты. Это наиболее сложные молекулы, существующие в природе. Кирпичики жизни – моносахариды, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты, азотистые основания, имеющиеся в современной биосфере, имеют только биогенное происхождение. Это объясняется двумя причинами – практически любая органика разлагается микроорганизмами до углекислого газа и воды, а кроме того, в кислородной атмосфере они термодинамически неустойчивы. В 50-е годы американцы Юри и Миллер провели очень важный эксперимент. В сосуде, содержавшем воду и смесь метана, аммиака, углекислоты и водяных паров, имитирующую исходную земную атмосферу, постоянно пропускали электрическую искру – она имитировала грозовой разряд и служила источником ультрафиолета. В результате через некоторое время в воде обнаруживались все кирпичики жизни – сахара, аминокислоты, жирные кислоты и азотистые основания, а кроме того – ряд других органических соединений, например, пиррольные кольца, являющиеся основой активного центра хлорофилла. Позже подобные вещества были найдены в космической пыли и в метеоритах. Работа Миллера вызвала шквал исследований. "Кирпичики жизни" - мономерные органические соединения – удавалось получить при моделировании самых разных параметров первичного океана и атмосферы, задавая исходные температуры порядка и 200° С в "сухой фазе" и минус 50 - 60° на поверхности льда, варьируя парциальное давление и ионизацию газов первичной атмосферы, в присутствии глин или соединений серы, причём они легко полимеризовались с образованием соединений с атомной массой до тысячи и выше. Таким образом, можно считать доказанным, что в горячем, щелочном первичном океане кирпичиков жизни было достаточно. Однако груда кирпичей – это ещё не Собор Парижской Богоматери. Как произошла сборка живого организма?
Геологические процессы в архее и протерозое
Архейская группа и эра, так называются древнейшие слои земной коры, они сложены из гнейсов и кристаллических сланцев, и так как не содержат в себе окаменелостей животных, то называются также азойскими. А. группа делится на 2 системы: нижняя, следов, более древняя, лаврентьевская или система первобытного гнейса, и верхняя - гуронская или система первобытного сланца. Оби вместе составляют пласт толщиной в 100 т. фут. и, по-видимому, образуют замкнутую оболочку вокруг всего земного шара. Книзу архейские образования очень богаты алиазами, золотом, платиной, серебром, медью, железом и др. металлами.- А. эрой назыв. период времени, потребовавшийся для отложения слоев А. группы.
Архейская эра, начавшаяся 3,5 млрд. лет тому назад, сопровождалась небывалой силы тектоническими процессами. Выплавлялись первые граниты и появились первые островки суши, впоследствии давшие начало материкам. Выветривание их поверхности дало первые осадочные породы. Около 3 млрд. лет назад сформировалось земное ядро и ход конвективных процессов в мантии обрёл современную форму. Океан был горячим – 40 - 50° С, атмосфера – бескислородной, восстановительной.Следующая эра – протерозойская – началась 1,8 млрд. лет назад. Легкая тонкая кора архейской эры в процессе переплавок породила стабильные материковые платформы - нечто тектонически неизменное.
На краях платформ происходит коробление коры, прогибы, разломы, проявляется вулканизм - здесь наблюдается то, что издавна называется геосинклинальной зоной, но сами плиты практически неизменны. Завершение формирования платформ приблизительно соответствует границе архея и протерозоя. Для геолога протерозой – это ранняя эпоха формирования осадочных пород на обширных пространствах материков.
Главным образом это были абиогенные карбонаты – доломиты и известняки. Для протерозоя характерны активные процессы осадкообразования. В протерозое появляются сине-зеленые водоросли, простейшие организмы, возникают многоклеточные организмы.