Мультивселенная и будущее Вселенной
МУЛЬТИВСЕЛЕННАЯ
Гипотетическое множество всех возможных реально существующих параллельных вселенных (включая ту, в которой мы находимся). Представления о структуре Мультивселенной, природе каждой вселенной, входящей в её состав, и отношениях между этими вселенными зависят от выбранной гипотезы. Вселенные, входящие в Мультивселенную, называются альтернативными вселенными, альтернативными реальностями, параллельными вселенными или параллельными мирами.
Существование Мультивселенной является предметом дискуссий среди физиков. Данная идея активно используется в теории струн, в многомировой интерпретации квантовой механики, в теории вечной инфляционной мультивселенной.
Сторонники теории Мультивселенной: Стивен Хокинг, Брайан Грин, Макс Тегмарк, Алан Гут, Андрей Линде, Митио Каку, Дэвид Дойч, Леонард Сасскинд,, Александр Виленкин, Нил Тайсон, Шон Кэрролл, Джозеф Полчински.
Не поддерживают: Стивен Вайнберг, Дэвид Гросс, Пол Стейнхардт, Нил Турок, Вячеслав Муханов, Майкл Тёрнер, Роджер Пенроуз, Джордж Эллис, Адам Франк, Пол Дэйвис.
БУДУЩЕЕ ВСЕЛЕННОЙ
По разным данным, датировка следующего глобального этапа эволюции Вселенной колеблется между 2.8 и 22 миллиарда лет.
Научными теориями предсказано множество возможных вариантов развития будущего, среди которых есть теории как об уничтожении, так и о бесконечной жизни Вселенной. После того как теория о создании Вселенной посредством Большого взрыва и её последующем быстром расширении была принята большинством учёных, будущее Вселенной стало вопросом космологии, рассматриваемым с разных точек зрения в зависимости от физических свойств Вселенной: её массы и энергии, средней плотности и скорости расширения.
ВОЗМОЖНЫЕ СЦЕНАРИИ
Большой разрыв — одна из теорий, по которой пространство продолжит расширяться, но так, что начнут удаляться друг от друга не только галактики, но и звёзды внутри галактик, а затем и планеты от звёзд, пока наконец не разлетятся в разные стороны отдельные атомы.
Большое остывание (или Тепловая смерть) — одна из теорий возможного будущего Вселенной, согласно которой её ожидает тепловая смерть, в результате которой звёзды постепенно остынут и погаснут.
Большое сжатие — теория, согласно которой Вселенная в будущем сожмётся в одну сверхплотную точку.
Пульсация — сценарий, по которому Вселенная проходит последовательные периоды расширения и сжатия. В конце стадии сжатия, когда Вселенная концентрируется в маленьком объеме большой плотности, вероятно, происходит «разлет» Вселенной, называемый взрывом. Таким образом, по этой теории Вселенная бесконечно пульсирует между Большим взрывом и Большим сжатием.
13.77—4.5 млрд. гг. до н. э. Возникновение Вселенной
- Этапы развития Вселенной.
- История Вселенной.
- Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия.
- Реликтовое излучение — космическое сверхвысокочастотное фоновое излучение, равномерно заполняющее Вселенную тепловое излучение, возникшее в эпоху первичной рекомбинации водорода и примерном возрасте Вселенной в 380 000 лет.
- Таблица происхождения тяжёлых элементов
В период времени от нуля до 10−43 секунд после Большого взрыва происходили процессы рождения Вселенной из сингулярности. Считается, что при этом температура и плотность вещества Вселенной были близки к планковским значениям. Законченная физическая теория этого этапа отсутствует. По окончании этого этапа гравитационное излучение отделилось от вещества.
Приблизительно через 10−42 секунд после момента Большого взрыва фазовый переход вызвал экспоненциальное расширение Вселенной. Данный период получил название Космической инфляции и завершился через 10−36 секунд после момента Большого взрыва.
После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму. По прошествии некоторого времени температура упала до значений, при которых стал возможен следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь в электромагнитное излучение.
Дальнейшее падение температуры привело к следующему фазовому переходу — образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме. После чего наступила эпоха нуклеосинтеза, при которой протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и ещё нескольких лёгких изотопов. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода (до этого процессы ионизации и рекомбинации протонов с электронами находились в равновесии).
После эры рекомбинации материя стала прозрачной для излучения, которое, свободно распространяясь в пространстве, дошло до нас в виде реликтового излучения.
Нуклеосинтез — природный процесс образования ядер химических элементов тяжелее водорода. Три главные стадии нуклеосинтеза включают в себя первичный нуклеосинтез (проходивший на начальных стадиях существования Вселенной в процессе Большого Взрыва), звёздный нуклеосинтез (при спокойном горении и при взрывах звёзд), а также нуклеосинтез под действием космических лучей.
Источники:
Движение Солнца
Движение Солнца в галактике Млечный Путь
4.5 млрд. г. до н. э. Формирование планеты Земля
— — — — — — — — — — — — — ▶
.jpg)
.jpg)
4,54 миллиарда лет назад из аккреционного диска, вращающегося вокруг Солнца, формируется Земля. Бо́льшая часть Земли была расплавленной из-за активного вулканизма и частых столкновений с другими космическими объектами. Предполагается, что одно из таких крупных столкновений привело к наклону земной оси и формированию Луны. Со временем такие космические бомбардировки прекратились, что позволило планете остыть и образовать твёрдую кору. Вулканическая дегазация создала первичную атмосферу, но в ней почти не было кислорода и она была бы токсичной и не возможной для жизни людей из современного мира. Доставленная на планету кометами и астероидами вода сконденсировалась в облака и океаны. Вода полна химических и органических элементов. Земля стала, наконец, гостеприимной для жизни, а самые ранние её формы обогатили атмосферу кислородом.
Источники:
4.5—3.8 млрд. гг. до н. э. Мир РНК
Гипотетический этап возникновения жизни на Земле, когда как функцию хранения генетической информации, так и катализ химических реакций выполняли ансамбли молекул рибонуклеиновых кислот. Впоследствии из их ассоциаций возникла современная ДНК-РНК-белковая жизнь, обособленная мембраной от внешней среды.
Способность молекул РНК к эволюции была наглядно продемонстрирована в ряде экспериментов. Ещё до открытия каталитической активности РНК такие эксперименты проводили Лесли Оргел с коллегами в Калифорнии. Они добавляли к пробирке с РНК яд – бромид этидия, ингибирующий синтез РНК. Сначала темп синтеза был замедлен ядом, но примерно после девяти «пробирочных поколений» эволюции в процессе естественного отбора вывелась новая порода РНК, стойкая к яду. Путём последовательного удвоения доз яда была выведена порода РНК, стойкая к очень высоким его концентрациям. Всего в эксперименте сменилось 100 пробирочных поколений (и намного больше поколений РНК, т.к. поколения сменялись и внутри каждой пробирки). Хотя в этом эксперименте РНК-репликаза добавлялась в раствор самими экспериментаторами, Оргел обнаружил, что РНК способны и к спонтанному самокопированию, без добавления фермента, правда, намного медленнее.
Дополнительный эксперимент был позже проведён в лаборатории немецкой школы Манфреда Ейгена. Он обнаружил спонтанное самозарождение молекулы РНК в пробирке с субстратом и РНК-репликазой. Она была создана постепенно нарастающей эволюцией.
Эти эксперименты доказывают, что первым молекулам РНК не нужно было обладать достаточно хорошими каталитическими свойствами. Они развились потом в ходе эволюции под действием естественного отбора.
Источники:
4 млрд. гг. до н. э. Поздняя тяжёлая бомбардировка
Гигантские столкновения являются нормальной (хоть и редкой в последнее время) частью эволюции Солнечной системы. Доказательствами этого служат столкновение кометы Шумейкера—Леви с Юпитером в 1994, падение на Юпитер небесного тела в 2009 и метеоритный кратер в Аризоне. Это говорит о том, что процесс аккреции в Солнечной системе ещё не закончен, и, следовательно, представляет опасность для жизни на Земле.
3.8—3.5 млрд. гг. до н. э. LUCA — Last Universal Common Ancestor
- Реконструкция LUCA (Last Universal Common Ancestor)
- Кладограмма, построенная на основе анализа рРНК. Показывает связь бактерий, архей и эукариот с последним всеобщим предком (обозначен чёрным стволом внизу дерева)
- Tree Of Life. Leonard Eisenberg 2008
Характерные черты
Сформулированы на основе черт, свойственных всем независимо существующим организмам на Земле.
- Генетическая информация основана на ДНК.
- ДНК состоит из четырёх нуклеотидов (аденин, гуанин, тимин, цитозин).
- Генетический код составляют состоящие из трёх нуклеотидов кодоны, образуя 64 различных триплета. Поскольку используется только 20 аминокислот, то разные кодоны кодируют одни и те же аминокислоты. Такое соответствие случайно и существует как среди эукариотов, так и прокариотов. Археи и митохондрии используют похожее кодирование с небольшими отличиями.
- ДНК остаётся состоящей из двух нитей благодаря зависимости от шаблона ДНК-полимеразы.
- Целостность ДНК обеспечивается группой обслуживающих ферментов, включая топоизомеразу, ДНК-лигазу и другие ферменты репарации ДНК. Помимо этого ДНК защищена связывающими её белками, таким как гистоны.
- Генетическая информация отображается через промежуточные РНК, состоящие из одной нити.
- РНК производится зависимой от ДНК РНК-полимеразой с использованием нуклеотидов, сходных с нуклеотидами ДНК, за исключением тимидина ДНК, вместо которого в РНК служит уридин.
- Генетическая информация отображается в белки. Все другие свойства организма (такие как синтез липидов или углеводов) — результат работы белков-ферментов.
- Белки собираются из свободных аминокислот, путём трансляции мРНК с помощью рибосом, тРНК и группы родственных белков.
- Рибосомы составлены из двух субъединиц, большой и малой.
- Каждая субъединица рибосомы включает ядро рибосомных рибонуклеиновых кислот и окружена рибосомными белками.
- Молекулы РНК (рРНК и тРНК) играют важную роль в каталитическом действии рибосом.
- Используется только 20 аминокислот, это лишь малая часть от бесчисленного множества нетипичных аминокислот. Используются только L-изомеры.
- Аминокислоты должны синтезироваться из глюкозы группой особых ферментов. Направления синтеза являются произвольными и сохраняющимися.
- Возможно использование глюкозы как источника энергии и углерода. Для этого используются D-изомеры.
- Гликолиз идёт по пути произвольного расщепления.
- АТФ используется как переносчик энергии.
- Клетка окружена клеточной стенкой состоящей из двойного липидного слоя — грамотрицательного типа.
- Внутри клетки концентрация натрия ниже, а калия — выше, чем снаружи. Отклонение поддерживается особенным ионным насосом.
- Клетка размножается путём репродуцирования всего своего содержания, за этим следует деление клетки.
Предположения
В конце 1970-х годов Карл Вёзе предложил трехдоменную классификацию организмов. Полагая, что представители первой из выделенных им групп прокариот могут быть более древними, чем собственно бактерии, Вёзе назвал их архебактериями, или археями. Это утверждение было подкреплено тем, что все известные археи обладали крайне высокой устойчивостью к экстремальным состояниям окружающей среды, таким как высокая солёность, температура и кислотность, и привело некоторых учёных к предположению, что последний всеобщий предок развивался в таких местах, как чёрные курильщики, где такие крайности господствуют поныне. Однако впоследствии он пришёл к выводу о том, что обе группы произошли от общего предка и предложил термин «прогенот» для обозначения примитивной предковой формы. Кроме того, были открыты археи, существующие в менее враждебных средах, на основе чего был сделан вывод, что последний всеобщий предок предпочитал температуры, не превосходящие 50 °C.
Возможно, что все современники последнего всеобщего предка вымерли и до сегодняшнего дня дошло только его генетическое наследство. Или, как было предложено Карлом Вёзе, возможно, никакой из отдельных организмов не может рассматриваться в качестве последнего всеобщего предка, но генетическое наследие всех современных организмов произошло посредством горизонтального переноса генов среди древнего сообщества организмов.
Заблуждения
Вопреки заблуждениям, последний универсальный предок не является:
- Первым когда-либо существовавшим организмом (его появлению предшествовала долгая эволюция, согласно теории РНК-мира, первые живые существа были РНК-организмами без белков и ДНК).
- Самым примитивным из возможных организмов.
- Единственным существом, жившим в то время на Земле.
Вместе с последним всеобщим предком жило множество похожих на него существ, но в силу закономерных статистических обстоятельств именно он оказался ближайшим общим предком всех современных существ. В этом формальном отношении этот предок схож с «митохондриальной Евой», которая не была ни первой, ни единственной, ни самой примитивной, ни самой «приспособленной» из своих сородичей — ранних африканских Homo sapiens.
Источники:
[1]
3.8—2.5 млрд. гг. до н. э. Протоклетки и клетки
— — — — — — — — — — — — — ▶
Химические атомы соединяются в точной и необходимой последовательности, создавая прослойку из генетических материалов. Воспроизводство таких организмов требовало ресурсов: энергии, пространства и крохотного количества материи, которых вскоре стало не хватать, что привело к соперничеству и естественному отбору, который выбирал те молекулы, которые более эффективны в воспроизводстве. Затем основной воспроизводящейся молекулой стала ДНК.
Архаичный геном вскоре развил внутренние мембраны, которые предоставили стабильную физическую и химическую среду для более благоприятного развития в дальнейшем, создав первую на нашей планете Протоклетку!
Переходя от одного поколения к другому, гены подталкивают клетки к размножению, таким образом, гарантируя выживание. И в следующие 2 миллиарда лет эти клетки будут единственной формой жизни на земле. Но, однажды, случайное действие изменило всё – две клетки соединились в одну, объединив свои гены, и после этого клетка клонировала себя. Этот отпрыск имел гены не одной, а двух клеток – двух родителей. Мы называли эту случайность - секс. Секс предоставляет разнообразие. Но не всё идёт ровно, и когда клетки размножаются, их гены смешиваются и делятся внутри. Клетки мутируют и мутация усложняется. Разница в клетках возрастает. И таких клеток становиться всё больше. Формируются различные виды. И древо жизни разделяется на миллиарды видов. Но только один из которых, приведёт к нам.
Источники:
Mankind Rising - Where do Humans Come From
Анимированный документальный фильм об эволюции от клетки до человека.
Язык: английский.
2.5 млрд. — 195 млн. гг. до н. э. Животные
— — — — — — — — — — — — — ▶
Далее, эволюция первых животных проходит путь от морских губок до мелких млекопитающих типа Hadrocodium.
Источники:
650—635 млн. лет назад. Протерозойское оледенение
1.3 млрд. г. до н. э. Слияние двух черных дыр
14 сентября 2015 года коллаборациями LIGO и VIRGO был зарегистрирован, предсказанный Альбертом Эйнштейном в 1916 году, гравитационный сигнал слияния двух чёрных дыр (лекция 18 ноября 2016 года / Физический факультет МГУ / Кип Стивен Торн), что и стало открытием гравитационных волн. Расстояние до источника было вычислено из сравнения выделившейся мощности, оценку которой дают массы чёрных дыр, и измеренной амплитуды сигнала. Расстояние оказалось равным примерно 1,3 млрд световых лет.
635 млн. лет назад. Губки
- Останки Raphidonema faringdonense.
Домен: эукариоты; царство: животные; тип: губки.
Таким образом, генетические и палеонтологические данные свидетельствуют в пользу того, что губки появились на нашей планете задолго до Кембрийского взрыва, произошедшего около 542 миллионов лет назад. Ранее считалось, что тогда практически одновременно возникли едва ли не все типы животных. Ранее ученые выдвинули гипотезу, согласно которой массовое вымирание живых существ в эдиакарии — периоде, предшествовавшем кембрию, — и последующее появление многообразия животного мира во время Кембрийского взрыва были обусловлены инверсией магнитного поля Земли.
600 млн. лет назад — Сегодня. Земля
540 млн. лет назад. Кембрийский взрыв
Кембрийский взрыв, взрыв скелетной фауны — условное название явления, результатом которого стало резкое увеличение количества ископаемых остатков живых существ в отложениях, соответствующих началу кембрийского периода (около 540 млн лет назад). Именно к данному периоду относится появление в палеонтологической летописи останков, в частности, хордовых, членистоногих, однозначно опознаваемых моллюсков и иглокожих. Данный факт может свидетельствовать о внезапном увеличении биоразнообразия в данный период либо о появлении большого числа организмов с минерализованными тканями (раковины, экзоскелеты), хорошо сохраняющимися в ископаемом состоянии. В отложениях предыдущих времён (докембрий) следы существования животных встречаются намного реже.
Самая ранняя атмосфера Земли вообще не содержала свободного кислорода. Тот кислород, которым дышат современные животные — как содержащийся в воздухе, так и растворенный в воде — является продуктом миллиардов лет фотосинтеза, главным образом — микроорганизмов (таких как цианобактерии). Примерно 2,5 миллиарда лет назад концентрация кислорода в атмосфере резко возросла. До этого времени весь вырабатываемый микроорганизмами кислород полностью тратился на окисление элементов с высоким сродством к кислороду, таких как железо. Пока не произошло их полное связывание на суше и в верхних слоях океана, в атмосфере существовали лишь локальные «кислородные оазисы».
Нехватка кислорода могла длительное время препятствовать развитию крупных сложных организмов. Проблема состоит в том, что количество кислорода, которое животное может абсорбировать из окружающей среды, ограничено площадью поверхности (легких и жабр у наиболее сложных животных; кожи — у более простых). Количество же кислорода, требуемое для жизнедеятельности, определяется массой и объёмом организма, которые по мере увеличения размеров растут быстрее, чем площадь. Рост концентрации кислорода в воздухе и в воде мог ослаблять или вовсе устранять это ограничение.
Нужно отметить, что достаточное количество кислорода для существования крупных вендобионтов присутствовало уже в эдиакарский период. Однако дальнейший рост концентрации кислорода (между эдиакарским и кембрийским периодами) мог предоставить организмам дополнительную энергию для производства веществ (таких как коллаген), необходимых для развития принципиально более сложных структур тела, в том числе — используемых для хищничества и защиты от него.
520—516 млн. лет назад. Myllokunmingia fengjiaoa
- Myllokunmingia fengjiaoa.
Домен: эукариоты; царство: животные; тип: хордовые.
450—440 млн. лет назад. Ордовикско-силурийское вымирание
В период между 450 и 440 млн лет назад, с промежутком в 1 млн лет, произошли два всплеска вымирания. Для морских организмов это вымирание второе по величине, оно уступает только пермскому вымиранию. В то время вся известная жизнь обитала в морях и океанах. Погибло более 60% морских беспозвоночных, включая две трети всех семейств брахиопод и мшанок. Особенно пострадали брахиоподы, двустворчатые моллюски, иглокожие, мшанки и кораллы. Непосредственной причиной вымирания, как представляется, явилось движение Гондваны к области южного полюса. Это привело к глобальному похолоданию, оледенению и последовавшему за ним падению уровня мирового океана. Отступление границы океана разрушило или повредило места обитания вдоль континентального побережья. Данные об оледенении были найдены в отложениях в пустыне Сахара. Комбинация низкого уровня мирового океана, похолодания и образования ледников, вероятно, и послужила причиной ордовикского вымирания. По другим данным причиной вымирания стал гамма-лучевой удар по Земле вследствие взрыва гиперновой звезды, расположенной на опасном расстоянии от Солнечной системы.
376–359 млн. лет назад. Девонское вымирание
Девонское вымирание — массовое вымирание видов в конце девона, одно из крупнейших в истории Земли вымираний флоры и фауны. Первый (и самый сильный) пик вымирания произошёл в начале фаменского века — последнего века девонского периода, около 374 млн лет назад, когда неожиданно исчезли почти все бесчелюстные. Второй импульс завершил девонский период (около 359 млн лет назад). Всего вымерло 19 % семейств и 50 % родов.
370 млн. лет назад. Ихтиостега
- Ихтиостега (Ichthyostega).
Домен: эукариоты; царство: животные; тип: хордовые.
253—251 млн. лет назад. Массовое пермское вымирание
Самое массовое вымирание из всех, приведшее к исчезновению 57 % всех семейств и 83 % всех родов, более 90 % (по некоторым оценкам, даже 95 %) морских видов (наибольшие потери зафиксированы для фузулинид, ругоз, ракушковых и различных классов плеченогих; также пострадали мшанки, гастроподы, губки и сидячие двустворчатые) и более 70 % видов наземных позвоночных. При этом поражающие механизмы действовали избирательно: среди сидячих организмов с массивным карбонатным скелетом вымерло до 90 % родов, для обладателей менее массивных скелетов, в зависимости от возможности метаболически контролировать диффузионный газообмен, этот показатель составлял от 28 % до 78 %, а для таксонов с лёгким или вообще отсутствующим карбонатным скелетом — всего 10 %; также показано, что более сильному вымиранию подверглись таксоны, характеризовавшиеся бо́льшим (на начало кризиса) разнообразием и более высоким уровнем фонового вымирания. Примечательно, что пермская катастрофа произошла за очень короткий по геологическим меркам промежуток времени — менее 200 тыс. лет. После неё, судя по окаменелостям, например, от всего разнообразия наземных пресмыкающихся, как и гидробионтов, осталось только по одному виду; на восстановление биоразнообразия наземных организмов понадобилось 50 млн лет, а морских — до 100 млн лет. Хотя существуют альтернативные оценки, согласно которым потери составили только 62 % родов и 81 % видов (так, для агглютинированных фораминифер, спумеллярий и глубоко зарывающихся двустворчатых был характерен процент вымирания ниже среднего), в частности, более 90 отрядов (90 % их общей тогдашней численности) и 220 семейств высших морских животных успешно пережили этот кризис, он единодушно признаётся всеми исследователями крупнейшей биосферной катастрофой в истории Земли. Все экологические связи были разрушены и впоследствии выстраивались заново.
208—200 млн. лет назад. Триасовое вымирание
Вымирание, в результате которого вымерло 23 % всех семейств и 48 % всех родов, по меньшей мере, половина известных сейчас видов, живших на Земле в то время, в частности, 20 % морских видов (в наибольшей степени — двустворчатые, конодонты, известковые губки, каменистые кораллы, такие отряды плеченогих как спирифериды и теребратулиды, подклассы головоногих наутилоиды и аммоноиды), некоторые растения, множество пресмыкающихся, а также последние крупные земноводные, что, между прочим, освободило экологическую нишу для динозавров. Между тем, некоторые учёные сомневаются в том, что на рубеже триаса и юры произошло именно массовое вымирание, полагая, что некоторые виды исчезали лишь локально, а другие — постепенно в течение всего рэтского и даже предшествующего норийского яруса — средний фоновый уровень вымирания в триасовом периоде вообще был довольно высок (34 %). Приводится аргумент, что неизвестно, когда точно произошли (в частности, одновременно ли) кризисы растений и позвоночных на суше и морских видов. К тому же, как и для фанско-фаменского кризиса, спад биоразнообразия может являться естественной убылью из-за снижения видообразования.