60.

Во многом стихийная деятельность человека сопровождается крайне опасным загрязнением окружающей среды, нарушением теплового баланса планеты, утончением и перфорацией защитного озонового слоя атмосферы. Этот перечень может быть многократно продолжен. Техногенная деятельность привела к появлению искусственных факторов, таящих катастрофические угрозы, таких как ядерное и химическое оружие, способные одномоментно уничтожить всё живое на Земле. И даже если угрозу такого рода удастся отвести, поскольку разум должен всё-таки возобладать, надвигающаяся угроза экологической катастрофы приобретает всё более реальные очертания.

Экологические проблемы, вызванные жизнедеятельностью человеческого общества, приобрели глобальный (всемирный) характер. Усугубляющаяся проблема экологии и здоровья человека сигнализирует о том, что одним из возможных выходов системы из критического состояния может стать исключение биосферой человека из своего состава. Разрешение всей совокупности экологических проблем, по всей видимости, возможно только на пути перехода от потребительского отношения к природе к поиску гармонии с ней.

Между тем негативное воздействие человека на природу зашло уже так далеко, что для ликвидации его угрожающих результатов потребуются не только огромные усилия и средства, но и в обязательном порядке консолидация всего человеческого сообщества. Принятие неотложных целенаправленных мер по экологизации производства, созданию безотходных технологий, разумному самоограничению в потреблении природных ресурсов, поиску безопасных источников энергии могут принести ощутимый эффект лишь при их реализации на глобальном, т. е. межгосударственном, уровне. К сожалению, различие в уровнях социально-экономического развития государств, сохраняющаяся политическая нестабильность в мире существенно ограничивают масштабы международного сотрудничества в экологической сфере. Это говорит, в частности, о том, что уровень экологического сознания, как индивидуального, так и массового, нуждается в решительном и безотлагательном повышении.

59.

До поры до времени воздействие человека на биосферу нарастало плавно, т. е. носило линейный характер. Однако постепенно в нем стали нарастать внутренние противоречия. Человек в целях удовлетворения своих потребностей использовал сотни видов живых организмов из первозданной природы, одомашнил и вывел путем селекции множество видов животных и культурных растений. Тем самым, с одной стороны, было обеспечено значительное расширение многообразия биосферы. С другой стороны, в процессе жизнедеятельности человека многие виды животных и растений сознательно и неосознанно были уничтожены или поставлены на грань уничтожения.

Человек вносит в свои взаимоотношения с природой и принципиально новые элементы. Подобно тому как живая материя, преобразуя косное вещество, создает биосферу, человек преобразует биосферу, создавая техносферу, т. е. вводя в состав биосферы искусственные предметы и системы. В целом понятие техносферы определяет совокупность технических устройств и систем вместе с самой сферой технической деятельности человека. Естественно, техносфера включается в общий процесс взаимодействия составляющих биосферы, и этот процесс всё чаще нарушает динамичную гармонию всей этой жизненной суперсистемы, определяемую балансом конкурентных и коэволюционных процессов.

Развитие техносферы, стремительное повышение комфортности жизни (уже не выживание, а комфорт!) на фоне не менее стремительного роста населения планеты породило проблему исчерпания ресурсов. Природные процессы движения вещества в биогеосфере носят характер глобального замкнутого цикла, живая материя (благодаря ферментам) многократно ускоряет оборот минеральных веществ, т. е. их возврат в литосферу для включения во всё новые и новые циклы. Человечество же этому у природы не научилось. Проблема загрязнения окружающей среды – это проблема невозвращения изъятых ресурсов на свое место. Добыча минерального сырья истощает нашу маленькую планету, а отходы проиводства губительно засоряют среду обитания. Мало того, в условиях потребительского общества львиная доля промышленной продукции вскоре оказывается на свалках. В гигантскую свалку превращается Мировой океан – колыбель жизни…

Надо сказать, что сама живая природа достаточно оперативно приспосабливается к новым условиям существования, которые создает человек своей деятельностью. Некоторые виды животных адаптируются к жизни в близком соседстве с человеком. Вызванные техногенной деятельностью мутации в растительном и животном мире повысили устойчивость отдельных видов к применяемым для их уничтожения ядам, привели к таким изменениям популяций и видов, которые позволяют приспособиться к жизни в условиях техногенной среды обитания. Возрастающая интенсивность техногенного воздействия вызывает всё более быстрые перестройки в генотипах практически всёх видов и популяций живой составляющей биосферы. В частности, это относится и к самому виду homo sapiens.

58.

Со временем представления о глубокой взаимосвязи живой и неживой природы, о воздействии живых организмов на окружающую среду стали играть важную роль в развитии целостного подхода к изучению процессов, происходящих в природе. Сегодня очевидным считается то обстоятельство, что состав атмосферы, воды, почвы определяется деятельностью живых организмов. Биосфера, находясь в зависимости от неживой природы, как части окружающей среды, сама активно воздействует на нее. Поэтому развитие концепции биосферы немыслимо без всестороннего изучения того, как и в какой степени живое вещество влияло и влияет на геологические и физико-химические процессы в земной коре и на ее поверхности.

Живое вещество планеты, т. е. вся совокупность живых организмов, постоянно участвует в геохимических процессах, поставляя для них необходимый материал. Живые организмы получают из окружающей среды химические элементы, из которых строятся их тела, а в процессе жизнедеятельности и по окончании жизненного цикла возвращают их обратно. Таким образом, живое и неживое (косное) вещество непрерывно взаимодействуют, обеспечивая круговорот вещества. При этом именно живое вещество служит системообразующим фактором, связывая биосферу в единое целое. Живые организмы, по природе своей гораздо более динамичные, чем структуры неживой природы, обеспечивают развитие и совершенствование биоценозов, взаимодействие которых, в свою очередь, приводит к установлению равновесия между живыми системами различного уровня.

Движение энергии, необходимой для жизнедеятельности биосферы, в отличие от движения вещества, носит однонаправленный характер. Лучистая энергия Солнца обеспечивает автотрофное питание растений за счет фотосинтеза. Затем энергия передается на гетеротрофный уровень и, в соответствии со вторым началом термодинамики, рассеивается, переходя в тепловую форму. На энтропийном языке это означает, что живые организмы в процессе своей жизнедеятельности производят энтропию, которую отдают в окружающую среду, черпая из нее упорядоченность. Поддержание высокой степени упорядоченности, т. е. собственно жизни, оказывается возможным исключительно благодаря непрерывному поступлению солнечной энергии. Наша звезда будет исправно поставлять свою энергию биосфере еще несколько миллиардов лет. Что же касается биосферного круговорота вещества, то этот процесс всё заметнее нарушается в ходе человеческой деятельности.

57.

С точки зрения иерархии уровней организации живых систем высший уровень занимает биосфера, представляющая собой наиболее общую систему живых сообществ, или биоценозов. Термин «биосфера», означающий в буквальном переводе сферу жизни, был введен в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом. Первоначально под биосферой подразумевалась вся совокупность живых организмов, населяющих нашу планету, хотя еще Ж. Б. Ламарк в конце ХVIII в. обращал внимание на то, что вещество, образующее земную кору, сформировалось благодаря жизнедеятельности организмов.

Термин «ноосфера» (от греч. νωος – разум) ввел в научный обиход французский философ Эдуар Леруа в 1927 г. для определения геологической стадии развития биосферы, связанной с сознательной деятельностью человека. Значительный вклад в развитие концепции ноосферы внес крупнейший французский философ и палеонтолог Пьер Тейяр де Шарден. Он определил ноосферу как один из этапов эволюции мира, направляемый целеустремленным сознанием.

Развитие В. И. Вернадским концепции ноосферы стало естественным продолжением разработанного им учения о биосфере, в состав которой он неизменно включает человечество. Определяя живое вещество как совокупность живых организмов, В. И. Вернадский считает его определяющим компонентом биосферы, способным, однако, существовать и развиваться только в составе целостной системы. По его убеждению, живые организмы, являясь функцией биосферы и будучи тесно связанными с ней обменом веществом и энергией, представляют собой определяющий геологический фактор воздействия на нее.

эволюцию биосферы и всей планеты.

Рассматривая возникновение разума как закономерный результат эволюции биосферы, В. И. Вернадский особо акцентирует внимание на том, что благодаря его наличию человек становится крупнейшей геологической силой. Придавая особое значение роли человека в преобразовании биосферы и планеты в целом, он употребляет в своих трудах понятие ноосферы как:

– область активного проявления научной мысли;

– определяющий фактор преобразования биосферы;

– состояние планеты Земля, при котором человек становится основным геологическим фактором ее преобразования.

В настоящее время под ноосферой понимается сфера взаимодействия человека и природы, в рамках которой разумная и научно обоснованная человеческая деятельность становится определяющим фактором развития.

56.

Признано, что элементарной структурой, или, если угодно, единицей, эволюции является популяция, т. е. совокупность особей одного вида, способных свободно скрещиваться между собой. Именно на уровне популяции происходит закрепление признаков, полезных для эволюции. В качестве элементарного эволюционного явления рассматривается устойчивое изменение генофонда популяции, т. е. всей совокупности генов, которыми она располагает.

Основным фактором изменчивости считаются мутации, спонтанно возникающие в генном наследственном аппарате особи – ее геноме. Мутационный процесс состоит в перестройке генов и является основной причиной разнообразия особей в популяции. Мутировавший ген создает новый признак, материал для эволюции, а закрепление того или иного признака обеспечивает естественный отбор, если признак полезен для популяции. Поскольку возникновение мутаций носит случайный (флуктуационный) характер, результат их появления действительно является неопределенным. Поэтому мутационный процесс не определяет направление эволюции, эту функцию выполняет естественный отбор. Можно сказать, что флуктуации условий окружающей среды накладываются на флуктуации генофонда, непредсказуемо отбирая признаки, которые окажутся полезными.

Одним из важных факторов эволюции, дополняющим классическую триаду: наследственность, изменчивость, естественный отбор, современная теория считает популяционные волны, т. е. резкие колебания численности особей в популяции вследствие природных колебаний (засуха, урожай, температурные колебания и др.). Популяционные волны могут приводить к значительным изменениям частоты определенных мутаций, создавая тем самым предпосылки для ускорения или замедления эволюционных изменений. Установлено, что в многочисленных популяциях новые признаки закрепляются медленнее, а в малочисленных подвержены заметному влиянию случайных событий. Поэтому речь может идти об оптимальной с точки зрения эволюции численности популяции (с учетом протяженности области ее обитания, называемой ареалом).

Другим существенным фактором является изоляция популяции (группы организмов) в результате возникновения природных барьеров, исключающих или уменьшающих возможность ее обмена генетической информацией с другими группами особей своего вида. Изоляция способствует закреплению различных приобретенных признаков в генофондах разных популяций или групп, способствуя повышению вероятности выживания вида.

В качестве одного из основных факторов равновесия в живой природе современная наука рассматривает взаимное приспособление видов – коэволюцию. Коэволюция представляет собой тенденцию, противоположную одной из сторон естественного отбора, каковой является борьба за существование. Поэтому здесь есть основания вести речь о диалектическом взаимодействии противоположностей как движущей силе развития биосферы.

В настоящее время эволюция, как направленный процесс исторического изменения живых организмов, объясняется на основе синтеза классического дарвинизма с достижениями современной генетики, получившего название синтетической теории эволюции.

55.

Именно неопределенные, т. е. случайные, индивидуальные изменения, по мнению Ч. Дарвина, играют главную роль в процессе эволюции. На современном научном языке такие изменения называются мутациями и связаны они с изменением генетического кода. Что же касается изменений второго типа (определенных), то они считаются ненаследственными и носят название модификаций.

Итак, сочетание наследственности и изменчивости открывает возможность передачи по наследству новых, измененных признаков. Однако какие же из них полезны с точки зрения процесса эволюции и как они отбираются? В качестве движущей силы эволюции Ч. Дарвин ввел принцип естественного отбора.

54.

В свою очередь, библейская гипотеза возникновения жизни в результате сотворения «закрывает» проблему аналогичным образом. В самом деле, утверждение о том, что Создатель, действуя по некоторому грандиозному плану, сотворил всё многообразие жизни на Земле в процессе конструирования Вселенной, не отвечает на главный вопрос – как это было сделано? Вряд ли можно всерьез настаивать на том, что выявленная наукой исключительно высокая сложность, упорядоченность и целесообразность организации самой простой клетки, не говоря уже о человеке, обеспечивается одномоментно наделением их душой или какой-нибудь другой разновидностью «жизненной силы». Но современная наука отвергает и предположение относительно случайного происхождения жизни. Многое свидетельствует об эволюции Вселенной в соответствии с определенной программой. В принципе ее можно называть как угодно, смысл в том, чтобы, придерживаясь научного метода, объяснить феномен возникновения жизни и ее разнообразия.

Литература, отстаивающая библейскую версию, последовательно критикует теорию эволюции, обращая внимание на действительно многочисленные ее затруднения и допущения. Но эти затруднения наукой не скрываются, процесс поиска движущих сил эволюции не прекращается, принося всё новые знания о специфике живой материи.

Между тем представляет безусловный интерес то обстоятельство, что сообщение книги «Бытие» о шести днях творения с точки зрения последовательности событий отражает научные данные. Прежде всего, речь, конечно же, следует вести о шести продолжительных периодах, причем события этих периодов рассматривать с точки зрения земного «наблюдателя», фиксирующего эти события в течение многих миллионов лет, отводимых на эти события научными данными.

Отметим, что сообщение «Бытия» начинается с периода, когда Земля уже сформировалась как планета, т. е. о возникновении и развитии Вселенной до этого периода ничего не говорится. Фиксируется состояние Земли накануне начала описываемых событий: «Земля же была безвидна и пуста, и тьма над бездною». Речь здесь вполне может идти о плотной атмосфере, не пропускающей видимого солнечного излучения. Но вот наступает период (первый «день»), в течение которого атмосфера приобретает определенную прозрачность. Солнце по-прежнему остается невидимым, но благодаря уменьшению плотности атмосферы Земля освещается рассеянным светом. Для того чтобы земной наблюдатель мог непосредственно наблюдать Солнце и Луну, необходимо время, в течение которого атмосфера стала бы прозрачной. Такую прозрачность обеспечивает фотосинтез, насыщающий атмосферу кислородом. Вот почему такая, казалось бы, несуразность, когда свет появляется в первый «день», а его источники – на четвертый, на самом деле отвечает реальной ситуации: только теперь, с насыщением атмосферы кислородом, она позволила «наблюдателю» видеть светила, ранее от него скрытые.

Отметим существенные моменты «пятого дня творения»: животный мир появился в водной стихии, затем появились птицы, время же млекопитающих еще не наступило. В основном это соответствует научным данным, в частности данным палеонтологии. Подчеркивается, что животные самовоспроизводятся «по роду их», т. е. в соответствии с генетическим кодом.

В целом соответствует научным данным библиейский порядок возникновения животного мира: наземные животные, в частности млекопитающие, появляются позднее других. Завершающим этапом «шестого дня» стало появление человека – венца творения.

Проведенный анализ, не претендующий на однозначную интерпретацию библейского текста, показывает, что приведенный в нем порядок основных событий в основном соответствует последовательности этапов геологической и биологической эволюции Земли, как их видит современная наука.

53.

В условиях современной Земли естественного образования органических соединений из неорганических практически не происходит. Тем более невозможно возникновение живой органики. Что касается ранней Земли, то условия на ней были совершенно другими. Восстановительная атмосфера с высокой концентрацией водорода, метана и аммиака, интенсивное ультрафиолетовое излучение Солнца, не поглощаемое такой атмосферой, и мощные электрические разряды в атмосфере создавали необходимые и, видимо, достаточные условия для образования органических соединений. Действительно, лабораторные эксперименты, проведенные в условиях, моделирующих предполагаемую атмосферу ранней Земли, позволили получить ряд органических соединений, в том числе аминокислоты, входящие в состав живых белков.

Отсутствие кислорода в атмосфере явилось необходимым условием для самопроизвольного синтеза органики. Однако с точки зрения последующих превращений этот фактор оказался деструктивным. В самом деле, лишенная кислорода атмосфера практически свободно пропускает мощное ультрафиолетовое излучение (атмосфера современной Земли обладает возникшим вместе с кислородной составляющей озоновым слоем, который поглощает это излучение). Излучение, обеспечивая энергией химические реакции синтеза органических соединений, в то же время стремится сразу же их уничтожить. Поэтому образовавшиеся в атмосфере биополимеры, липиды и углеводороды, едва возникнув, были обречены. Для того чтобы не погибнуть, им необходимо было укрыться от губительного воздействия солнечного ультрафиолета. Считается, что часть этих органических соединений избежала гибели, попав в водную среду первичных водоемов.

Здесь, в водной среде, органические соединения вступали в разнообразные химические реакции, среди которых преимущество приобретали реакции, приводившие к саморазвитию наиболее активных катализаторов. Природа весьма жестко вела естественный отбор реакций циклического типа, способных к самоподдержанию, в том числе за счет энергии, выделяемой в ходе реакции. Проблема энергетического обеспечения эволюционных реакций, в частности реакций полимеризации (объединение однотипных молекул – мономеров в макромолекулы) выглядит наиболее важной на этом этапе эволюции, поскольку водная среда мало способствует активизации химических реакций. Именно поэтому «выжить» могли только высокоэнергетические реакции с участием особо эффективных, саморазвивающихся катализаторов.

Здесь наступил один из узловых моментов развития. Допустим, что необходимые для перехода к биоэволюции химические реакции возникли и приобрели свойство самоподдержания. Для их сохранения (и, конечно же, дальнейшего развития) соответствующие объемы должны быть как-то изолированы от неорганизованной окружающей среды, не потеряв при этом возможности обмениваться с ней веществом и энергией. Одновременное выполнение двух этих, на первый взгляд, несовместимых условий было обязательным для выхода химической эволюции на качественно новый уровень.

Такая возможность нашлась благодаря образованию из липидов особых структур – мембранных оболочек. Результаты современных лабораторных экспериментов дают основания полагать, что при определенной концентрации липидов в воде и внешних условиях, моделирующих состояние атмосферы и гидросферы тогдашней Земли, происходит характерный процесс самоорганизации, приводящий к самосборке липидных оболочек со свойствами мембран.

Далее нетрудно допустить, что процессы отбора циклических каталитических реакций и самосборки липидных оболочек совпали во времени и в пространстве. Так вполне могли появиться природные образования, изолированные от деструктивного воздействия окружающей среды, но связанные с нею обменом веществ. Самоподдерживающиеся реакции стали протекать в своеобразном реакторе, способствующем сохранению существенной неравновесности заключенной в нем системы биополимеров. Теперь положение химических реагентов приобрело упорядоченность, процессы адсорбции на оболочке способствовали повышению их концентрации и, тем самым, активизации каталитического эффекта. По сути, состоялся переход от химических смесей к организованным системам, приспособленным к дальнейшему восходящему развитию.

52.

Безусловно, выдающимся успехом в познании структуры клетки и живой материи вообще стало открытие в 1953 г. английским биофизиком Френсисом Криком и американским биохимиком Джеймсом Уотсоном структуры носителей наследственности.

Было известно, что в составе клетки (в ее центральной области – ядре) имеются так называемые нуклеиновые кислоты. В их состав входят простые углеводы (моносахариды) двух видов: дезоксирибоза и рибоза. Соответствующие кислоты стали называть дезоксирибонуклеиновыми и рибонуклеиновыми, или, сокращенно, ДНК и РНК. Сегодня эти аббревиатуры знает практически каждый, кто учился хотя бы в средней школе.

Дж. Уотсон и Ф. Крик выдвинули, а затем экспериментально подтвердили гипотезу относительно строения молекулы ДНК как носителя наследственной информации и построили ее модель – знаменитую двойную спираль.

Здесь следует вернуться несколько назад, к тому времени, когда в 1865 г. Г. Мендель установил, что наследственная информация передается дискретными порциями, названными впоследствии генами. Ген, этот своеобразный квант наследственности, рассматривался как единица наследственного материала, ответственная за формирование того или иного элементарного признака. Но вот что представляет собой ген как материальное образование стало ясно только с выяснением роли ДНК в механизме наследственности.

Установлено вполне достоверно, что генам соответствуют отдельные участки молекул ДНК, точнее, единицей генетического кода является тройка рядом расположенных нуклеотидов (фосфорных соединений, входящих в состав ДНК). Эти тройки, или триплеты, называемые кодонами, в совокупности составляют генетический код, определяющий порядок расположения 20 различных аминокислот в том или ином полипептиде (белке).

Молекула ДНК состоит из сахара (дезоксирибозы), фосфорной кислоты и двух цепочек комплементарно спаренных нуклеотидов (аденина, цитозина, гуанина и тимина), закрученных одна вокруг другой в спираль. Аденин (А) одной цепочки (нити) ДНК всегда взаимодействует с тимином (Т), а гуанин (G) – с цитозином (С) другой. Эти пары и называются комплементарными. Поскольку кодирование обеспечивается четырьмя основаниями (по три в кодоне), всего может быть 64 триплета. Кодоны расположены в линейной последовательности, т. е. друг за другом. Как правило, каждый из кодонов содержит информацию, необходимую для синтеза определенной аминокислоты. Контролируя образование белков, гены управляют соответствующими химическими реакциями в организме.

Передача генетического кода в клетке происходит в два этапа. Первый из них (так называемая транскрипция) происходит в ядре и состоит в синтезе молекул информационной (матричной) РНК из свободных рибонуклеотидов на соответствующих участках молекул ДНК. Исключительно важная роль при этом отведена определенным ферментам, которые обеспечивают расщепление двойной спирали ДНК, синтез РНК и восстановление ДНК. В результате содержащая генетический код последовательность нуклеотидов ДНК дублируется в виде соответствующей последовательности нуклеотидов информационной (матричной) РНК. Молекула РНК отличается от ДНК по одному нуклеотидному основанию – место тимина в ней занимает урацил (U), комплементарный к аденину.

Второй этап (трансляция) протекает в особых клеточных частицах – рибосомах, функция которых состоит в синтезе белков. Записанная на информационной РНК последовательность кодонов (троек нуклеотидов) переводится в последовательность аминокислот, из которых синтезируется белок.

После транскрипции молекула ДНК, спаривая расщепленные основания, сохраняет наследственную информацию и остается в ядре клетки, а матричная РНК, «переписав» хранимую в ДНК информацию, покидает ядро и переносит ее в рибосомы, где при посредничестве специфической транспортной РНК происходит синтез белков (полипептидов). В каждой клетке имеется 20 разновидностей транспортной РНК, каждая из которых содержит один триплет (называемый антикодоном) и транспортирует определенную аминокислоту. За счет комплементарного спаривания каждого антикодона с соответствующим кодоном матричной РНК аминокислоты выстраиваются в полипептидную цепочку, которая затем ферментативно отделяется от РНК и поступает в цитоплазму совместно с другими полипептидами или самостоятельно. возникший полипептид функционирует в качестве структурного или ферментативного белка, принимая участие в процессах обмена веществ.

Важнейшая особенность функционирования генетического аппарата была открыта французскими микробиологами Франсуа Жакобом, Жаком Моно и Андре Львовым, которые установили, что по своим функциям все гены разделены на регуляторные, кодирующие структуру наследственности, и структурные, кодирующие синтез продуктов обмена веществ (метаболитов). За счет этого обеспечивается выполнение организмами их важнейших функций: воспроизводства и обмена веществ с окружающей средой. И всё это происходит на уровне клетки.

51.

Представления о структурных уровнях организации живой материи сложилось во многом под влиянием клеточной теории строения организмов. Для развития биологи, так же как для физики и химии, характерен поиск последних, неделимых единиц организации (в данном случае – живой материи). До середины прошлого века такой единицей считалась клетка. Гипотеза о наличии у клетки субмикроскопической структуры, выдвинутая немецким биологом Эрнстом Геккелем, предвосхитила открытие молекулярно-генетического уровня биологических систем.

Современная биология, добившаяся выдающихся научных достижений именно в исследованиях на молекулярно-генетическом уровне, выделяет уровни организации живой материи на основе признака масштабности.

• Молекулярно-генетический уровень составляет предмет молекулярной биологии, изучающей механизмы передачи наследственной информации и развивающей методы генной инженерии.

• Клеточный уровень определяет специализацию клеток и их способность к делению и отпочковыванию.

• Органо-тканевый уровень отражает строение и функции органов и тканей живых организмов.

• Организменный (онтогенетический) уровень связан с проявлением признаков отдельных особей животных и растений.

• Популяционно-видовой уровень образован совокупностью особей одного вида, которые, скрещиваясь между собой, поддерживают численность популяции и обеспечивают ход эволюционного процесса.

• Уровень биогеоценоза представляет собой всю совокупность живых организмов (животного и растительного происхождения), занимающих вместе с соответствующими компонентами неживой природы определенную область Земли.

• Биосферный уровень охватывает всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их неживой природной средой.

Подобно тому, как молекула является носителем свойств вещества, клетка представляет собой первый структурный уровень, обладающий свойствами живого вещества.

Развитие клеточной теории, у истоков которой стояли немецкие биологи Теодор Швайн и Маттиас Якоб Шлейден, явилось одним из важнейших достижений биологии ХIХ в. Основной ее вывод состоит в положении, утверждающем, что все растительные и животные организмы состоят из клеток, близких по своему строению. Отсюда с высокой достоверностью следует единство происхождения и развития всех видов живой материи. Исследования в области цитологии показали, что все живые клетки осуществляют обмен веществ с окружающей средой, обеспечивают саморегуляцию своего состояния, сохраняют и передают наследственную информацию. В то же время клетки могут быть весьма многообразными. Они отличаются размерами (в пределах трех порядков), длительностью жизненного цикла (от нескольких часов до десятков лет). Именно на уровне клетки имеет место гомеостаз (сохранение стабильности внутренних условий), обеспечиваемый за счет метаболизма – обмена веществ с окружающей средой.

50.

Современная биология, определяя живое, идет по пути перечисления совокупности основных признаков (свойств) живых организмов, только совместно дающих представление об их специфике. К основным признакам живой материи она относит следующие:

• Живые организмы имеют сложную упорядоченную структуру, уровень организации которой значительно выше, чем у неживых систем.

• Живые организмы поддерживают и развивают свою упорядоченность за счет энергии (в основном солнечной), получаемой ими из окружающей среды.

• Живые организмы адекватно приспособлены к среде своего обитания и образу жизни, который они ведут.

• Живые организмы размножаются, порождая подобные себе живые организмы, в которых сохраняются основные черты вида, но проявляется определенная изменчивость. Единство наследственности и изменчивости обеспечивает эволюцию живых организмов.

• Живые организмы передают своему потомству заложенную в них информацию, необходимую для жизнедеятельности, развития и размножения. Эта информация сосредоточена в генах – внутриклеточных микроструктурах, являющихся носителями наследственности.

Обобщая совокупность этих свойств, можно сформулировать понятие жизни как форму существования упорядоченных открытых (т. е. взаимодействующих с окружающей средой) систем, обладающих способностью к самоорганизации и самовоспроизведению. На энтропийном языке это означает, что живая материя поддерживает свою высокую упорядоченность, или минимальный уровень энтропии, заимствуя упорядоченность из окружающей среды и отдавая в нее произведенную знтропию.

Построение белков исключительно из одного вида изомеров – важная и однозначно формулируемая черта живого и только живого. Ведь выполнение основных функций живых систем обусловлено наличием в их составе таких веществ, как белки и нуклеиновые кислоты. В принципе, однако, возможно существование жизни на другой химической основе, отличной от той, на которой построены живые организмы Земли. Поэтому в последние годы появились определения жизни, связанные с важнейшим, пожалуй, ее критерием – способностью живых организмов к получению, сохранению и передаче информации.

49.

С позиций сегодняшнего дня биология представляет собой совокупность наук о живой природе, т. е. обо всём многообразии существующих и существовавших живых организмов, их происхождении, строении, развитии и распространении, связях между собой и с неживой природой. Биология изучает как общие, так и частные закономерности многочисленных проявлений жизни в природе. Поэтому структура биологии может рассматриваться с различных точек зрения.

В зависимости от объектов исследования биология подразделяется на ботанику, зоологию, антропологию, вирусологию, бактериологию, палеонтологию, имеющие каждая свои разделы и подразделы.

В соответствии с уровнем организации живых объектов биология может быть разграничена на анатомию (изучение макроскопического строения животных), гистологию (исследование строения живых тканей), цитологию (изучение строения клеток живых организмов), молекулярную биологию (исследование молекулярного строения живой материи).

По проявлениям свойств живой материи в биологии выделяют: морфологию (науку о строении живых организмов), физиологию (науку о функционировании организмов), микробиологию (изучающую микроструктуру живого), генетику (исследующую механизмы наследственности и изменчивости), экологию (изучающую условия существования живых организмов и их взаимодействие с окружающей средой).

В биологии существуют, возникают и развиваются также направления, отражающие стремление к целостному (синтетическому) познанию живой природы. К таким направлениям относятся систематика растений и животных, эволюционное учение, учение о биосфере.

Биология исторически сложилась как описательная наука и во многом остается таковой и сегодня, обогатившись достижениями эволюционного учения и молекулярной биологии. Соответственно, в истории развития биологии можно выделить три основных этапа:

• этап систематики, связанный с именем выдающегося шведского естествоиспытателя Карла Линнея;

• эволюционный этап, основоположником которого является английский естествоиспытатель Чарльз Роберт Дарвин;

• этап проникновения в биологию микромира, пионером которого был австрийский биолог Грегор Иоганн Мендель.

47.

Развитие общей теории химической эволюции и биогенеза приводит к выводу о том, что в основе химической эволюции лежит саморазвитие каталитических систем, т. е. именно катализаторы являются основными эволюционирующими структурами. Можно говорить о естественном отборе в ходе химических реакций наиболее активных каталитических центров. Что же касается каталитических центров, активность которых уменьшается, то они выключаются из процесса, как не приспособленные для «выживания». По мере того, как отобранные катализаторы многократно видоизменяются, переходя на всё более высокие уровни организации, эволюционирует и сама химическая реакция. Это обусловлено, с одной стороны, изменением состава и структуры катализатора, с другой – вызванным этим изменением разветвлением реакции, сопровождающимся появлением новых и продолжением саморазвития прежних катализаторов.

Источником необходимой для самоорганизации и самоусложнения энергии, поддерживающей неравновесное состояние системы, является сама базисная химическая реакция, поэтому преимущество при отборе получают каталитические системы, развивающиеся на основе реакций с максимальным выделением энергии.

Достижения эволюционной химии дают материал для выдвижения в достаточной степени обоснованных гипотез как об основных направлениях предбиологической (химической) эволюции, так и о механизме уникального качественного скачка, положившего начало биологической эволюции. То сочетание условий, которое сложилось на Земле к этому моменту, в полном объеме воспроизвести невозможно. Ясно, однако, что на протяжении более чем 3 млрд. лет живое порождается только живым. Проникновение в глубину живой материи показывает ее чрезвычайную сложность и удивительную целесообразность на любом структурном уровне. Познавая эту сложность, наука нащупывает тропинку к тому единственному и неповторимому событию в истории нашей планеты, когда необходимые для возникновения жизни условия обрели признак достаточности.

46.

Эволюционная химия широко использует понятие самоорганизации, означающей восходящую упорядоченность систем живой материи, включая образование предбиологических, т. е. переходных, систем.

Оказывается, что подобная тенденция проявляется и в составе живых организмов, более 97% общей массы которых составляют всего шесть элементов, называемых органогенами: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Как видим, за исключением кислорода, здесь фигурируют совсем другие элементы.

Итак, органогенами оказались отнюдь не те элементы, запасы которых в природе были велики, принцип отбора состоял в другом. Прежде всего, для самоорганизации органических соединений потребовались элементы, способные к образованию прочных и, следовательно, энергоемких связей с другими элементами, причем связей лабильных, т. е. подвижных, способных к перестройке. Такой лабильностью обладает углерод. Атомы углерода способны выполнять роли и акцептора, и донора электронов, образовывать как ионные, так и ковалентные связи, причем эти связи могут быть как одноэлектронные, так и с задействованием двух, трех, четырех и шести электронов. Высокой лабильностью отличаются также такие органогены, как азот, фосфор и сера. Что же касается кислорода и водорода, то им отведена роль элементов, выполняющих противоположные функции – окисления и восстановления.

Подобный отбор происходил в процессе эволюции и в отношении химических соединений. В результате лишь несколько сотен из миллионов органических соединений входят в состав живой материи, а из более чем 150 известных аминокислот лишь 20 служат мономерными звеньями, из которых построены всё белки. А ведь только в организме человека содержится более миллиона различных белков. Можно только поражаться тому, какое разнообразие живой материи возникло из минимума элементов и соединений.

Данные, которыми располагает современная биохимия, свидетельствуют о том, что принцип отбора «строительного материала» в ходе химической эволюции состоял в поддержании химической деятельности тех соединений, которые проявляли себя активными и селективными катализаторами, обеспечивая при этом упорядочение в расположении фрагментов органических структур. Считается, что, начиная с определенного состояния, при котором уже существовало определенное «стартовое» количество как неорганических, так и органических соединений, роль катализа в предбиологической эволюции необычайно возросла. Начались естественный отбор и сохранение активных соединений, которые получались различными химическими путями и обладали широким спектром каталитических возможностей.

45.

. В современной химии активно развивается самое, пожалуй, перспективное направление – эволюционная химия, изучающая процессы самопроизвольного синтеза новых соединений, являющихся более высокоорганизованными, чем исходные продукты. По сути, речь идет об овладении каталитическим опытом природы в целях его использования в химическом производстве.

Изучение химических процессов жизнедеятельности берет свое начало с исследования процессов брожения. Эти исследования составляют предмет ферментологии. Ее основоположником является французский ученый Луи Пастер. Заслуга Л. Пастера состоит в развитии биологической концепции биокатализа – в отличие от химической концепции, которой придерживались представители традиционной химической науки. Прямые наблюдения деятельности молочнокислых бактерий позволили Л. Пастеру выявить способность этих микроорганизмов пополнять запасы необходимой им энергии в процессе брожения. Результатом исследований Л. Пастера стал вывод об исключительной специфике материальной организации ферментов, определяющей принципиальное отличие живой материи от неживой. Это отличие проявляется не только на уровне такой структурной единицы, как клетка, но и на молекулярном уровне. Именно на молекулярном уровне лежат существенные различия механизмов действия катализаторов и ферментов, образования полимеров и биополимеров, структуру которых определяет, как теперь известно, генетический код. Общий же вывод состоит в том, что определенные химические процессы, характерные для живых систем, не происходят в неживой материи.

Возникновение и развитие эволюционной химии связано в первую очередь с исследованиями в области моделирования биокатализаторов. В процессе этих исследований удалось путем искусственного отбора соответствующих структур смоделировать многие биокатализаторы – ферменты. Однако полученные модели отличаются от своих живых оригиналов тем, что они в ходе реакции достаточно быстро разрушаются. Речь идет о ре акциях, используемых в технической биохимии, т. е. в отраслях промышленности, связанных с производством пищевых продуктов. Сегодня благодаря успехам микробиологии стало возможным получение ферментов существенно более дешевых, чем ферменты животного и растительного происхождения.

Главной же задачей познавательного плана для эволюционной химии, безусловно, является овладение каталитическим механизмом живой природы, познание процессов образования ферментов, клеток и, наконец, живого организма.

44.

Управление химическими процессами составляет одну из основных научных проблем в этой области знаний. Дело в том, что большинство химических реакций развивается стихийно, и поэтому они трудноуправляемы. В частности, некоторые из них протекают неоднозначным образом, реализуя тот или иной вариант развития процесса и создавая при этом множество побочных продуктов. Другие, например реакции горения и взрыва, невозможно или очень трудно остановить. Наконец, определенные в принципе возможные реакции пока не удается осуществить.

Для многих химических реакций характерна обратимость, т. е. они могут протекать в обратном направлении с образованием исходных продуктов.

Во многих случаях требуемый результат достигается применением термодинамических методов, т. е. проведением реакций при повышенных температуре, давлении и концентрации реагирующих веществ.

Термодинамические методы в основном позволяют управлять направленностью химических реакций, однако важно также иметь возможность регулировать скорость протекания реакций. Управление скоростью химических реакций составляет предмет химической кинетики, изучающей зависимость протекания химических процессов от всей совокупности факторов, связанных с реализацией этих процессов. Речь идет о таких факторах, как природа реагентов и их чистота, присутствие катализаторов, растворителей и других добавок, материала и конструкции химического реактора и ряд других.

В частности, существенную роль при протекании химических реакций играют растворители: в одних случаях они запускают реакцию, которая без них просто не начинается, в других – ускоряют ее, т. е. выполняют функцию катализаторов, в третьих – замедляют ход реакции, т. е. являются ингибиторами.

Явление катализа послужило основой для возникновения целой отрасли химии, оно широко используется в химическом производстве, обеспечивая его высокую эффективность. Такое современное направление практической химии, как тонкий органический синтез, немыслимо без применения катализаторов. Речь, таким образом, идет о роли катализа в создании новых материалов, в том числе не встречающихся в природе. Но самую важную роль отвела катализу природа в проявлении феномена возникновения и эволюции живой материи, которые в принципе невозможны без участия особого рода катализаторов – ферментов.

43.

Одна из основных задач химической науки со времени ее зарождения состояла в развитии учения о химическом составе веществ. Носителем химических свойств вещества, как известно, является молекула. С открытием строения атомов ответ на вопрос о природе их связи в молекулах (химической связи) получил исчерпывающее объяснение.

Согласно современным представлениям, возможность образования молекул объясняется тем, что внутренняя энергия молекулы как системы атомов ниже суммарной энергии этих атомов в изолированном состоянии. Химические связи в молекулах осуществляются посредством электромагнитного взаимодействия электронов и ядер, входящих в молекулы атомов. Наиболее распространены молекулы, в которых реализуются ковалентные и ионные химические связи.

Ковалентная связь образуется при так называемом обобществлении электронов двумя соседними атомами, т. е. за счет совместного использования части электронов (обычно электронных пар). Существенно, что ковалентная связь возникает при сближении атомов с антипараллельными спинами. При этом происходит деформация электронных оболочек атомов и их взаимное перекрытие по линии, соединяющей ядра. На определенном расстоянии между ядрами силы притяжения и отталкивания уравновешиваются, внутренняя энергия принимает минимальное значение и образуется устойчивая система.

Ионная связь обеспечивается электростатическим взаимодействием атомов в ситуации, когда валентный электрон одного из них переходит к другому, т. е. при образовании положительного и отрицательного ионов. Ковалентная и ионная связи являются предельными случаями, как правило же реализуются смешанные химические связи – частично ковалентные, частично ионные. Типичный пример преимущественно ковалентной связи представляет собой молекула кислорода. Пример молекулы с преимущественно ионной связью – молекула поваренной соли (NaCl).

К химическим связям относят также металлическую и донорно-акцепторную связь. Первая из них характерна для веществ, обладающих металлическими свойствами, и обусловлена высокой концентрацией в кристаллической решетке металлов электронов проводимости. Донорно-акцепторная (координационная) связь отличается от ковалентной лишь механизмом образования. Она возникает между атомами и молекулами, обычно не имеющими неспаренных электронов. Один из атомов при этом является донором (от лат. donare – «дарить») пары электронов, другой – акцептором (от лат. acceptor – «принимающий»), способным принимать электроны. Донор имеет свободную неподеленную пару электронов, которая при образовании донорно-акцепторной связи становится общей. После своего возникновения донорно-акцепторная связь практически не отличается от ковалентной.

Внутренняя энергия молекулы вещества является ее важнейшей характеристикой, определяющей ее состояние и свойства. Поскольку молекула – это квантовая система, ее внутренняя энергия квантуется, т. е. принимает определенные дискретные значения. Приближенно внутренняя энергия молекулы равна сумме энергий движения электронов, колебаний ядер атомов и вращения молекулы как целого. Каждая из этих энергий квантуется согласно законам квантовой механики, чему соответствует набор дискретных уровней энергии – электронных, колебательных и вращательных. Состояние молекулы вещества как квантовой системы описывается уравнением Шрёдингера, решение которого, т. е. нахождение уровней энергии, составляет одну из основных задач квантовой химии.

Состав и структура веществ (читай – их молекул) в совокупности с внешними условиями определяют характер химических и физико-химических процессов, в которых они участвуют. Иными словами, способность различных химических реагентов к взаимодействию зависит от их атомно-молекулярной структуры и условий, в которых протекают химические реакции.

Современная химическая наука активно использует физические знания. Учения о химическом составе и химических процессах сложились во многом под влиянием физических концепций, в том числе концепций квантовой механики. Так, физическая химия объясняет химические процессы и устанавливает их закономерности на основе общих принципов физики, в частности учения о строении атомов, ионов и молекул. Возникшая на стыке химии и таких разделов физики, как атомная физика и квантовая механика, химическая физика основана на использовании физических методов исследования. При изучении механизмов химических реакций широко применяются такие традиционные для физики методы, как спектральный анализ, электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ и др. Один из основоположников химической физики Н. Н. Семенов рассматривал химические процессы как связующее звено между объектами физики и биологии.

42.

Но, строго говоря, открытие Д. И. Менделеева было обобщением эмпирического характера. Наука еще не располагала сведениями о составе атомного ядра и распределении электронов в атомах. С появлением этих данных периодический закон получил необходимое уточнение: физические и химические свойства элементов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины электрического заряда ядра.

Действительно, постоянной величиной для атома химического элемента является количество протонов Z, определяющее заряд его ядра. Число же нейтронов A, определяющее, вкупе с количеством протонов, массу ядра, у изотопов химического элемента разное. Изотопы (от греч. ισος – «одинаковый» и τοπος – «место») – это разновидности одного и того же элемента, различающиеся по массе ядер. Имея одинаковое строение электронных оболочек, а следовательно, и очень близкие химические свойства, они занимают в периодической системе элементов одно и то же место. Отметим, что, в отличие от массового числа N, являющегося целым, атомная масса – дробная величина. Дело в том, что природные элементы состоят из смеси изотопов, поэтому за атомную массу элемента принято среднее ее значение для изотопов с учетом их процентного содержания. Эти средние значения и фигурируют в периодической системе у всех элементов за исключением трансурановых, для которых указывается массовое число.

Существование изотопов (вначале нестабильных) было обнаружено в начале ХХ в. при изучении свойств радиоактивных элементов. Несколько позднее были открыты стабильные изотопы. В настоящее время известно около 280 стабильных изотопов у 83 природных элементов (у элементов с Z > 83, т. е. идущих в периодической таблице за висмутом, стабильные изотопы не встречаются) и более 2000 радиоактивных изотопов, принадлежащих 107 природным и искусственно синтезированным элементам. Таким образом, только открытие структуры ядра позволило достоверно объяснить причины различия и сходства свойств химических элементов. Что же касается периодического повторения свойств элементов, то его позволяет объяснить принцип запрета Паули (см. модуль 1), определяющий порядок заполнения электронных оболочек. Оказалось, что близкими свойствами обладают элементы, у которых на верхнем заполняемом уровне находится одинаковое количество электронов.

Общеизвестно, что периодическая система Д. И. Менделеева получила широкое признание после того, как были найдены некоторые из предсказанных им элементов (для которых в таблице были оставлены незаполненные клетки). К 30-м гг. ХХ в. таблица заканчивалась уже элементом с Z = 92 – ураном. Последующие элементы открывались путем физического синтеза атомных ядер. Все они очень неустойчивы, и эта особенность будет характерна также для элементов, которым еще предстоит быть синтезированными.

41.

Число малых планет – около 40 тысяч. Число комет – около 100 миллиардов. Космическая пыль и метеоры заполняют всё пространство, контролируемое гравитацией Солнца, но наибольшая концентрация этого вещества наблюдается внутри орбиты Земли. Возраст Солнечной системы – 5 млрд. лет.

Уже небольшой перечень параметров планет указывает на существование как минимум двух различных групп планет: планет земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планет-гигантов (Юпитер, Сатурн Уран, Нептун). Вне этих групп оказывается планета Плутон, имеющая характеристики, выпадающие за диапазоны параметров и первой и второй групп. Все планеты вращаются вокруг Солнца в одну сторону (против часовой стрелки, если смотреть со стороны Полярной звезды) и это движение происходит практически в одной плоскости. Значительные отклонения от этой общей плоскости, которая называется еще плоскостью Лапласа, наблюдаются лишь у Меркурия и Плутона. Все планеты (за исключением Венеры и Урана) имеют и вращение вокруг собственной оси, но в том же направлении, в котором они вращаются вокруг Солнца.

Общая структура Солнечной системы была открыта в середине XVI в. польским астрономом Николаем Коперником (1473 – 1543). В начале XVII в. И. Кеплер открыл основные законы небесной механики, а в конце века И. Ньютон, сформулировав закон всемирного тяготения, практически завершил формирование классической теории движения планет и иных космических тел. С тех пор и по настоящее время уточнялись различные теории формирования Солнечной системы и ее эволюции – по мере накопления новых знаний о ней и возникновения более совершенных теорий.

Наиболее известны следующие гипотезы, уточнявшиеся или отклоненные в ходе дальнейшего развития науки (в хронологическом порядке):

– «ударная» гипотеза (1750) Жана Луи Леклерка – планеты сформировались из вещества, выброшенного из недр Солнца в результате удара в него крупной кометы; это вещество в дальнейшем охлаждалось, сконцентрировавшись в планеты на определенных орбитах или в кольцах астероидного пояса;

– «небулярная» гипотеза (1754) Иммануила Канта – создание Солнца и планет из облака космической пыли в результате действия сил притяжения;

– «гипотеза протозвезды» (1796) Пьера Симона Лапласа, согласно которой протозвезда радиуса более радиуса орбиты Юпитера сжимается под действием гравитационных сил, но по мере сжатия возрастает скорость вращения звезды и от области экватора отрывается газовое кольцо, из которого и формируется планета со спутниками; затем отрывается следующее кольцо и т. д.;

– катастрофические гипотезы (основанные на теории гравитационной неустойчивости);

– гипотеза «Солнце – двойная звезда» (1935) Генри Рессела. Согласно этой гипотезе звезда-спутник, находившаяся первоначально в районе орбит Урана или Нептуна, должна была быть отброшена за пределы Солнечной системы, оставив сгустки вещества, из которых и сформировались затем планеты. В этой гипотезе находили ответ на вопрос, почему момент Солнца в 29 раз меньше момента планет Солнечной системы;

– гипотеза о том, что громадный момент количества движения планет приобретен в результате движения Солнечной системы в Галактике (1940) О. Ю. Шмидта;

– гипотеза «внутренней активности» Солнца как основного фактора формирования планет (1960) В. Г. Фесенкова: переход от одного к другому типу реакций энерговыделения вызывает сброс массы вещества и момента количества движения звезды, что и объясняет выброс материи и формирование планет.

40.

Если попытаться предположить, как выглядит наша Галактика, то упрощенно ее можно представить себе в виде диска или сильно уплощенного эллипсоида вращения с ядром в центре и гигантскими спиралевидными ветвями, в которых содержатся наиболее яркие и горячие звезды, а также масссивные газовые облака. Диаметр нашей Галактики, которую мы называем Млечным Путем, до того велик, что, двигаясь со скоростью света (около 300 000 км/с), пересечь ее можно только за 100 000 лет! Это соответствует расстоянию в 10¹⁸ километров. При огромном количестве звезд в Галактике среднее расстояние между ними составляет около 6 световых лет, или 60 трлн. км.

Масштабы Метагалактики столь велики, что такое гигантское образование, как галактика, является далеко не самой крупной ее структурной единицей. Галактики расположены в виде определенных групп, называемых скоплениями галактик. Наш Млечный Путь является частью небольшого скопления, состоящего примерно из 20 галактик. Вместе с Туманностью Андромеды он образует так называемую Местную группу галактик, имеющую протяженность порядка 100 тыс. парсек. Существуют, однако, гораздо более крупные скопления, содержащие сотни и тысячи галактик. Расстояние до ближайшего такого скопления составляет около 20 млн. парсек, а его диаметр превышает 6 млн. парсек. По данным внегалактической астрономии, предполагается существование сверхскопления галактик, в котором насчитывается примерно 10 тыс. галактик. Его размеры оцениваются в 50 млн. парсек.

Для человека, являющегося существом макромира и способного свободно представлять себе только размеры, характерные для макромира, масштабы Метагалактики находятся за пределами адекватного восприятия: мы понимаем, что речь идет о фантастически огромных размерах и расстояниях, но не можем их наглядно ни с чем привычным сопоставить. При этом не следует забывать, что Метагалактика – это только наблюдаемая современными астрономическими средствами часть Вселенной, и в принципе возможно существование еще множества скоплений и сверхскоплений галактик. Тем не менее, данные о строении Метагалактики свидетельствуют о ее сложной, многоуровневой структуре, развивающейся в пространстве и во времени. Структурность, системность устройства Вселенной, таким образом, прослеживается на всех уровнях, от сверхскоплений галактик до атомного ядра.

35.

После завершения рекомбинации возникла так называемая водородно-гелиевая Вселенная. Она содержала смесь трех почти не взаимодействовавших структур: барионного вещества (атомы водорода и гелия), лептонов (нейтрино и антинейтрино) и фотонов (реликтовое излучение). Таким образом, за стадией рекомбинации последовал период структурной организации Вселенной. Согласно «горячей» модели, галактики образовались из гигантских газовых облаков, в которых происходило интенсивное движение потоков вещества, в том числе со сверхзвуковыми скоростями. Сталкиваясь, эти потоки создавали ударные волны (скачки уплотнения). Кроме того, ударные волны возникали в результате мощных электрических разрядов. При взаимодействии с ударными волнами газовые потоки приобретали вихревой характер, что в конечном итоге определило спиралевидную структуру большинства образовавшихся галактик. Такой газодинамический механизм вихреобразования позволяет объяснить феномен формирования спиралевидных структур, а проведенные на его основе расчеты скорости вращения захваченного вихрем вещества хорошо согласуются с наблюдаемыми скоростями вращения спиральных галактик вокруг своих центров масс, которые имеют порядок 100 км/с.

Наряду с гравитационными силами и газодинамическими процессами в формировании крупномасштабных структур участвовали также электромагнитные и магнитогидродинамические процессы. Поэтому речь следует вести о комбинированном воздействии всех этих факторов. Образовавшиеся локальные области протогалактик с повышенной плотностью вещества под действием своего гравитационного поля продолжали сжиматься, теряя при этом энергию. В центре области формировалось уплотненное ядро, состоящее из водорода и гелия. Продолжающееся возрастание плотности и температуры в нем приводило к ионизации атомов и возникновению условий для протекания термоядерных реакций.

Этот процесс, начавшийся примерно через 500 миллионов лет после «Большого взрыва», продолжался около 100 миллионов лет. Затем последовал этап образования звезд следующего поколения, длившийся около миллиарда лет.

33.

Современная космология представляет собой учение о Вселенной как едином целом и о Метагалактике (всей охваченной астрономическими и астрофизическими наблюдениями области Вселенной) как части целого. Согласно основному философскому постулату космологии считается, что законы природы, установленные при изучении весьма ограниченной области Вселенной (как правило, вблизи нашей планеты), могут быть распространены (экстраполированы) на области значительно большие и в конечном счете – на всю Вселенную.

Возникновение современной космологии непосредственно связано с разработкой А. Эйнштейном общей теории относительности (релятивистской теории тяготения), а также с зарождением внегалактической астрономии, которое относится к 20-м гг. нашего столетия. Естественно, что релятивистская космология началась с модели стационарной Вселенной, разработанной самим А. Эйнштейном. Отбросив ньютоновские постулаты об абсолютности пространства и времени, он ввел новые, согласно которым мировое пространство однородно и изотропно, материя в нем распределена в среднем равномерно, а гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием, что обеспечивает стационарность Вселенной. Положения об однородности и изотропности Вселенной в наши дни часто называют космологическим постулатом.

Вскоре, однако, российский математик А. А. Фридман теоретически показал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной. Отказавшись от постулата о стационарности Вселенной, он предложил решение проблемы, которое остается общепринятым и в наше время. Работы А. А. Фридмана датируются 1922–1924 гг., а уже в 1929 г. принципиально новые результаты его исследований получили подтверждение благодаря открытию американским астрономом Эдвином Хабблом космологического красного смещения (эффекта «разбегания» галактик). Подробнее влияние этого открытия на развитие космологии будет рассмотрено ниже.

По современным данным, средняя плотность материи во Вселенной меньше критической, однако не исключено, что определенная часть материи, существенная для величины этой плотности, остается необнаруженной. Речь идет о так называемом скрытом (невидимом) веществе, а также о возможной плотности нейтрино (если масса нейтрино не является нулевой). Гипотеза о наличии скрытого вещества выдвинута для объяснения того факта, что галактики не расширяются, хотя гравитационного поля, создаваемого видимым веществом, для этого явно недостаточно. В принципе допускается, что суммарная плотность может быть на два порядка больше средней плотности звездного вещества. Поэтому пока нельзя отдать предпочтение ни одной из двух возможных моделей Вселенной.

Эта неопределенность, однако, никоим образом не сказывается на характере «поведения» Вселенной, продолжающей расширяться. Она влияет на точность определения возраста Вселенной, о котором можно судить по длительности ее расширения. Последнее, согласно обеим моделям, идет с замедлением, но не одинаковым, что, естественно, приводит к различным оценкам времени, истекшего с момента начала расширения.

Позволяя судить об общем характере эволюции Вселенной, рассмотренные модели оставляют открытым вопрос о характеристиках ее начального состояния. Задание этих характеристик представляет собой независимое положение релятивистской космологии. В конце 40-х гг. известный американский физик русского происхождения Джордж (Георгий) Гамов выдвинул гипотезу «горячей» Вселенной, которая с 60-х гг. стала общепринятой и называется теперь стандартной моделью Вселенной. В ней основное внимание уделяется физическим процессам, идущим на разных этапах расширения Вселенной, в том числе на самой ранней, наиболее необычной стадии. Благодаря существенному прогрессу в области физики элементарных частиц и атомного ядра общие физические законы надежно проверены при ядерных плотностях, составляющих ~10¹⁴ г/см³. Такую плотность Вселенная имеет спустя 10^–4 с после начала расширения, которое получило название «Большой взрыв». Следовательно, физические свойства эволюционирующей Вселенной поддаются изучению начиная с этого момента.

21.

1905г., Эйнштейн сформулировал более точную теорию механики быстродвижущихся тел - специальную теорию относительности.

Специальная теория относительности (СТО) применима для тел, движущихся со скоростью, близкой к скорости света в вакууме Исходными для построения теории относительности являются два закона природы, получившие подтверждение в самых различных явлениях движения. Эти законы были сформулированы Эйнштейном в следующем виде: “Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к которой из двух координатных систем, находящихся относительно друг друга в равномерном поступательном движении, эти изменения состояния относятся”. “Каждый луч света движется в “покоящейся” системе координат с определенной скоростью, независимо от того, испускается этот луч света покоящимся или движущимся телом”. Первый закон распространяет закон эквивалентности инерциальных систем(закон относительности классической механики Галилея - Ньютон) на широкий класс физических явлений. Второй закон устанавливает постоянство скорости света независимо от скорости движения источника света.(1) Второй закон кажется наиболее парадоксальным. В самом деле, при изучении движения тел со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света, мы убеждаемся и теоретически, и экспериментально, что скорость тела относительно неподвижной системы координат зависит от движения “платформы”, с которой бросание тела производится. Так мяч, брошенный в направлении движения поезда, будет иметь по отношению к Земле большую скорость, нежели мяч, брошенный с неподвижного поезда. Для случая прямолинейного движения результирующая скорость будет равна алгебраической сумме слагаемых скоростей. 

23.

Впервые теории о природе света как корпускулярной, так и волновой — появились в середине 17 века. Согласно корпускулярной теории (теории истечения) свет представляет собой поток частиц (корпускул), которые испускаются источником света. Они (частицы) движутся в пространстве и взаимодействуют с веществом по законам механики. Данная теория хорошо объясняла законы прямолинейного распространения света, его отражения и преломления. Основоположником этой теории является Ньютон.

Французский ученый Луи де Бройль (1892—1987), осознавая существующую в природе симметрию и развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в1923 году гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами.

Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики — энергия E и импульс p, а с другой стороны — волновые характеристики — частота идлина волны.

Так как дифракционная картина исследовалась для потока электронов, то необходимо было доказать, что волновые свойства присущи каждому электрону в отдельности. Это удалось экспериментальноподтвердить в 1948 году советскому физику В. А. Фабриканту. Он показал, что даже в случае столь слабого электронного пучка, когда каждый электрон проходит через прибор независимо от других, возникающая при длительной экспозиции дифракционная картина не отличается от дифракционных картин, получаемых при короткой экспозиции для потоков электронов в десятки миллионов раз более интенсивных.

Следующую трактовку корпускулярно-волнового дуализма дал физик В. А. Фок (1898—1974)^[2]:

Можно сказать, что для атомного объекта существует потенциальная возможность проявлять себя, в зависимости от внешних условий, либо как волна, либо как частица, либо промежуточным образом. Именно в этой потенциальной возможности различных проявлений свойств, присущих микрообъекту, и состоит дуализм волна — частица. Всякое иное, более буквальное, понимание этого дуализма в виде какой-нибудь модели неправильно

Корпускулярно-волновая двойственность света

Такие явления, как интерференция и дифракция света, убедительно свидетельствуют о волновой природе света. В то же время закономерности равновесного теплового излучения, фотоэффекта и эффекта Комптона можно успешно истолковать с классической точки зрения только на основе представлений о свете, как о потоке дискретных фотонов. Однако волновой и корпускулярный способы описания света не противоречат, а взаимно дополняют друг друга, так как свет одновременно обладает и волновыми и корпускулярными свойствами.

Волновые свойства света играют определяющую роль в закономерностях его интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные — в процессах взаимодействия света с веществом. Чем больше длина волны света, тем меньше импульс и энергия фотона и тем труднее обнаружить корпускулярные свойства света. Например, внешний фотоэффект происходит только при энергиях фотонов, больших или равных работе выхода электрона из вещества. Чем меньше длина волны электромагнитного излучения, тем больше энергия и импульс фотонов и тем труднее обнаружить волновые свойства этого излучения. Например, рентгеновское излучение дифрагирует только на очень «тонкой» дифракционной решетке — кристаллической решетке твердого тела.

24.

Одной из первых моделей строения атома явилась модель английского физика Джозефа Томсона, предложенная им в 30е гг. 19 века, – так называемый «пудинг с изюмом»: атом представляет собой сферу положительного электричества с вкрапленными электронами.

Для проверки этой модели в 1899-1911 гг. английский физик Эрнест Резерфорд провел опытные исследования и сформулировал планетарную (ядерную) теорию строения атома. Согласно этой модели, в центре атома находится очень маленькое ядро, размеры которого приблизительно в 100’000 раз меньше размеров самого атома. В ядре сосредоточена практически вся масса атома. Оно имеет положительный заряд. Вокруг ядра движутся электроны, заряженные отрицательно. Их число определяется зарядом ядра.

Однако такая модель имела свои недостатки:

1) Резерфорд не смог объяснить устойчивости атома. Двигаясь вокруг ядра, электрон расходует энергию и в какой-то момент, израсходовав ее всю, он должен остановиться – упасть на ядро, что равносильно гибели атома. Но на самом деле атомы – структуры довольно стабильные.

2) Резерфорд не смог объяснить линейный характер атомных спектров. Согласно его модели, электрон должен излучать энергию постоянно и поэтому атомный спектр должен быть сплошным, но экспериментальные данные доказывали обратное: спектр не сплошной, а прерывистый. Это означает, что электрон излучает энергию порциями.

Свою теорию строения атома, основанную на планетарной модели и квантовой теории, в 1913 году предложил датский физик Нильс Бор. Основные положения он сформулировал в виде постулатов:

I. Электрон может вращаться вокруг ядра по определенным, стационарным круговым орбиталям.

II. Двигаясь по стационарной орбите, электрон не излучает энергию.  

III. Излучение электромагнитной энергии (либо ее поглощение) происходит при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую.  

Но и эта модель не явилась совершенством, в ней также присутствовали противоречия. «Спасти» теорию Бора пытались многие ученые.

В 1932 году Иваненко предложил протонно-нейтронную модель ядра. Эту теорию развил Гейзенберг. Эта модель строения атома существует до сих пор, сочетает в себе все предыдущие модели и «исправляет» их недостатки. Суть теории в том, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. В совокупности они называются нуклоны. Число протонов в ядре («+» заряд) характеризует его заряд. Количество электронов («-» заряд), движущихся вокруг ядра, соответствует количеству протонов в нем. Электроны движутся по определенным атомным орбиталям, которые могут существовать в различных формах. При переходе с орбитали на орбиталь испускается или поглощается электромагнитная энергия.

26.

Всю квантовую механику можно вывести исходя из 3 простых принципов: 1. Принцип относительности измерений. Результат измерения физической величины зависит от процесса измерения. Т.е. на языке операторов наблюдаемая физическая величина - это собственное значение оператора соответсвующей физ. величины. 2. Принцип неопределенности Гейзенберга. Координаты и импульс невозможно точно измерить одновременно.  3. Константа, определяющая связь классических и квантовых скобок Пуассона равна i/h, где i - мнимая единица, h - циклическая постоянна Планка. Этот принцип экспериментальный, т.к. значение h может быть получено путем сравнения собственных значений оператора энергии на соответсвующих уровнях.

27.

Принцип неопределенности Гейзенберга заключается в том, что в 1926 г. В.Гейзенберг разрабатывает свой вариант квантовой теории в виде матричной механики, отталкиваясь при этом от принципа соответствия. Столкнувшись с тем, что при переходе от классической точки зрения к квантовой нужно разложить все физические величины и свести их к набору отдельных элементов, соответствующих различным возможным переходам квантового атома, он пришел к тому, чтобы каждую физическую характеристику квантовой системы представлять таблицей чисел (матрицей). 

В своем принципе неопределенности Гейзенберг строил матричную теорию, все величины которой должны описывать лишь наблюдаемые явления. И хотя наличие в аппарате его теории матриц, изображающих координаты и импульсы электронов в атомах, оставляет сомнение в полном исключении ненаблюдаемых величин, Гейзенберту удалось создать новую квантовую концепцию, составившую новую ступень в развитии квантовой теории.

Суть принципа неопределенности Гейзенберга состоит в замене физических величин, имеющих место в атомной теории, матрицам - таблицам чисел.

Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, в соответствии с которым координаты и импульс не могут одновременно принимать точные значения. Для предсказания положения и скорости частицы важно иметь возможность точно измерять ее положение и скорость. При этом чем точнее измеряется положение частицы (ее координаты), тем менее точными оказываются измерения скорости.