Проблемы современной физики

Самая сложная проблема современной физики - объединение частных теорий, например, теория относительности не включает принцип неопределённости, теория гравитации не входит в теорию трёх взаимодействий, в химии не учитывают строение ядра атома. Проблема объединения есть проблема достижения высоких энергий, так как при высоких энергиях частицы перестают отличаться. До 30-х годов считали, что существуют два типа сил на макро-уровне - гравитационные и электромагнитные, но открыли слабое и сильное-ядерное взаимодействия. Был открьгг мир внутри протона и нейтрона, но этот порог энергий выше, чем в центре звёзд. Будут ли открыты ещё более элеметарные частицы, чем кварки и электроны?

До 1984 года большинство учёных верили в теорию суперсимметрии (супергравитации, суперсилы). Суть её в том, что все частицы (частицы вещества, гравитоны, фотоны, бозоны и глюоны) - разные виды одной "суперчастицы". Эта "суперчастица" или суперсила с понижением энергии предстаёт перед нами в разных ипостасях, как сильное и слабое взаимодействия, как электромагнитная и гравитационная силы (Дэвис 1989, "окинг 1990: 134). Но сегодня в эксперименте ещё не достигли энергий для проверки данной теории (нужен циклотрон размерами с Солнечную систему), проверка же на компьютере заняла бы более четырёх лет ("окинг 1990: 134, Налимов 1993: 16).

В математических моделях теории супергравитации возникает и проблема бесконечностей. В уравнениях, описывающих поведение микрочастиц, получаются бесконечные числа. Есть и другой аспект данной проблемы - старые философские вопросы: конечен или бесконечен мир в пространстве и времени? Вселенная взорвалась из сингулярности планковских размеров, куда она расширялась и расширяется? В 80-х годах становится популярной струнная теория. Микрочастицы это не точечные объекты, а тонкие кусочки струны, определяемые длиной и открытостью. Частицы - волны, бегущие по струнам, как волны по верёвке. Испускание частицы - соединение, поглощение частицы-переносчика - разъединение. Солнце действует на Землю через гравитон, бегущий по струне ("окинг 1990: 134-137).

В струнных теориях тоже сохраняются бесконечности, но возникает проблема многомерности пространства-времени, например, электрон - это малая вибрирующая струна планковской длины в шестимерном и даже в 27-мерном пространстве. Если есть иные меры, то почему развернулись только 3-пространственые и одна временная меры? Существуют ли параллельные Вселенные, неодномерные нам? Наконец могут ли существовать иные неодномерные для нас формы разума?

Проблема наблюдателя, возрождение идей панпсихизма, невозможность разделить субъект и объект в квантовой механике, антропный принцип в космологии, гипотезы о слабых формах сознания и космическом сознании, всё это свидетельствует, что и философская проблема сознание-материя становится серьёзной проблемой физики, ускользая из рук философов (Налимов 1993: 36-37, 61-64). Физики пьггаются включить сознание в картину физического мира. В книге П. Дэвиса и Дж. Брауна "Дух в атоме" говорится о роли процесса измерения в квантовой механике. Наблюдение мгновенно изменяет состояние квантовой системы. Изменение ментального состояния экспериментатора вступает в обратную связь с лабораторной аппаратурой и, следовательно, с квантовой системой, изменяя её состояние (цит. по Налимов 1993: 41-42). Включённость сознания в общую связь всего сущего предполагает и бутстрэпная теория. Эта теория отрицает фундаментальные сущности ("кирпичики" материи, константы, законы, уравнения), Вселенная понимается как динамическая сеть взаимосвязанных событий.

В квантовой теории возникает проблема создания языка, наши обычные понятия не могут бьггь применены к строению атома. Математические схемы более однозначно отражают эксперимент (Гейзенберг 1989: 104-117).

Современная физическая картина мира принципиально не завершена. Но самое трудное в науке то, что нет никаких успехов включения человека в единую теорию. После Ньютона и Энштейна у нас нет чегкой формулы мира. Какую роль в мире, который находится в процессе строительства, играют люди? Предопределено ли будущее и можем ли мы играть какую-то роль в формировании мира, если мы часть природы (И. Р. Пригожин)? Возникает потребность в универсальной теории коэволюции человека и природы.

4.8.История космологических представлений В конце "" в. стало ясно, что Вселенная является системой, эволюционирующей от планковских размеров (10" см.) до масштабов 10~' см. или даже больше. Эволюцию Вселенной и изучает космология. История развития космологических представлений включает три этапа: от древнегреческих моделей Космоса до гелиоцентрической модели Н. Коперника, от работ И Кеплера, Г. Галилея, стационарной, механистической картины мира И. Ньютона и статичной, сферичной, конечной Вселенной А. Эйнпггейна до расширяющейся модели Вселенной А. А. Фридмана (1922 г.) и предсказания реликтового излучения Г. Гамовым, от теории Большого взрыва до современных инфляционных моделей (Павленко 1997).

Древнегреческая парадигма Космоса характеризуется (греч. гармония, порядок, красота): гармонией через число (Пифагор), одушевлённостью и подобием живому организму, вечностью (по Гераклиту мир всегда есть, был и будет вечно живым огнём), центризмом (неподвижная Земля в центре у Птолемея, Платона и Аристотеля, у Пифагора в центре - огонь, у Аристарха - Солнце) и бесконечностью (Демокрит).

Нововременная парадигма Вселенной: Н. Коперник (Солнце - центр мира, Вселенная - гармония и разумный порядок, движение небесных тел - вечное и круговое), И. Кеплер (планеты движутся по эллипсам вокруг Солнца), Дж. Бруно (нет центров, небо - безмерное пространство с бесчисленными мирами), Г. Галилей впервые увидел в телескоп миллиарды звёзд, вращение солнечных пятен, кольца Сатурна, спугники Юпи ра, И. Ньютон (Вселенная создана Богом по неизменным законам, число звёзд бесконечно и они равномерно распределены по бесконечному пространству, нет центральной точки, куда бы могли упасть звёзды под действием сил гравитации) (Дэвис 1989: 205).

А. Эйншгейн, под сильным влиянием Ньютона, сохранил стационарность Вселенной в работе "Вопросы космологии и общая теория относительности", 1917г., введя в уравнения силу отталкивания - лямбда-постоянную (в противовес силам притяжения Ньютона) и очень сожалел, когда под напором открытий в космологии теория стационарной Вселенной разрушилась. В 1922 году русский математик А. А. Фридман (1888-1925) в работе "О кривизне пространства" впервые выдвигает гипотезу расширяющейся Вселенной и в науке появляются проблемы сингулярности (точка с бесконечной плотностью, откуда рождается Вселенная), начала и будущего Вселенной (вечное расширение или коллапс). В 1929 году американский астроном Э. "аббл (1899-1953), составляя каталоги расстояний до галактик и изучая их спектры, установил смещение линий в спектрах галактик в направлении к "красному" краю ("красное смещение", проявление "эффекта Доплера"). Открытие "красного смещения" в спектрах галактик Э. "аббла экспериментально подтвердило расширение Вселенной. Величина "красного смещения" прямо пропорциональна расстоянию от нас, следовательно, чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется. В 1947 году американский физик, уроженец России, ученик А. Фридмана Г. Гамов (1904-1968) предсказал: ранняя Вселенная была очень плотной, горячей и раскалённой добела, а поскольку

температура связана со звуком, от "начального взрыва" должно остаться реликтовое излучение. Экспериментально обнаружить реликтовый фон микроволнового радиоизлучения из космоса удалось в 1965 году (А. Пензиас, Р. Вилсон), что означало не только расширение, но и остывание Вселенной. В 1970 году Р. Пенроуз и С. "окинг, исследуя так называемые чёрные дыры (коллапсирующие в сингулярность звёздя), доказали существование сингулярности, "дофизической" формы материи в модели Большого взрыва ("окинг 1990: 75-89).

С конца 70-х разрабатывается перспективное направлен,ие в космологии, реконструирующее квантовое рождение Вселенной посредством флуктуаций вакуума, инфляционная модель Вселенной (С. "окинг, А. Д. Линде, П. Дэвис): эволюция Вселенной приводит к возникновению многих областей, где действует инфляция (расширение). В одних областях расширение уменьшается, в других - квантовая флуктуация влечег за собой рост инфляции, быстрое расширение Вселенной. Мы живём в одной из "долин", где пространство больше не "инфлирует" (Павленко 1997: 183).

4. 9 Космическая эволюция ' Исследованию ранней Вселенной помогают эксперименты с помощью гигантских ускорителей элементарных частиц, где достигают таких энергий, которые были в ранней горячей Вселенной. Данные физики элементарных частиц теоретически экстраполируют в прошлое и строят модели космической эволюции (Вайнберг 1981: 12-15, Силк 1982: 102-146, Гут, Стейнхардт 1984: 56-59, Дэвис 1985: 41-51, 1989: 186-225, "окинг 1990: 103-106, Леще 1990, Новиков 1991). На современных ускорителях элементарных частиц удается в течение очень короткого времени воспроизводить физические условия, существовавшие в столь ранние моменты времени, как 10 'и с после Большого взрыва, когда температура достигала 10мК, а Вселенная была размером с Солнечную систему. Это предел энергии, дос~игнутый в настоящее время в физике. За этим пределом путеводной нитью может служить только теория (Дэвис 1985; 44, 1989: 192).

Уровень элементарности (макромолекулы и кристаллы, молекулы и атомы, ядра и нуклоны, кварки и лепгоны) зависит от уровня энергии. Квантовый характер системы ограничен, порог возбуждения зависит от характера системы, он всегда тем выше, чем меньше пространственные размеры системы. Требуется очень малая энергия, чтобы изменить кванговое состояние большой молекулы, больше энергии необходимо для изменения атома и в тысячу раз больше для изменения атомного ядра. Эгу последовательность условий В. Вайскопф назвал квантовой лестницей. Квантовая лестница позволяет раскрывать структуру Вселенной шаг за шагом (Вайскопф 1977: 42).

Наивысшая ступень - газ из протонов, нейтронов и электронов при исключигельно высокой температуре, когда их кинетическая энергия составляет много миллионов электроновольт. Проблема существования "последней" ступеньки квантовой лестницы не решена (Вайскопф 1977: 52, "окинг 1990: 141-142): возможно, природа неисчерпаема, но может быть это и не так (В. Вайскопф), гравитация может, по-видимому, наложить ограничение на последовательность вложенных одна в другую "матрёшек" (С. "окинг). Движение протонов, нейтронов и электронов носит случайный, хаотический характер. При более низкой температуре меньше миллиона электронвольт, адроны группируются и образуют атомные ядра. Десятки ядер и изотопов представляют собой определённые индивидуальные состояния, но движение ядер и электронов всё ещё случайно и неупорядоченно. При ещё более низкой температуре (как на поверхности Солнца) электроны попадают в упорядоченные квантовые состояния, локализованные вокруг атомных ядер - появляется разнообразный мир химических элементов (атомов). На уровне тысяч градусов Цельсия атомы образуют простые молекулы, ещё более разнообразный мир неорганических химических систем. Дальнейший спуск по лестнице приводит нас в энергетическую область, где молекулы группируются в гигантские цепеобразные "живые" молекулы. Для существования живой материи требуется относительно узкий диапазон температур. Самая низкая ступень - нулевая температура, жизнь замрёт и вся материя образует большой кристалл, в котором разнообразие форм будет сохранено, но заморожено в неактивном состоянии.

Весьма вероятно, чго образование материи во Вселенной шло в соответствии со спуском по квантовой лестнице: от высокой энергии к низкой с добавлением нового качества. Если Большой взрыв имел какое-то отношение к действительности, то некоторые из его ранних фаз могли произойти на самой последней ступени квантовой лестницы (Вайскопф 1977: 43-45, 48-53).

Судя по современной скорости расширения Вселенной, оно началось примерно 15-20 млрд. лет назад (Дэвис 1985: 41). В фазе сверхрасширения, каждые 10 ~~ с все области Вселенной удваивали свои размеры, процесс удвоения продолжался в геометрической прогрессии. Чрезвычайно быстрое и непрерывно ускоряющееся сверхрасширение (инфляция) и есть Большой взрыв. Когда инфляция иссякла, Вселенная стала чрезвычайно горячей (энергия вакуума), состояние вакуума распалось, энергия высвободилась в виде излучения, которое нагрело Вселенную до 10' К (Гут, Стейнхардт 1984, Дэвис 1989: 211-212). В момент Большого взрыва размеры Вселенной были равны по радиусу 10 м~ см, а сама она была бесконечно плотной и горячей, но по мере расширения температура излучения понижалась ("окинг 1990: 103).

Историю ранней Вселенной характеризуют последовательностью эпох (эры Планка и великого объединения, адронная и лептонная, плазменная и современная) (Дэвис 198~: 45). Самая ранняя эпоха Планка продолжалась 10 ~~ с, температура 10~~ К, плотность 10~~ кг!ь~, вероятно, были значительными эффекты квантовой гравитации, флуктуации кривизны пространства-времени (Дэвис 1985: 44, 57-58). До 10 и~ с - эра великого объединения: космос заполнен "супом" из счранных, неведомых нам частиц (однообразные, не имеющие индивидуальных свойств), плотность "супа" 10 вв1ь~, температура 10" К, свет не успел пройти и миллиардную долю поперечника протона. Сверхмассивные "-частицы (двойки тяжёлых кварков) "супа" вызвали ассиметрию вещество-антивещество - (10 +1):10, аннигиляция привела к крошечному остатку вещества и гамма-излучению, реликтовый фон которого сегодня равен 3К (моделирование данной фазы основано на экспериментах и теории великого обьединения) (Дэвис 1989: 196-200).

Следующая адронная эра длится до 10 ~ с. Падение температуры вызывает фазовый переход, напоминающий замерзание воды и образование льда, столь же внезапно (через 10 'н с, Т=10" К, Вселенная сжата до размеров Солнечной системы) обретают индивидуальность кварки и лептоны, их античастицы и фотоны. Симметрия продолжает нарушатся. Сильное взаимодействие спустя 10 ~ с создаёт ещё один фазовый переход: самоорганизуются субьядерные структуры, конгломерат быстро движущихся кварков конденсируется, образуя адроны (протоны, нейтроны, мезоны), объединения кварков попарно или по три (устойчивость субьядерных частиц достигалась за счёт энергии внутренних связей, сильных взаимодействий). Ещё одно нарушение симметрии - разделение электромагнитного и слабого взаимодействий. Аннигиляция приводит к исчезновению античастиц и излучению (лептонная эра, до 1с после инфляции, Т=10м~ К). Пространство заполнено хаотически движущимися протонами и нейтронами (отбор на устойчивость 3-х кварковых частиц), электронами и нейтрино (лептонов во много раз больше) и тепловым излучением. Ранняя Вселенная расширялась очень быстро, через минуту температура упала до 10 К, спустя ещё несколько минут - ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции

 (плазменная эра). Начинается синтез лёгких ядер гелия (два протона и два нейтрона), Избыгок протонов (ядра водорода) привёл к образованию плазмы, состоявшей из 10% ядер гелия и 90% ядер водорода (Дэвис 1985: 41-46, 1989: 186-200).

Далее космическая эволюция временно теряет свой импульс. Примерно 100 тысяч лет после Большого взрыва космическое вещество сохраняло форму разогрегой плазмы из ионизированных водорода и гелия (Дэвис 1989:189). Через 10 лет температура достигает 10 К, образуется атомарньф водород (протон и электрон), вещество разъединяется с излучением. Охлаждение, расширение, падение давления газа вводит в игру гравитацию на макроскопической ветви эволюции. Охлаждающийся газ образовывал сгустки-облака, области повышенной плотности, которые притягивали дополнительное вещество. Сила тяготения увеличивалась, в газовых облаках начинается процесс звёздообразования (Дэвис 1985: 46~7). Именно гравитация отвечает за мезогранулярность Вселенной (планеня и планетные системы, звёзды и звёздные скопления, галактики и скопления галактик). Гравитация обусловила коэволюцию макро- и микрокосма в звёздах. В недрах звезд первого поколения из протонов синтезируется дейтерий (протон и нейтрон, тяжёлый водород) с высвобождением энергии, реакции синтеза превращают дейтерий в гелий, из лёгких ядер образуются тяжёлые (ядра лития, углерода, кислорода). Онтогенез звёзд заканчивается взрывом, выбрасывая в пространство следовые количества элементов, необходимых для образования планет, дальнейшей химической и биологической эволюции. Наш организм состоит из реликтовых осколков давно погасших звёзд (Дэвис 1989: 188-189).

Солнце, звезда второго поколения, также образовалась из облака вращающегося газа, в котором находились осколки более ранних сверхновых. Газ из этого облака пошёл на образование Солнца или был унесён взрывом, но небольшое количество более тяжёлых элементов, собравшись вместе, превратилось в планеты ("окинг 1990: 106). Уникальная совокупность условий, сложившихся более 4-х млрд. лет назад на Земле, положила начало новому этапу эволюции неравновесных процессов (Назаретян 1991: 74).

4.10. Проблемы современной космологии До появления моделей А. А. Фридмана в науке не стояли проблемы возникновения мира. В рамках модели эволюционирующей Вселенной наука должна ответить на вопросы: из чего рождается Вселенная? и почему произошёл Большой взрыв? Если для науки высшим идеалом является эксперимент и теоретическое доказательство, то как научно ответить на вопросы о происхождении мира7 Согласно мифу мир рождается как актуализация воли гипертрофированной силы природы, в религии есть внеприродный творец, для философии - мир рождается как актуализация воли познающего себя разума (Гегель), а в науке?

В науке проблему - чем вызван Большой взрыв? - удаётся решать с помощью исследований вакуума, теорий инфляции и космического бутстрэпа. Вселенная начала своё существование из состояния вакуума, мир рождается как актуализация вакуума. В современной физике вакуум рассматривается как состояние материи, как "фермент" квантовой активности, кишащий виртуальными частицами, сложными взаимодействиями и содержащий гигантскую потенциальную энергию. Вакуум лишён вещества и излучения, но содержит частицы и вещество потенциально, нераспакованно, в возможности. Взорвался вакуум, начал инфлировать самопроизвольно, под действием сил отталкивания, за счёт собственной энергии. Самосоздающаяся Вселенная вытянула сама себя за собственные "шнурки" без помощи внешних факторов (Дэвис 1989: 210-215, Павленко 1997: 206-213).

Вторая группа космологических проблем связана с объяснением удивительных совпадений фундаментальных постоянных как будто ради появления человека во Вселенной. Анализируя физические константы, П. Дирак обнаружил постоянное присутствие величины 10~, например, число нуклонов во Вселенной - 10~~, постоянная "аббла - 10и~, масса звезд ~ - 10~, число протонов в звезде - 10 (Павленко 1997: 236-237). П. Дэвис приводит 9 примеров с числом 40 (Дэвис 1985: 96-97). С другой стороны оказалось, что многие физические свойства и соотношения не выглядят теоретически необходимыми, и с точки зрения современного естествознания Вселенная могла бы обладать другими параметрами. Но если бы масса нейтрино была бы не 5'10 ~' кг, а 5'10 ~, то сила гравитации нейтрино вызвала бы радикальное изменение расширения и уже давно Вселенная начала бы коллапсировать, если бы соотношение количества нейтронов и протонов изменилось на десятую долю процента, то водорода было бы очень мало и не было бы ни воды, ни макромолекул жизни, если бы масса нейтрона была не 1, а 0,9998, то не было бы ни ядер, ни атомов (Дэвис 1985: 98-131). Если бы через секунду после Большого взрыва скорость расширения оказалась хоть на одну сто-тысяча-миллион-миллионную меньше, то произошло бы повторное сжатие Вселенной и она никогда бы не достигла современного состояния ("окинг 1990; 107).

Возникают вопросы: а случайны ли эти совпадения? Вселенная была изначально запрограмированна на возникновение жизни и человека? существуют ли другие формы интеллекта в физической Вселенной? почему существует корреляция мир- наблюдатель? и т. д. В 1973 году Б. Картер на основе совпадений физических постоянных сформулировал антропный космологический принцип: существование разумных существ сильно зависит от счруктуры физического мира, наше существование влечёт за собой строгий отбор типов Вселенной, мы видим Вселенную такой, как она есть потому что, будь она другой, нас бы здесь не было и мы бы не могли ее наблюдать. Есть два варианта объяснения антропного принципа - сильный и слабый. Сильный вариант: эволюция не случайна, а запрограмированна на появление жизни и человека. Слабый вариант: условия, необходимые для возникновения известных нам форм жизни и человека, выполняются только в некоторой области Вселенной. Существуют и иные варианты эволюции в других областях, где либо нет наблюдателей, либо наблюдатели другие. Слабый вариант согласуется инфляционной моделью. Философское осмысление антропного принципа.

Антропный принцип поднимает проблемы иных цивилизаций и будущего Интеллекта в космологических прогнозах. Будет ли Вселенная вечно расширятся или расширение сменится сжатием и коллапсом? Если Вселенная рождается, то должна ли Вселенная умереть? Ограничены ли частицы вещества сроком существования'? Оказалась ли наша планета единственной приоритетной точкой или Земля - одна из множества планет, на которых синхронно начиналась биотическая фаза эволюции? Подавляющему большинству специалистов по космологии человеческое существование видится бессмысленным. Какая бы космологическая модель ни оказалась правильной, ни в одной из них мы не находим утешения. Вселенная развилась из незнакомых начальных условий и ей предстоит угасание в бескрайнем холоде. Чем более постижимой представляется Вселенная, тем более она кажется бессмысленной (Вайнберг 1981: 139-144). Но в пессимистических космологических прогнозах не учитьвается обратное влияние Интеллекта, о чём писали русские космисты (Н. Фёдоров, К. Э. Циолковский).

5. Эволюционная химия и биология 5.1. Неорганическая химическая стадия эволюции

Д. И. Менделеев (1834-1907), определяя химию как науку о химических элементах и их соединениях, к характеристике химии как системы применил принцип неизменности химических элементов в химических реакциях, например, атомная масса водорода всегда равна единице. Основанием химии по Менделееву выступает двуединая проблема - получение веществ с заданными свойствами и выявление способов управления свойствами вещества. Основной вопрос химии: от чего зависят свойства веществ? В зависимости от того, как отвечали на этот вопрос, в истории химии можно выделить четыре периода: учение о составе ("УП в.), структурная химия (с начала "1" в.), учение о химических процессах ("" в.) и эволюционная химия (с 70-х годов, Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 168-177).

Идеи эволюции атомов от водорода и гелия к более тяжёлым атомам, порядка и системности в природе были уже в периодической системе химических элементов Менделеева, но только в 1960-х годах обнаружили случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции и явления самоорганизации химических систем. Эволюционные идеи проникают и в химию. Под эволюционными проблемами химии следует понимать проблемы самопроизвольного синтеза новых, более сложных и более высокоорганизованных химических соединений по сравнению с исходными продуктами (Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 232). "имическая стадия эволюции начинается с образования химических систем: немолекулярных соединений и кристаллов, молекул, химических смесей (Эткинс 1991: 14-22) и химических реакций (А.П.Руденко, И.Р.Пригожин). Достижение устойчивости химических систем обусловило их структурное и поведенческое разнообразие, атомов или химических элементов более 100, неорганических низкомолекулярных соединений - сотни тысяч, а высокомолекулярных - миллионы. "имические системы образуются за счёт ионных и ковалентных связей (Эрдеи-Груз 1976: 267-275, 333-348). Инертные газы вообще не образуют молекул, большинство элементов образуют двухатомные молекулы, кислород - трехатомные, а углерод - длинные цепи различной конфигурации (Назаретян 1991: 71).

"имические системы на нашей планете прошли три стадии эволюции: неорганическая, органическая и биохимическая (Жданов 1983: 76). В 70-х годах профессор МГУ А.П. руденко предложил теорию эволюции открытых автокаталитических химических реакций. "имическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических реакций. В результате конкуренции за энергию и пространство происходит отбор тех реакций, которые более активны, более автономны (эффективность управления катализаторами ходом реакции), более разнообразны (дробление реакций) и лучше реагируют на факторы среды (Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 245-247). Каталитические неорганические химические реакции способны реагировать на воздействия факторов внешней среды как единое целое, изменяться, приспосабливаться к внешней среде и, отражая ее воздействие на физико-химическом уровне, саморазвиваться (Руденко 1983: 260). Открытые каталитические системы являются единственно возможными химическими объектами, способными к прогрессивной химической эволюции вплоть до перехода ее в биологическую эволюцию (Руденко 1983: 263). Эмпирическими основаниями эволюции неорганических молекул являются данные палеобиохимии, обнаружение многих неорганических молекул в космическом пространстве методами радиоастрономии (Жданов 1983: 59) и исследования явлений самоорганизации И. Р. Пригожиным.

Экспериментальные доказательства самоорганизации химических реакций были получены школой И. Р. Пригожина. Вдали от равновесия химические системы с каталитическими механизмами могут порождать диссипативные структуры (открытые, неравновесные системы, стремящиеся перейти от хаоса к порядку). Самый простой пример такой структуры является реакция химические часы или модель брюсселятора: упорядоченность в поведении миллиардов молекул, макроскопически проявляющаяся в периодичном изменении вдета реакционной смеси. Неорганические каталитические химические реакции можно рассматривать как прототипы сложных ферментативных биохимических реакций (И.Р.Пригожин, 1985, с. 116, 1986, с. 202-203).

5.2. Высший химизм и преджизнь Отбор химических элементов для построения субстрата жизни это научный факт. Основу живых систем составляют только шесть элементов, называемых органогенами: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Общая весовая доля органогенов составляет 97,4%, за ними следуют 12 элементов (а, К, Са, Мд, Ре, Й, А1, С1, Сн, "п, Со, Мп) которые принимают участие в построении многих компонентов биосистем, их весовая доля 1,6%. Ещё 20 элементов участвуют в построении узкоспециализированных биосистем (Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 241,Грин,Стаут, Тейлор 1990: 151). Основу жизни на молекулярном уровне составляют макромолекулы, гигантские молекулы-биополимеры, построенные из многих повторяющихся единиц-мономеров. Существует три типа макромолекул: из моносахаридов построены полисахариды, из аминокислот - белки, из нуклеотидов - нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК). В состав живого входят еще липиды, сложные эфиры жирных кислот и спирта. Белки и нуклеиновые кислоты являются информационными молекулами, поэтому последовательность мономерных звеньев в них варьирует (Грин,Стаут, Тейлор 1990: 155-188).

Из узкого круга отобранных природой органических молекул составлено 5-млрд. видовое разнообразие живого за всю историю биосферы. Органогеном ю1 стал углерод, так как этот элемент способен образовывать почти все типы химических связей, соединения, обладающие каталитическими, энергетическими, информационными свойствами и длинные цепи, кольца разнообразных подвижных скрученных структур. Углерод отвечает всем требованиям лабильности (Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 242).Высокомолекулярные соединения отличаются способностью сохранять неизменным основной субстрат в ходе взаимодействий. Речь идет о становлении устойчивой индивидуальности. "имический индивидуум способен изменять свою природу, сохраняя себя (Жданов 1983: 73).

Но как происходила биохимическая эволюция? В 1824 году Ф. Веллер синтезировал органическое вещество, щавелевую кислоту, а в 1926 году Дж. "олдейн, А. И. Опарин и Дж. Бернал выдвинули гипотезу биохимической, доклеточной эволюции (Фолта, Новы 1987: 256). В условиях первичной атмосферы, в океане из неорганических соединений спонтанно образовывались более сложные макромолекулы и протоклетка. Для синтеза органических соединений использовалось ультрафиолетовое излучение. В первичном бульоне из макромолекул происходил отбор наиболее устойчивых систем макромолекул (коацерватов по Опарину), на границе система-среда выстраивались белки и липиды, образуя мембрану (Яблоков, Юсуфов 1998: 43-45). А. И. Опарин был сторонником первичности обмена веществ в коацерватной капле, а появление нуклеиновых кислот считал завершением эволюции в итоге конкуренции протобионтов. Согласно же "олдейну первичной была система, способная к саморепродукции, "голый ген" (Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 299-303).

Первые эксперименты по неорганическому синтезу биополимеров в восстановительной среде провёл американский биолог С. Миллер в 1953 году. Колба, в которой создавались электрические разряды, заполнялась водой, водородом, метаном и аммиаком. Кипящая вода создавала циркуляцию пара и воды через прибор, пробы раствора исследовали методом

хроматографии на бумаге. Через 125 часов было обнаружено 15 аминокислот и рибоза (входит в состав РНК). Эксперименты вызвали большой интерес и к сходным опьггам приступили учёные во всём мире. Уже в 1960 году А. Уилсон, добавив в исходный раствор серу, смог получить крупные молекулы полимеров, содержащие более 20 атомов углерода. В колбе были обнаружены тонкие плёнки (предмембраны). С. Поннамперума с сотр. проводили эксперименты, подобные экспериментам Миллера, но использовали энергию ультрафиолетового света и синтезировали аминокислоты, пурины (строительные блоки белков и нуклеиновых кислот), полимеры из этих блоков. Дж. Оро с сотр. синтезировали крупные органические молекулы без ультрафиолета, просто нагревая среду. С. Фокс с сотр. использовали высокие температуры и синтезировали биополимеры в безводных средах. М. Кальвин конденсировал низкомолекулярные единищя в более крупные в водных растворах, содержащих НС. Следовательно, есть много способов спонтанного образования биомолекул неорганическим путём в условиях, моделирующих первичную атмосферу, но в этих экспериментах не моделировалось геологическое время (Рутген 1973: 104-124).

До 80-х годов существовало три гипотезы начала биохимической эволюции: гипотезы голобиоза, генобиоза и симбиоза. Гипотеза голобиоза: эволюционно старше белковый протобионт (метаболизм), первичен обмен веществ в коацервате, а появление в коацервате нуклеиновых кислот есть завершение эволюции в ходе конкуренции протобионтов (А. И. Опарин). Гипотеза генобиоза: первичной была не структура, способная к обмену веществ, а макромолекулярная система подобная гену и способная к саморепродукции (голый ген, Дж. "олдейн). Синтетическая гипотеза симбиоза: изначально формировался симбиоз белки-нуклеиновые кислоты (гиперциклы М. Эжена). Проблемы начала биохимической эволюции были решены тогда, когда открылся "мир РНК": молекула РНК была первичной, так как она уникальна по своим свойствам. Молекула РНК наделена такой же генетической памятью как и ДНК. Нет организмов без РНК, но есть вирусы, геном которых составляет РНК, а не ДНК. Вопреки генетической догме возможен перенос информации от РНК к ДНК, катализируемый РНК-зависимым ферментом. В начале 80-х установили способность РНК к саморепродукции в отсутствии белковых ферментов, процессингу (вырезание нуклеотидных последовательностей) и сплайсингу (сшивание активных последовательностей). Но главным было открытие у РЦК автокаталигических функций. Всё это означало, что древняя РНК совмещала черты генотипа и фенотипа. Современная РНК - реликт доклеточного предка, передавшего ферментативные и информационные функции ДНК и белкам (Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 302-311).

Тогда можно смоделировать ранние этапы доклеточной эволюции: спонтанное возникновение макромолекул (в том числе и РНК), отбор геномов РНК по эффективности каталитических и информационных функций (метаболизм и редупликация), передача РНК функций фермента белкам и памяти ДНК, образование и эволюция сетей химических реакций (гиперциклов).

5. 3. "аракгеристика и эволюция гиперцикла В 70-х годах немецкий биохимик М. Эйген (р. 1927 г., Нобелевская премия за 1967 г.) предложил математическую модель самоорганизации макромолекул в единицу, способную к эволюции. Гиперциклом называется принцип самоорганизации макромолекул в единицу, способную к эволюции, для которого характерны гомеостаз, метаболизм и редупликация. Гиперциклы это сети химических реакций, в которых на каждом этапе продукты подвергаются цикличным превращениям: все биохимические реакции носят циклический характер (репликация ДНК и биосинтез белка на рибосоме, ферментативные реакции, цикл трикарбоновых кислот). М. Эйген опирался на экспериментальное исследование биохимической эволюции, опьпы С. Спигельмана. С. Спигельман моделировал доклеточную эволюцию "в пробирке": вирусный РНК фаг ку-бета в бесклеточной среде смеси органических и неорганических молекул самореплицировался, новые фаги мутировали и происходил их отбор по скорости репликации (Эйген 1973: 172-184, Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 310-311).

Теоретическими основаниями модели М. Эйгена являются общеэволюционные законы. Модель гиперцикла включает в себя принципы диссипативных структур, симбиоза на молекулярном уровне. В результате конкуренции отбирались гиперциклы с более эффективной корреляцией едщиц, более совершенные по каталитическому совершенству. Гиперцикл допускает рост своих компонентов и регуляцию размеров. Совершенствовались скорость редунликации и память.

Эволюция гиперциклов при определённых условиях - неизбежное событие. Гиперциклы возникают раз и навсегда как закономерный этап универсальной эволюции: анализ механизмов воспроизводства гиперциклов не даег оснований для гипотезы живое - от живого. Оплвбка антиэволюционистов в том, что они подсчитывая вероятность возникновения ДНК и приходя к результатам 10 ~~~, не учитывают, что подсчитывать надо скорость процесса эволюции. Достаточно ли времени для достижения данной величины биологического прогресса. Гиперциклы описываются на таком же математическом языке как и неживые системы в концепциях И. Р. Пригожина и Г. "акена, что доказывает общность процессов самоорганизации на разных уровнях Универсума. Эволюция гиперцикла неизбежна: система, возникающая в результате мутаций и отбора, непредсказуема в отношении структуры, но неизбежным результатом всегда является процесс эволюции - это закон. Процесс эволюции в принципе неизбежен, хотя выбор конкретного пути не детерминирован (Эйген 1973: 207). Следующим шагом эволюции является процесс образования мембран и эволюция клеточных форм жизни (Эжен 1973, Эйген, Винклер 1979,»ноль 1979, Эйген,»устер 1982).

5. 4. Особенности биологической формы организации материи Место биологии в современном естествознании: необычайная сложность и многообразие живых систем, развитие во времени - неотьемлемое и наиболее характерное свойство живого, теоретический характер и проблемы биологической эволюции, включённость человека в мир живого (Природа биологического познания, М., 1991). "Образы" биологии (Кузнецов, Идлис, Гутина 1996: 251-276): описательная биология (классификация и система таксонов, нерасчленнёность биоцелостности, гуманный характер исследований), экспериментальная биология (методы, достижения, перспективы), эволюционная биология (от теории естественного отбора Ч.Дарвина до современной синтетической теории эволюции биосферы). Проблема создания теоретической биологии (поиски основополагающих аксиом). Универсальный эволюционизм как основа для построения целостной теории жизни. Анализ различных определений жизни (Ф. Энгельс, В. И. Вернадский, Э. С. Бауэр, А.И. Опарин, П.А. Анохин, А.А. Ляпунов, М.И.»теренберг, Б.М.Медников, С. Э.»ноль).

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: