Космическая эволюция

Взаимодействие микро- и макропроцессов в ходе космической эво­люции

Биологическая эволюция

Хотя отдельные эволюционные теории появились в конкретных науках еще в XVIII—XIX вв. (гипотеза  возникновения Солнечной системы Канта-Лапласа, теория геологической эволюции Ч. Лайеля и эволюционная теория Ч. Дарвина), тем не менее, ни о какой гло­бальной эволюционной теории развития до начала XX в. речи быть не могло. Это объясняется многими причинами, среди которых следует назвать следующие:

•     во-первых, ориентацию классического естествознания пре­имущественно на изучение сравнительно простых, равновес­ных систем;

•     во-вторых, физика, которая играла лидирующую роль в по­строении общей научной картины мира, не опиралась в своих теориях на идеи эволюции;

•     в-третьих, теории эволюции конкретных наук (астрономии, геологии, биологии) носили частный характер и нуждались в дальнейшей разработке;

•     в-четвертых — и это главное — не были выявлены общие идеи и принципы, которые должны стать основой глобальной или универсальной эволюции.

В последние десятилетия благодаря широкому распространению системных идей, а позднее и представлений о принципах самоорганизации  открытых систем,  сейчас  все  настойчивее выдвигаются  различные гипотезы и модели возникновения и эволюции охвачен­ной наблюдениями Вселенной. Они усиленно обсуждаются в рамках современной космологии. Аналогично этому, значительное развитие получила эволюционная теория Дарвина, которая была дополнена современной теорией наследственности, и стала синтетической тео­рией биологической эволюции. Все эти достижения современной науки оказали решающее влияние на формирование принципов глобального или универсального эволюционизма, а также новой на­учной картины мира. В связи с этим мы сначала обсудим, как раз­вивались представления о космической эволюции, а затем — живых систем в биологии.

Космическая эволюция. Исследованием этого процесса занимает­ся современная космология. Она возникла после появления общей теории относительности, и поэтому ее в отличие от прежней космо­логии, называют релятивистской. Поскольку эта космология сфор­мировалась на основе идей и принципов общей теории относитель­ности, то на первом этапе она уделяла главное внимание геометрии Вселенной и, в частности, кривизне четырехмерного пространства-времени.

Новый этап ее развития был связан с исследованиями нашего уче­ного А.А. Фридмана (1888—1925), которому удалось впервые теорети­чески доказать, что Вселенная, заполненная в соответствующей степе­ни тяготеющим веществом, не может быть стационарной, а должна периодически расширяться или сжиматься. Эмпирической базой для подтверждения этих теоретических выводов стали открытия внегалак­тической астрономии, важнейшим из которых, несомненно, было об­наружение расширения Вселенной. В 1929 г. американский астроном Э.П. Хаббл установил, что свет, идущий от далеких галактик, смеща­ется в сторону красного конца спектра. Это явление, получившее на­звание красного смещения, согласно принципу Доплера, свидетельство­вало об удалении галактик от наблюдателя.

Последующий этап развития космологии связан с исследовани­ем физических процессов, происходивших на разных стадиях рас­ширяющейся Вселенной. Начало им положили работы известного американского физика Г.А. Гамова, русского по происхождению. В них он пытался в первую очередь раскрыть картину происхождения химических элементов во Вселенной и в связи с этим высказал предположения о первоначальных ее элементах.

По современным представлениям космическая эволюция дает начало всем процессам и формам развития материальных систем во Вселенной. Хотя в настоящее время существует множество различ­ных гипотез ее происхождения и эволюции, в качестве стандартной модели принимается гипотеза «большого взрыва». Она опирается на следующие эмпирические и теоретические данные:

По стандартной модели первоначально Вселенная находилась в сверхплотном и сверхгорячем состоянии. После взрыва она начала быстро расширяться и постепенно охлаждаться. Эти процессы при­вели к разрушению прежней симметрии между материальными час­тицами и связывающими их силами, а также утрате единства пер­воначальной простоты в природе.

Что собой представляла Вселенная до взрыва, никаких надеж­ных данных пока не существует. Высказываются лишь некоторые предположения и гипотезы. Г.А. Гамов считал, что вещество Все­ленной в начале состояло из нейтронов, которые в дальнейшем превращалось в протоны, а из них возникли сначала ядра атомов, а затем и атомы. Однако эта гипотеза оказалась теоретически несо­стоятельной. Поэтому в стандартной модели предполагается, что первоначально Вселенная могла состоять из электронов, позитро­нов и фотонов, а также нейтрино и антинейтрино. В настоящее время высказывается мнение о кварковой модели в силу того, что эти гипотетические частицы считаются теперь основой для по­строения элементарных частиц. Но такая модель вызывает возраже­ния многих специалистов прежде всего потому, что сами кварки являются лишь гипотетическими частицами и непосредственно экспериментально не обнаружены.

Относительно более надежными являются представления об эволюции Вселенной после взрыва и начавшегося ее расширения.

В общих чертах процесс космической эволюции и формирова­ние Вселенной, по мнению Нобелевского лауреата С. Вайнберга, можно представить в виде следующей последовательности кадров кинофильма.'

Первый кадр. Начиная с 1/100 секунды после взрыва, когда тем­пература стала равной 100 миллиардов градусов по Кельвину, Все­ленная была «заполнена везде одинаковым, однородным по свойствам супом из вещества и излучения, причем каждая частица в нем очень быстро сталкивается с другими частицами»¹.

Такими частицами были электрон и позитрон, а также фотон, нейтрино и антинейтрино. Кроме того, там существовало неболь­шое число ядерных частиц, около одного протона или нейтрона на каждый миллиард фотонов.

Второй кадр. Температура Вселенной упала до 30 миллиардов градусов, но качественно ее состав не изменился. Вселенная по-прежнему состоит из электронов, позитронов, фотонов, нейтрино и антинейтрино, которые находятся в тепловом равновесии. Небольшое число ядерных частиц все еще не объединяются в атомные ядра.

Третий кадр. Со времени первого кадра прошло чуть больше секунды, и температура Вселенной упала до 10 миллиардов граду­сов. К этому времени уменьшение плотности и температуры на­столько увеличили среднее свободное время существования ней­трино и антинейтрино, что они начинают вести себя как свободные частицы и перестают находиться в тепловом равновесии с другими частицами. Однако существующая температура все еще не позволяет протонам и нейтронам объединиться в атомные ядра.

Четвертый кадр. Температура Вселенной теперь понизилась до 3 миллиардов градусов, которая ниже пороговой для электронов и позитронов. Поэтому они начинают быстро исчезать, превращаясь в излучение. Уменьшение температуры создает также условия для образования небольшого числа стабильных легких ядер, например, гелия. Нейтроны продолжают превращаться в протоны, хотя и зна­чительно медленнее.

Пятый кадр. Теперь температура Вселенной упала до 1 милли­арда градусов, что, однако, в 70 раз выше, чем в центре Солнца. При этих условиях уже могут удерживаться ядра трития и гелия-3, а позднее и ядра дейтерия. Однако ядра тяжелее гелия в заметном количестве не образуются. Со времени первого кадра проходит чуть больше 3 минут.

Шестой кадр. Теперь температура Вселенной упала до 300 мил­лионов градусов, а со времени первого кадра прошло свыше 34 ми­нут. В этот период все электроны и позитроны исчезают, за исклю­чением небольшого количества электронов, необходимых для ком­пенсации зарядов протонов. Но температура еще слишком высока, чтобы могли возникнуть стабильные ядра.

Пройдет еще свыше 700 000 лет, когда электроны и ядра нач­нут образовывать устойчивые атомы легких элементов, преимуще­ственно водорода и гелия. В этот период происходит разъединение вещества и излучения. Одним из первых его следствий стало обра­зование звезд, состоящих на три четверти из водорода и одну чет­верть из гелия. Другим следствием было то, что Вселенная стала прозрачной для излучения. Именно тогда возникает ставшее теперь широко известным космическое микроволновое излучение с темпе­ратурой 3 градуса по Кельвину, которое часто называют реликто­вым, ибо оно напоминает об истории возникновения Вселенной.

Самым главным результатом на стадии микроэволюции Вселен­ной было образование крайне незначительного перевеса вещества над антивеществом. Из него в результате дальнейшей эволюции возникло все богатство и разнообразие материальных образований и форм, начиная от атомов, молекул, кристаллов, минералов и кон­чая галактиками.

Разумеется, много в стандартной гипотезе образования Вселен­ной еще неясного и спорного. Прежде всего, остается нерешенным вопрос о структуре и состоянии материи первоначальной Вселенной. Ведь кроме тех элементарных частиц, которые рассматриваются в стандартной модели, существуют и другие «кандидаты» на эту роль. Популярной остается также кварковая модель, которая, если бы она была правильной, значительно проще объяснила бы состояние ран­ней Вселенной. Однако сами кварки в свободном состоянии пока не обнаружены и, как указывает С. Вайнберг, загадка существова­ния изолированных, свободных кварков есть одна из самых важных проблем, с которыми в настоящее время сталкивается теоретиче­ская физика.'

Наряду со стандартной моделью в свое время была предложена также гипотеза пульсирующей Вселенной, которая предполагает, что в ходе своей эволюции Вселенная подвергается периодическому расширению и сжатию. По мнению ее защитников, она удовлетво­рительно объясняет наличие гигантского количества фотонов во Вселенной во время циклов ее расширения и сжатия. Однако ника­ких эмпирических фактов, свидетельствующих о сжатии Вселенной, пока не обнаружено.

Согласно такой инфляционной модели, Вселенная возникла из первоначального вакуума, который обладал огромной энергией, но находился в неустойчивом состоянии. Полагают, что в этом вакуу­ме, который называют возбужденным, господствовали космические силы отталкивания, которые «раздували» занимаемое ими про­странство, а выделившаяся при этом энергия быстро нагревала его. В конце концов, огромное повышение температуры и давления возбужденного вакуума привело к взрыву. После взрыва наступило резкое понижение температуры и давления, и дальнейшем расши­рение Вселенной происходило по сценарию стандартной модели.

Стандартная гипотеза, хотя и не раскрывает причин «большого взрыва» и первоначального состояния материи до этого, но отличает­ся от многих гипотез в первую очередь тем, что опирается на важные эмпирические данные внегалактической астрономии; во-вторых, она учитывает фундаментальную роль нарушения симметрии в процессе формирования все более сложных материальных систем; в-третьих, в ее основе лежит концепция самоорганизации синергетики об образо­вании в процессе эволюции сложноорганизованных систем.

Взаимодействие микро- и макропроцессов в ходе космической эво­люции. Эволюция Вселенной началась приблизительно 15—20 млрд лет назад, и соответственно она охватывает две стадии: микро и макроэволюцию. Микроэволюция привела к образованию атомов и молекул и тем самым явилась предпосылкой для возникновения макроэволюции, в ходе которой возникли окружающие нас макроте­ла и их системы, вплоть до систем галактик.

В ходе эволюции происходило также нарушение симметрии между разными силами взаимодействия. На первоначальной стадии, когда Вселенная была достаточно горячей, сильные ядерные взаимодейст­вия были в симметрии с гравитационными, а электромагнитные — со слабыми взаимодействиями. Только благодаря нарушению сим­метрии между ядерными и гравитационными силами стало возмож­ным образование звезд, галактик и других космических объектов и систем. Полагают, что именно разрушение симметрии между ядер­ными и гравитационными силами было самым первым и важнейшим условием структурирования материи на микро и макроуровне.'

Аналогично этому, нарушение симметрии между электромагнит­ными и слабыми взаимодействиями привело к образованию огром­ного множества тел, форм и систем, которые составляют окружаю­щий нас мир. Таким образом, благодаря разрушению симметрии ме­жду разными типами физических взаимодействий стало возможным не только возникновение микро- и макрообъектов, но и последую­щее взаимосвязанное развитие микроскопической и макроскопиче­ской ветвей эволюции.  Микроэволюция  обеспечила условия для развертывания макроэволюции. Следовательно, микро и макроэво­люция взаимно обуславливали и дополняли друг друга.

Биологическая эволюция создала необходимые предпосылки для возникновения сложноорганизованных живых систем. Поэтому нам особенно важно познакомиться с ними, во-первых, для того, чтобы узнать, что нового внесла синтетическая теория эволюция в учение Дарвина, во-вторых, как могут быть использованы идеи этой теории для становления глобального, или универсального эволюционизма.

Опираясь на огромный фактический материал и практику се­лекционной работы по выведению новых сортов растений и пород животных, Ч. Дарвин сформулировал следующие основные прин­ципы своей эволюционной теории.

Первый принцип постулирует, что изменчивость является не­отъемлемым свойством живого.

Второй принцип раскрывает внутреннее противоречие в разви­тии живой природы. Оно состоит в том, что, с одной стороны, все виды организмов имеют тенденцию к размножению в геометриче­ской прогрессии, а с другой — они выживают и достигают зрелости лишь в арифметической прогрессии,

Третий принцип обычно называют принципом естественного отбора, который играет фундаментальную роль в теории эволюции не только Дарвина, но и большинства теорий, появившихся позднее.

Дарвин выдвинул гипотезу общего характера, согласно которой в природе существует особый механизм отбора, который приводит к избирательному уничтожению организмов, оказавшихся неприспо­собленными к существующим или изменившимся условиям окру­жающей среды. Эти результаты, указывает он, представляют собой следствия одного общего закона, обусловливающего прогресс всех органических существ, а именно: размножения, изменения, выжива­ния наиболее сильных и гибель наиболее слабых. Самым слабым ме­стом в учении Ч. Дарвина были представления о наследственности, которые подверглись серьезной критике его противниками.

Современная теория органической эволюции, которую называют синтетической, отличается от дарвиновской теории по ряду важ­нейших пунктов:

•     она ясно выделяет элементарную структуру, с которой начина­ется эволюция. В настоящее время такой структурой считается популяция, а не отдельная особь или вид, который включает в свой состав несколько популяций;

•     в качестве элементарного явления или процесса эволюции современная теория рассматривает устойчивое изменение ге­нотипа популяции;

•     она шире и глубже истолковывает факторы и движущие силы эволюции, выделяя среди них факторы основные и не основные.

Ч. Дарвин и его последователи к основным факторам эволюции относили изменчивость, наследственность и естественный отбор, связанный с борьбой за существование. В настоящее время к ним добавляют множество других дополнительных факторов, которые, не являясь основными, тем не менее, оказывают влияние на эволюци­онный процесс. Сами основные факторы теперь также понимаются по-новому.

Важнейшим из них является мутационный процесс, который исходит из признания того неоспоримого теперь факта, что основ­ную массу эволюционного материала составляют различные формы мутаций, то есть изменения наследственных свойств организмов, возникающие естественным путем или вызванные искусственными средствами.

История науки, философия науки, кандидатский минимум