Концепции современного естествознания. Конспект лекций Горелов Анатолий
Отличия неравновесной структуры от равновесной заключаются в следующем:
— система реагирует на внешние условия (гравитационное поле и т. п.);
— поведение систем случайно и не зависит от начальных условий, но зависит от их предыстории;
— приток энергии создает в системе порядок, и, стало быть, энтропия ее уменьшается;
— для неравновесной структуры характерно наличие бифуркации — переломной точки в развитии системы;
— неравновесной структуре свойственна когерентность — система ведет себя как единое целое и как если бы она была вместилищем дальнодействующих сил (такая гипотеза присутствует в физике). Несмотря на то, что силы молекулярного взаимодействия являются короткодействующими, т. е. действуют на расстояниях порядка 10-8 см, система структурируется так, как если бы каждая молекула была «информирована» о состоянии системы в целом.
Различают области равновесности и неравновесности, в которых может пребывать система. Ее поведение при этом существенно меняется, что можно представить в таблице 2.
Будучи предоставлена самой себе, при отсутствии доступа энергии извне, система стремится к состоянию равновесия — наиболее вероятному состоянию. Пример равновесной структуры — кристалл.
Таблица 2. Различия равновесной и неравновесной областей.
К такому равновесному состоянию в соответствии со вторым началом термодинамики приходят все закрытые системы, т. е. системы, не получающие энергии извне. Противоположные по типу системы носят название открытых систем. Изучение неравновесных состояний позволяет прийти к общим выводам относительно эволюции в неживой природе от хаоса к порядку.
Понятие хаоса в противоположность понятию космоса было известно еще древним грекам. И. Пригожин и И. Стенгерс называют хаотическими все системы, которые нельзя описать однозначно детерминистично, т. е. зная состояние системы в данный момент, точно предсказать, что с ней будет в момент следующий.
«Экстраполяция динамического описания <…> имеет наглядный образ — демон, вымышленный П.С. Лапласом и обладающий способностью, восприняв в любой данный момент времени положение и скорость каждой частицы во Вселенной, прозревать ее эволюцию как в будущем, так и в прошлом. <…> В контексте классической динамики детерминистическое описание может быть недостижимым на практике, тем не менее оно остается пределом, к которому должна сходиться последовательность все более точных описаний»[74].
Хаотическое поведение непредсказуемо в принципе. Необратимость, вероятность и случайность становятся объективными свойствами хаотических систем на макроуровне, а не только на микроуровне, как было установлено в квантовой механике. «Модели, рассмотрением которых занималась классическая физика, соответствуют, как мы сейчас понимаем, лишь предельным ситуациям. Их можно создать искусственно, поместив систему в ящик и подождав, пока она не придет в состояние равновесия. Искусственное может быть детерминированным и обратимым. Естественное же непременно содержит элементы случайности и необратимости. Материя — более не пассивная субстанция, описываемая в рамках механистической картины мира, ей также свойственна спонтанная активность»[75].
По мнению И. Пригожина и И. Стенгерс, «если устойчивые системы ассоциируются с понятием детерминистичного, симметричного времени, то неустойчивые хаотические системы ассоциируются с понятием вероятностного времени, подразумевающего нарушение симметрии между прошлым и будущим»[76]. Для описания неустойчивых систем было введено понятие «стрела времени». «Будущее при нашем подходе перестает быть данным; оно не заложено более в настоящем. Это означает конец классического идеала всеведения. Мир процессов, в котором мы живем и который является частью нас, не может более отвергаться как видимость или иллюзия, определяемая нашим ограниченным способом наблюдения. На заре западного мира Аристотель ввел фундаментальное различие между божественным и вечным небесным миром и изменяющимся и непредсказуемым подлунным миром, к которому принадлежит и наша Земля. В определенном смысле классическая наука была низведением на Землю аристотелевского описания небес. Преобразование, свидетелями которого мы являемся сегодня, можно рассматривать как обращение аристотелевского хода; ныне мы возвращаемся с Земли на небо»[77], т. е. Вселенная предстает такой же изменяющейся, как и Земля.
Эволюция должна удовлетворять трем требованиям:
— необратимости, выражающейся в нарушении симметрии между прошлым и будущим;
— необходимости введения понятия «событие»;
— некоторые события должны обладать способностью изменять ход эволюции.
Существуют несколько условий формирования новых структур:
— открытость системы;
— ее нахождение вдали от равновесия;
— наличие флуктуаций.
Чем сложнее система, тем более многочисленны типы флуктуаций, угрожающих ее устойчивости. Но в сложных системах существуют связи между различными частями. От исхода конкуренции между устойчивостью, обеспечивающейся связью между частями, и неустойчивостью из-за флуктуаций зависит порог устойчивости системы.
Превзойдя этот порог, система попадает в критическое состояние, называемое точкой бифуркации. В ней система становится неустойчивой относительно флуктуаций и может перейти к новой области устойчивости, т. е. к образованию нового вещества. Система как бы колеблется перед выбором одного из нескольких путей эволюции. Небольшая флуктуация может послужить в этой точке началом эволюции в совершенно новом направлении, который резко изменит все ее поведение. Это и есть событие.
В точке бифуркации случайность подталкивает то, что остается от системы, на новый путь развития, а после того, как один из многих возможных вариантов выбран, вновь вступает в силу детерминизм — и так до следующей точки бифуркации. В судьбе системы случайность и необходимость взаимно дополняют друг друга.
По мнению И. Пригожина и И. Стенгерс, большинство систем открыты: они обмениваются энергией или веществом или информацией с окружающей средой. Главенствующую роль в окружающем мире играют не порядок, стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность, т. е. все системы непрестанно флуктуируют. В особой точке бифуркации флуктуация достигает такой силы, что организация системы не выдерживает и разрушается, и невозможно предсказать: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности, который называют диссипативной структурой. Новые структуры называются диссипативными, так как для их поддержания требуется больше энергии, чем для поддержания более простых структур, на смену которым они приходят.
Диссипативные структуры существуют лишь постольку, поскольку система диссипирует (рассеивает) энергию и, следовательно, производит энтропию. Из энергии возникает порядок, при этом общая энтропия увеличивается. Таким образом, энтропия — не просто безостановочное соскальзывание системы к состоянию, лишенному какой бы то ни было организации (как думали сторонники «тепловой смерти» Вселенной), при определенных условиях она становится прародительницей порядка.
«С одними и теми же граничными условиями оказываются совместимыми множество различных диссипативных структур. Это — следствие нелинейного характера сильно неравновесных ситуаций. Малые различия могут привести к крупномасштабным последствиям. Следовательно, граничные условия необходимы, но не достаточны для объяснения причин возникновения структуры. Необходимо также учитывать реальные процессы, приводящие к „выбору“ одной из возможных структур. Именно поэтому (а также в силу некоторых других причин) мы и приписываем таким системам определенную „автономию“, или „самоорганизацию“»[78].
Исследования систем, о которых только что говорилось, проводятся в рамках науки, получившей название синергетики.
Классическая термодинамика XIX в. изучала механическое действие теплоты, причем предметом ее исследований были закрытые системы, стремящиеся к состоянию равновесия. Термодинамика XX в. изучает открытые системы в состояниях, далеких от равновесия. Это направление получило название синергетики (от греч. cynergeia — сотрудничество, совместное действие).
Синергетика сформулировала принцип самодвижения в неживой природе, создания более сложных систем из более простых. С синергетикой в физику проник эволюционный подход, постепенно наука приходит к пониманию творения как создания нового. Она ввела случайность на макроскопический уровень, подтвердив тем самым выводы механики для микроскопического уровня. Синергетика также подтвердила вывод теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии и объяснила образование веществ. Она пытается ответить на вопрос, как образовались все те макросистемы, в которых мы живем.
С точки зрения синергетики энергия как бы застывает в виде кристаллов, превращаясь из кинетической в потенциальную. Вещество — это застывшая энергия. Энергия — понятие, характеризующее способность производить работу, как механическую, так и по созиданию новых структур.
Энтропия — это форма выражения количества связанной энергии, которую имеет вещество. Энергия — творец, энтропия — мера творчества. Последняя характеризует результат.
Синергетика отвечает на вопрос, за счет чего происходит эволюция в природе. Везде, где создаются новые структуры, необходим приток энергии и обмен со средой, так как эволюция, как и жизнь, требует метаболизма. Если в эволюции небесных тел мы видим результат производства, то в синергетике изучается процесс творчества природы. Синергетика подтверждает вывод теории относительности: энергия творит более высокие уровни организации. Перефразируя Архимеда, можно сказать: «Дайте мне энергию, и я создам мир».
Синергетика изменила представление о мире. Мы говорили о моделях Вселенной и пришли к пониманию, что Вселенная появилась после того, как некто «нажал на кнопку». Физика XX в. сначала изменила отношение к тому, что считать материей и как она соотносится с пространством и временем, а в конце XX в. по-новому взглянула на процесс развития. В синергетике развитие понимается как процесс становления качественно нового, того, чего еще не существовало в природе и чего предсказать невозможно.
На пороге XXI в. наука подошла к тому, чем всегда занималась мифология, — к вопросу о происхождении мира и материи. Кибернетика, о которой речь пойдет позже, решает проблему рождения разума, синергетика — проблему рождения материи. Механизм, который ею предлагается, — это спонтанная флуктуация, событие в точке бифуркации, до определенного момента — экспоненциальный процесс.
Дуализм ньютоновской Вселенной (с одной стороны, пространство-время, с другой — материя) сменился эквивалентностью пространства-времени и материи в уравнениях А. Эйнштейна. «Предлагаемая нами модификация уравнений Эйнштейна, учитывающая рождение материи, выражает „неэквивалентность“ материи и пространства-времени. В нашем варианте уравнения Эйнштейна устанавливают взаимосвязь не только между пространством-временем и материей, но и энтропией. Вводимый нами космологический механизм приводит к необратимому „разделению фаз“ между материей и гравитацией. В первоначальном вакууме они смешаны, в существующей ныне Вселенной мы наблюдаем материю, переносчик гравитации, „плавающей“ в пространстве-времени. Фундаментальная двойственность нашей Вселенной представляется нам сегодня результатом первичного всплеска энтропии»[79]. Причиной всплеска энтропии может быть распад чего-то высокоорганизованного, что заставляет вспомнить стоиков, Плотина и «Веды».
Важным понятием является понятие неустойчивости. Из хаоса (неустойчивости) рождается космос. При спонтанной флуктуации поля начинается самопроизвольный процесс порождения частиц вплоть до того момента, когда он прекращается. Частицы порождаются энергией по модели, сформулированной в синергетике.
Первые частицы, которые появились, были нестабильными элементарными частицами без массы покоя и с кратчайшим временем существования. Затем они превратились в стабильные, существующие и поныне. Нестабильные частицы И. Пригожин отождествляет с «черными мини-дырами», которые распадаются на обычную материю и излучение.
«Существует некоторая аналогия с переохлажденной жидкостью и порогом перехода в кристаллическое состояние. Мы можем наблюдать в переохлажденной жидкости флуктуации, приводящие к образованию крохотных кристаллов, которые то появляются, то снова растворяются. Но если образуется крупный кристалл, то происходит необратимое событие: кристаллизация всей жидкости. <…> Аналогично очень малая вероятность критической функции в вакууме Минковского указывает на то, что стрела времени уже существует в нем в латентной, потенциальной форме, но проявляется только когда неустойчивость приводит к рождению Вселенной»[80].
В модели И. Пригожина имеет место производство энтропии, пропорциональное скорости рождения частиц. Ее производит преобразование пространства-времени. Причем сначала возникает пространство-время, а затем оно производит частицы, поскольку процесс производства пространства-времени из материи невозможен. Последовательность рождения материи из вакуума можно представить таким образом:
спонтанная флуктуация точка бифуркации «черные мини-дыры» пространство-время частицы.
Квантовый вакуум отличается от «ничто» тем, что имеет универсальные постоянные, которые могут служить аналогом всеединства. Тут вспоминаются и Абсолютная Идея Г.В.Ф. Гегеля, и «мир идей», и «пустота» буддистов. Философских аналогов очень много.
Модель рождения материи И. Пригожина принадлежит к классу неустойчивых вероятностных систем. Конец рождения материи связан со временем жизни «черных мини-дыр». Высшая цель данной «игрушечной модели» — построение «дарвиновской теории» элементарных частиц.
Какова судьба Вселенной, исходя из данной гипотезы? «Стандартная модель предсказывает, что, в конце концов, наша Вселенная обречена на смерть либо в результате непрерывного расширения („тепловая смерть“), либо в результате последующего сжатия („страшный треск“). Для Вселенной, родившейся под знаком неустойчивости из вакуума Минковского, это уже не так. Ничто не мешает нам предположить возможность повторных неустойчивостей»[81]. Размеры Вселенной растут в модели Пригожина по экспоненте как следствие неустойчивости вакуума. В результате расширения Вселенной при нерождении материи Вселенная приближается к первоначальному состоянию вакуума. Потом возможна новая флуктуация.
«Эйнштейновская космология стала венцом достижений классического подхода к познаваемости. <…> В стандартной модели материя задана: она эволюционирует только в соответствии с фазами расширения Вселенной. Но, как мы видели, неустойчивость возникает, стоит нам только учесть проблему рождения материи. Таким образом, особая точка Большого взрыва заменяется рождением материи и кривизны пространства-времени. Эйнштейновское пространство-время, соответствующее искривленной Вселенной, при нашем подходе возникает как следствие необратимых процессов. Стрела времени становится принципиально важным элементом, лежащим в основе самих определений материи и пространства-времени. Однако наша модель не соответствует рождению стрелы времени из „ничего“. Космологическая стрела времени уже предполагается неустойчивостью квантового вакуума»[82].
Наконец, еще один вопрос: можно ли создать единую теорию физики, или, как ее еще называют, «теорию всего». «Если такая универсальная теория когда-нибудь будет сформулирована, она должна будет включать в себя динамическую неустойчивость и таким образом учитывать нарушение симметрии во времени, необратимость и вероятность. И тогда надежду на построение такой „теории всего“, из которой можно было бы вывести полное описание физической реальности, придется оставить»[83]. Другими словами, нет знания, которое овладело бы универсальным ключом ко всем без исключения явлениям природы.
1. Какие системы называются простыми, а какие сложными?
2. Какие состояния называются равновесными и неравновесными?
3. Что изучает синергетика?
4. Чем отличаются закрытые системы от открытых?
5. Каково значение энергии, света?
6. Как соотносятся энергия и энтропия, информация и энтропия?
7. Каков механизм эволюции в соответствии с представлениями синергетики?
8. Как представлено в модели И. Пригожина рождение материи?
9. Почему нельзя создать «теорию всего»?
10. Чем устойчивая система отличается от неустойчивой?
I. Ответьте на вопросы.
1. Как соотносятся законы сохранения и законы эволюции?
2. Что такое парадокс времени и космологический парадокс?
3. Что такое «стрела времени»?
4. Что такое точка бифуркации?
5. Каково значение универсальной синергетической схемы развития?
6. В чем сходство и различия эволюции неживых и живых тел?
7. Какова роль вероятностных методов в классической термодинамике, квантовой механике и синергетике? Какова роль случайности?
8. Какова роль времени в теории относительности и синергетике?
9. Что такое организация и самоорганизация?
II. Прокомментируйте высказывания.
«По свидетельству Мишеля Серра, древние атомисты уделяли турбулентному течению столь большое внимание, что турбулентность с полным основанием можно считать основным источником вдохновения физики Лукреция. Иногда, писал Лукреций, в самое неопределенное время и в самых неожиданных местах вечное и всеобщее падение атомов испытывает слабое отклонение — „клинамен“. Возникающий вихрь дает начало миру, всем вещам в природе. „Клинамен“, спонтанное непредсказуемое отклонение, нередко подвергали критике как одно из наиболее уязвимых мест в физике Лукреция, как нечто, введенное ad hoc. В действительности же верно обратное: „клинамен“ представляет собой попытку объяснить такие явления, как потеря устойчивости ламинарным течением и его спонтанный переход в турбулентное течение. Современные специалисты по гидродинамике проверяют устойчивость течения жидкости, вводя возмущение, выражающее влияние молекулярного хаоса, который накладывается на среднее течение. Не так уж далеко мы ушли от „клинамена“ Лукреция!» (И. Пригожин, И. Стенгерс).
III. Прокомментируйте схему.
Схема развития неживой природы.
Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант. — М., 1994.
Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. — М., 1986.
Хакен Г. Синергетика. — М., 1980.
Глава 10
Современная химия
Для большинства студентов-гуманитариев представляет большую сложность разделить предметы исследования физики и химии. Физика — наука о неживой природе. Но и химия то же. Трудность здесь связана с тем, что химия изучает один из уровней организации материи, который находится между двумя уровнями, изучаемыми физикой. Физика исследует уровень макровещества, но она же изучает и атомы. Когда в XVII в. возникла химия, то предполагалось, что она будет изучать все то, что относится к микромиру. Атомная физика, однако, начав в XX в. исследовать процессы, протекающие в микромире, оставила и более глубокие уровни организации материи за физикой. Химии пришлось удовольствоваться единственным уровнем, которым она занималась изначально, — молекулярным.
Химия изучает процессы превращения молекул и веществ и воздействия на них внешних факторов (тепла, света, физических полей и т. п.). Она изучает также связи между атомами, входящими в состав молекул (так называемые химические связи). Выяснилось, что главную роль здесь играют электроны, своего рода «клей», соединяющий ядра атомов. Создание квантовой механики привело к развитию квантовой химии, в которой электрон не считается движущимся по определенной орбите, а вводится представление об электронном облаке.
Рентгеноструктурный анализ, спектроскопические методы и метод ядерного магнитного резонанса позволили в XX в. определить строение огромного числа молекул, что имело не только важное теоретическое, но и практическое значение.
Выдающийся химик XX в. Н.Н. Семенов сводил различия физических и химических процессов к трем основным: у химических процессов есть история, у них отсутствуют мгновенные параметры для скоростей реакций, для них нельзя пользоваться равновесными параметрами. Развитие синергетики существенно уменьшило эти различия, сблизив предметы физики и химии.
Важная заслуга химии заключается в том, что она показала большое значение структуры для свойств вещества и ее относительную самостоятельность. Скажем, алмаз и графит имеют одинаковый вещественный состав (они состоят из углерода), но различие их структур (решетчатая у алмаза и слоистая у графита) приводит к коренному различию свойств. Алмаз — один из самых твердых веществ, а графит, напротив, очень мягок. Именно оценив важность структуры, химия стала родоначальницей структурного подхода, который затем распространился на другие науки, и не только естественные, но и гуманитарные.
Большое значение в химии XX в. имело изучение катализаторов — веществ, которые изменяют скорость реакций, но не входят в состав их конечного продукта. Катализаторы важны для процессов, происходящих в живых организмах. Примером катализаторов является хлорофилл — вещество в живой ткани зеленого листа, благодаря которому происходит процесс фотосинтеза.
Химия имеет ныне огромное практическое значение. Повышение урожайности сельскохозяйственных культур благодаря применению минеральных удобрений и ядохимикатов дало возможность говорить о «зеленой революции», но это же привело к загрязнению почв и самих производимых продуктов, так что в большей цене оказались продукты, выращенные «без химии». В промышленности новые химические вещества дали возможность существенно обогатить производственный потенциал, но и это повлекло за собой отрицательные экологические последствия, так как большинство новых химических веществ не усваивалось природной средой и, таким образом, тоже становилось ее загрязнителями. Химия нашла широкое применение в быту, в частности в косметике (появилось выражение «сделать химию»), что также имело свою обратную экологическую сторону.
К 1914 г. были открыты отрицательные и положительные частицы: отрицательная — электрон (в конце XIX в.), положительная — позже, и в 1920 г. английский ученый Э. Резерфорд (1871–1937) назвал ее протоном. В 1932 г. английский ученый Д. Чедвик (1891–1974) открыл частицу с такой же массой, как у протона, но не несущую электрического заряда. Ее назвали нейтроном. В. Гейзенберг сразу же после открытия нейтрона предположил, что положительно заряженные частицы большой массы представляют собой протонно-нейтронные комбинации.
Э. Резерфорд с 1906 г. бомбардировал альфа-частицами тонкие листочки металла. На основании того, что большинство альфа-частиц беспрепятственно проходили через пластинки, а некоторые резко отклонялись, он создал теорию строения атома, в соответствии с которой атом имеет небольшое плотное ядро и электронные оболочки, занимающие основную часть объема атома. Немецкий ученый М. Лауэ (1879–1960) в 1909 г., бомбардируя рентгеновскими лучами кристаллы, установил, что они состоят из атомов, образующих кристаллическую решетку.
В 1920 г. Д. Чедвик экспериментально доказал равенство заряда ядра порядковому номеру химического элемента в Периодической системе элементов Менделеева и возникло новое определение химического элемента. Вместо вещества, неразложимого на более простые, химический элемент стали понимать как совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Именно зарядом, который зависит от количества протонов в ядре, определяются свойства химического элемента. Количество нейтронов в ядре не всегда одинаково, и в этом случае говорят, что химический элемент имеет несколько изотопов. Так, калий имеет три изотопа — калий-39, калий-40 и калий-41, где числа обозначают атомную массу, которая равна сумме протонов и нейтронов (масса электронов во много раз меньше).
В 1934 г. французскими физиками Ф. и И. Жолио-Кюри были получены первые искусственные изотопы, т. е. изотопы, которые отсутствуют в природе. В 1937 г. создан первый искусственный химический элемент, который назвали технецием.
Теоретической основой систематизации химических элементов послужила периодическая система Д.И. Менделеева. Важной в химии является теория химического строения А.М. Бутлерова, созданная во второй половине XIX в. В своей теории он дал определение понятия химического строения как распределения принадлежащих атомам сил сродства, вследствие которых образуются химические связи различной прочности. Он обратил внимание на то, что различная реакционная способность разных соединений объясняется большей или меньшей энергией, с которой связываются атомы (т. е. энергией связей), а также полным или неполным потреблением единиц сродства при образовании химических связей.
Фундаментальная для химии теория химической связи была создана в первые десятилетия XX в. после того, как атомная физика выяснила внутреннее строение молекул и вышла на уровень, который находится ниже молекулярного, — атомный. В 1916 г. Г. Льюис (1875–1946) и И. Ленгмюр (1881–1957) независимо друг от друга установили, что связь между атомами в молекуле осуществляют электроны. Когда два атома сталкиваются и вступают в реакцию, они или перераспределяют свои электроны и после расходятся, или объединяют свои электроны. Электроны располагаются вокруг ядра атома оболочками и при столкновении во взаимодействие вступают внешние оболочки. Часть электронов переходит из внешней оболочки одного атома во внешнюю оболочку другого. Оба атома оказываются противоположно заряженными и начинают притягиваться друг к другу, создавая химическую связь, называемую ионной. Атомы могут также объединять свои электроны, представляя их в совместное пользование. Такая связь получила название ковалентной.
Превращение одного вещества в другое называется химической реакцией. Химия изучает способность веществ вступать в химические реакции и характер протекания реакций. Реакционная способность веществ зависит от их структуры, а течение реакций — от состава реагирующих веществ и влияния внешних факторов (давления, температуры и т. п.). К важнейшим факторам, влияющим на скорость реакций, относятся: природа реагирующих веществ и их концентрация, размеры частиц реагентов, присутствие в системе катализаторов, температура и давление газообразных реагентов. Влияние температуры на скорость реакции определяется правилом Я. Вант-Хоффа, в соответствии с которым при повышении температуры на 10 градусов скорость реакции увеличивается в 2–4 раза. Закон действующих масс в химической кинетике выражает зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ. Все химические реакции делятся на гетерогенные и гомогенные. Последние протекают в однородной однофазной системе.
К основным химическим понятиям относится понятие химического равновесия, под которым понимается одинаковость скоростей прямой и обратной реакций. Химическое равновесие называют динамическим, поскольку протекают и прямая, и обратная реакции, но изменения в системе отсутствуют.
Выдающееся достижение химии заключалось в том, что она открыла так называемые цепные реакции еще до того, как в физике был обнаружен радиоактивный распад. Суть цепной реакции Н.Н. Семенов описывает так: «Энергии кванта достаточно для того, чтобы двухатомная молекула хлора распалась на отдельные атомы. Каждый из них активнее первоначальной молекулы и потому легко вступает в реакцию с молекулой водорода. Она также двухатомна. Один из ее атомов вместе с атомом хлора дает молекулу продукта — хлористого водорода, а другой атом водорода остается свободен. Теперь он легко вступает в реакцию с ближайшей молекулой хлора, образуя вторую молекулу хлористого водорода и отдельный атом хлора… Это повторяется много-много раз, возникает как бы длинная цепь реакций»[84].
Советскому ученому Н.Н. Семенову предстояло открыть разветвленные цепные реакции. Его описание данного открытия раскрывает внутренний механизм научного творчества как такового. «Я уже сейчас не помню хорошо, когда у меня мелькнула догадка, что реакция окисления фосфора отличается от реакции хлора с водородом… Не помню, как мне пришла в голову главная мысль, что в ходе этой реакции образуются не обычные молекулы пятиокиси фосфора, а молекулы возбужденные — имеющие избыточную энергию, что и является причиной испускания света при соединении фосфора с кислородом. Но иногда возбужденная молекула пятиокиси фосфора может столкнуться с неактивной молекулой кислорода, еще не успев испустить свет. Тогда эта избыточная энергия вызывает расщепление кислородной молекулы на активные атомы, каждый из которых, в свою очередь, начинает боденштейновскую прямую цепь реакции окисления фосфорных паров»[85].
Теория разветвленных цепных реакций дала начало новому направлению исследований — химической физике, дисциплине, промежуточной между физикой и химией.
В химии были также открыты колебательные реакции, получившие название «химических часов». «Ведь, что, в самом деле, происходит? Основа колебательной реакции — наличие двух типов молекул, способных превращаться друг в друга. Назовем один из них А (красные молекулы), другой — В (синие). Мы привыкли думать, что химическая реакция — это хаотические, происходящие наобум столкновения частиц. По этой логике взаимные превращения А и В должны приводить к усредненному цвету раствора со случайными вспышками красного и синего. Но когда условия далеки от равновесных, происходит совершенно иное: раствор в целом становится красным, потом синим, потом снова красным. Получается, будто молекулы как бы устанавливают связь между собой на больших, макроскопических расстояниях через большие, макроскопические отрезки времени. Появляется нечто похожее на сигнал, по которому все А или все В реагируют разом… Такое поведение традиционно приписывалось только живому — теперь же ясно, что оно возможно и у систем сравнительно простых, неживых»[86].
Химия делится на органическую, изучающую вещества, в состав которых входит углерод, и неорганическую. Органический синтез — синтез природных соединений — имеет важнейшее практическое значение. Основной практической задачей химии является получение веществ с заданными свойствами. На протяжении XX в. было синтезировано огромное количество веществ, которые до этого человечество находило лишь в природном состоянии, — различные лекарства, витамины, удобрения, детергенты, каучук и т. д. В настоящее время ведутся работы по выработке технологии создания новых материалов не только из неорганических соединений, но и из растительного сырья: кукурузы (из ее стеблей, которые сжигают) и т. п. Одно из перспективных направлений — создание биодеградируемой упаковки. Представьте, баночка из-под йогурта, брошенная не очень-то культурным человеком в воду или на газон, в считанные дни исчезнет, разложившись до углекислого газа и воды, и количество углекислого газа при этом не увеличивается, как при использовании нефти. Это получило название «зеленая химия».
Химия идет по технологическому пути, так как свойства естественных молекул уже достаточно хорошо изучены, и задача — создавать новые вещества с новыми, неизвестными природе свойствами, как, например, пластмассы. Ежегодно синтезируется более 6 000 новых химических соединений. И необходимо включать их в природные кругообороты, чтобы не осложнялись экологические проблемы.
С появлением новых промышленных процессов, средств связи (например, сотовой связи) возникает все большая потребность в новых материалах. Необычное и даже неожиданное словосочетание — интеллектуальные, или разумные, материалы. Это вещества нового поколения, которые оптимизируют свои характеристики в зависимости от внешних условий. Такие материалы откликаются на всякое физическое воздействие: крыло новой машины автоматически меняет свою форму, чтобы оптимально соответствовать аэродинамическим условиям или оптимизировать угол атаки. Некоторые детали (например, лопатки турбин) выращивают из расплава как кристалл — целиком нужной формы. Такова химия XXI века.
Биохимия изучает химические реакции, происходящие в живых организмах, химический состав живых организмов и клеток. Эта промежуточная между биологией и химией наука получила развитие именно в XX в. Объяснение функционирования какого-либо уровня организации материи в биохимии заключается в переводе его на более низкий уровень. Мы говорили в связи с этим о принципе редукционизма, имеющем важнейшее значение в науке. Биохимия стремится объяснить функционирование живых тел на молекулярном уровне, поэтому говорят также о молекулярной биологии.
Из всех химических элементов, которых более 100, для жизни необходимы главным образом 16, причем 99 % входящих в состав живых организмов химических элементов составляют углерод, водород, кислород и азот. Биохимия изучает роль химических элементов и веществ, таких как вода, в создании и функционировании живого. Биохимию называют химией живых организмов. Она является фундаментом для физиологии и выполняет объяснительную роль для всех биологических процессов. Биохимия изучает такие важные соединения, как аминокислоты и белки, макромолекулы которых содержат до 1 000 аминокислот. Пример белковой молекулы — гемоглобин. В животной клетке находится порядка 5000 различных видов белка.
Основоположником биогеохимии стал выдающийся русский ученый XX в. В.И. Вернадский, чье имя будет не раз встречаться на страницах этой книги. Биогеохимия изучает распространение химических элементов по поверхности Земли под влиянием живых организмов. Это пример пограничной науки, которая состоит из трех наук — биологии, химии и геологии.
Согласно двум биогеохимическим принципам В.И. Вернадского биогенная миграция атомов в биосфере стремится к максимальному проявлению, и в биосфере должны возникать виды и формы организованности, увеличивающие биогенную энергию. Другими словами, эволюция биосферы имеет направленность.
В.И. Вернадский шел от геохимии к биогеохимии, а от нее — к учению о биосфере. Иным путем — от изучения взаимодействий живых организмов с окружающей средой к понятию биосферы пришла экология.
1. Что такое структурный подход, и каково его значение в современной науке?
2. Каковы основные выводы теории химической связи?
3. Что такое цепная реакция?
4. Каково практическое значение химии в XX в.?
5. Что вы можете сказать о предмете биохимии?
6. Каков предмет биогеохимии?
I. Ответьте на вопросы.
1. Чем отличается атом от молекулы?
2. Где и как образуются и превращаются друг в друга химические элементы?
3. В чем суть биогеохимических принципов В.И. Вернадского?
4. Как В.И. Вернадский пришел к созданию биогеохимии?
II. Прокомментируйте высказывание.
«Нельзя не отметить принципиальное концептуальное различие между физикой и химией. В классической физике мы можем представлять себе обратимые процессы, такие как движения маятника без трения. Пренебрежение необратимыми процессами в динамике всегда соответствует идеализации, но, по крайней мере, в некоторых случаях эта идеализация разумна. В химии все обстоит совершенно иначе. Процессы, изучением которых она занимается (химические превращения, характеризуемые скоростями реакций), необратимы. По этой причине химию невозможно свести к лежащей в основе классической или квантовой механики идеализации, в которой прошлое и будущее играют эквивалентные роли» (И. Пригожин, И. Стенгерс).
Азимов А. Краткая история химии. — М., 1983.
Вернадский В.И. Химическое строение Земли. — Различные издания.
О том, как делаются научные открытия // Краткий миг торжества: Сб. — М., 1989.
Глава 11
Эволюционная биология
Одним из наиболее трудных и в то же время интересных в современном естествознании является вопрос о происхождении жизни. Он труден потому, что когда наука подходит к проблемам развития как создания качественно нового, она оказывается у предела своих возможностей как отрасли культуры, основанной на доказательстве и экспериментальной проверке утверждений.
Ученые сегодня не в состоянии воспроизвести процесс возникновения жизни. Даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь модельным экспериментом, лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на Земле. Методологическая трудность заключается в невозможности проведения прямого эксперимента по возникновению жизни, так как уникальность этого процесса препятствует использованию основного научного метода.
Вопрос о происхождении жизни интересен не только сам по себе, но и тесной связью с проблемой отличия живого от неживого, а также с проблемой эволюции жизни. В чем сущность живого? Как механизмы эволюции действовали при зарождении жизни?
Итак, что такое живое и чем оно отличается от неживого? Есть несколько фундаментальных различий в вещественном, структурном и функциональном планах. В вещественном плане в состав живого обязательно входят высокоупорядоченные макромолекулярные органические соединения, называемые биополимерами, — белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). В структурном плане живое отличается от неживого клеточным строением. В функциональном плане для живых тел характерно воспроизводство самих себя. Устойчивость и воспроизведение есть и в неживых системах, но в живых телах имеет место процесс самовоспроизведения. Не что-то воспроизводит их, а они сами воспроизводят себя. Это принципиально новый момент.
Живые тела отличаются от неживых также наличием обмена веществ, способностью к росту и развитию, активной регуляцией своих состава и функций, способностью к движению, раздражимостью, приспособленностью к среде и т. д. Неотъемлемым свойством живого является деятельность, активность. Все живые существа должны действовать, в противном случае они погибают.
Однако строго научное разграничение живого и неживого встречает определенные трудности. Имеются переходные формы от нежизни к жизни. Так, например, вирусы, находящиеся вне клеток другого организма, не обладают ни одним из атрибутов живого. У них есть наследственный аппарат, но отсутствуют основные, необходимые для обмена веществ, ферменты, и поэтому они могут расти и размножаться лишь проникая в клетки организма-хозяина и используя его ферментные системы. В зависимости от того, какой признак считают самым важным, вирусы относят или не относят к живым системам.
Существует пять концепций возникновения жизни:
1) креационизм — божественное сотворение живого;
2) концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества (ее придерживался еще Аристотель, который считал, что живое может возникать и в результате разложения почвы);
3) концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;
4) концепция панспермии — внеземного происхождения жизни;
5) концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.
Первая концепция является религиозной и к науке прямого отношения не имеет. Вторую опроверг изучавший деятельность бактерий французский микробиолог XIX в. Л. Пастер, известный нам по названию его опытов, вошедших в современную технологию, — «пастеризация». Третья из-за своей умозрительности всегда имела немного сторонников.
К началу XX в. в науке господствовали две последние концепции. Концепция панспермии, согласно которой жизнь была занесена на Землю извне, опиралась на обнаружение при изучении метеоритов и комет «предшественников живого» — органических соединений, которые (возможно) и сыграли роль «семян».
У концепции появления жизни на Земле в историческом прошлом два варианта. Согласно одному происхождение жизни — результат случайного образования единичной «живой молекулы», в строении которой был заложен весь план дальнейшего развития живого.
По мнению французского биолога Ж. Моно, жизнь не следует из законов физики, но совместима с ними; жизнь — событие, исключительность которого необходимо сознавать. Согласно другой точке зрения, происхождение жизни — результат закономерной эволюции материи.
В XX в. появились первые научные модели происхождения жизни. В 1924 г. в книге А.И. Опарина «Происхождение жизни» была впервые сформулирована естественно-научная концепция, согласно которой возникновение жизни — результат длительной эволюции на Земле — сначала химической, а затем биохимической. Эта концепция получила наибольшее признание в научной среде.
Можно выделить несколько этапов развития живых систем, начиная с самых простейших и затем следуя по пути постепенного усложнения. В вещественном плане для становления жизни нужен прежде всего углерод. Жизнь на Земле основана на этом элементе, хотя в принципе можно предположить существование жизни и на кремниевой основе. Возможно, где-то во Вселенной существует и «кремниевая цивилизация», но на Земле основой жизни является углерод.
Чем это обусловлено? Атомы углерода вырабатываются в недрах больших звезд в необходимом для образования жизни количестве. Углерод способен создавать несколько десятков миллионов подвижных, низкоэлектропроводных, студенистых, насыщенных водой, длинных, скрученных цепеобразных структур. Соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, фосфором, серой и железом обладают замечательными каталитическими, строительными, энергетическими, информационными и иными свойствами.
Кислород, водород и азот наряду с углеродом можно отнести к «кирпичикам» живого. Клетка состоит на 70 % из кислорода, на 17 % — из углерода, на 10 % — из водорода и на 3 % — из азота. Все «кирпичики» живого принадлежат к наиболее устойчивым и распространенным во Вселенной химическим элементам. Они легко соединяются между собой, вступают в реакции и обладают малым атомным весом. Их соединения легко растворяются в воде.
По радиоастрономическим данным органические вещества существовали не только до появления жизни, но и до формирования нашей планеты. Следовательно, органические вещества абиогенного происхождения присутствовали на Земле уже при ее образовании.
При образовании Земли из космической пыли (частиц железа и силикатов — веществ, в состав которых входит кремний) и газа на внешних участках Солнечной системы газы могли конденсироваться. Органические соединения могли синтезироваться и на поверхности пылинок.
Химические и палеонтологические исследования древнейших докембрийских отложений и особенно многочисленные модельные эксперименты, воспроизводящие условия, которые господствовали на поверхности первобытной Земли, позволяют понять, как в этих условиях происходило образование все более сложных органических веществ.
Жизнь возможна только при определенных физических и химических условиях (при определенной температуре, наличии воды, солей и т. д.). Прекращение жизненных процессов, например при высушивании семян или глубоком замораживании мелких организмов, не ведет к потере жизнеспособности. Если структура организма сохраняется неповрежденной, при возвращении к нормальным условиям жизненные процессы восстанавливаются.
Также и для возникновения жизни необходимы определенные показатели температуры, влажности, давления, уровня радиации, определенная направленность развития Вселенной и определенное время. Взаимное удаление галактик приводит к тому, что их электромагнитное излучение доходит до Земли сильно ослабленным. Если бы галактики сближались, то плотность радиации во Вселенной была бы столь велика, что жизнь не могла бы существовать. Углерод синтезирован в звездах-гигантах несколько миллиардов лет назад. Если бы возраст Вселенной был меньше, то жизнь также не могла бы возникнуть. К тому же планеты должны иметь определенную массу для того, чтобы удержать атмосферу. Список этих условий может быть продолжен.
Наша планета — «золотая середина» в Солнечной системе. Она наиболее подходит для зарождения жизни. Возраст Земли — примерно 4–5 млрд. лет. Температура ее поверхности в начальный период составляла 4000–8000 °C. По мере того как Земля остывала, углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовывали земную кору.
Атмосфера раньше была совершенно иной. Легкие газы — водород, гелий, азот, кислород — уходили из атмосферы, так как гравитационное поле нашей еще недостаточно плотной планеты не могло их удержать. Простые же соединения, содержащие эти элементы, удерживались.
Первичная атмосфера содержала водород и соединения углерода (метан) и азота (аммиак). Отсутствие в атмосфере кислорода было, вероятно, необходимым условием возникновения жизни: лабораторные опыты показывают, что органические вещества гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере, богатой кислородом. О том, что атмосфера была именно такой, свидетельствуют самые древние горные породы на Земле.
Существуют разные точки зрения на время возникновения жизни на Земле. По мнению В.И. Вернадского, жизнь появилась одновременно с образованием Земли. А.И. Опарин считал, что периоду развития жизни предшествовал длительный период химической эволюции Земли, во время которого образовались сложные органические вещества и протоклетки. Возникновение последних положило начало биохимической эволюции.
Известны три способа синтеза природных органических веществ. Во-первых, углерод и азот вещества могли возникать в расплавленных глубинах Земли и выноситься на поверхность при вулканической деятельности, попадая далее в океан.
Во-вторых, как полагал А.И. Опарин, органические вещества могли создаваться и в океане из более простых соединений. Энергию для этих реакций синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнечная радиация (главным образом ультрафиолетовая), попадавшая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. Разнообразие находящихся в океанах простых соединений, огромная площадь поверхности Земли, доступность энергии и значительные временные масштабы позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался тот «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь.
Наконец, органические соединения могли образоваться во Вселенной из неорганического космического «сырья».
Для построения любого сложного органического соединения, входящего в состав живых тел, необходим определенный набор блоков-мономеров (низкомолекулярных соединений): 29 мономеров (из них 20 аминокислот, 5 азотистых оснований) определяют биохимическое строение любого живого организма. Организм состоит из аминокислот, из которых построены все белки, азотистых соединений — составных частей нуклеиновых кислот, глюкозы — источника энергии, жиров — структурного материала, идущего на построение в клетке мембран и запасающего энергию.
После того как углеродистые соединения образовали «первичный бульон», могли уже организоваться биополимеры — белки и нуклеиновые кислоты, обладающие свойством самовоспроизводства себе подобных. Необходимая концентрация веществ для образования биополимеров могла возникнуть в результате осаждения органических соединений на минеральных частицах, например, на глине или гидроокиси железа, входящих в состав ила прогреваемого Солнцем мелководья. Кроме того, органические вещества могли образовать на поверхности океана тонкую пленку, которую ветер и волны гнали к берегу, где она собиралась в толстые слои. В химии известен аналогичный процесс объединения родственных молекул в разбавленных растворах.
В начальный период формирования Земли вды, пропитывающие земной грунт, непрерывно перемещали растворенные в них вещества из мест их образования в места накопления. Там формировались пробионты — системы органических веществ, способных взаимодействовать с окружающей средой, т. е. расти и развиваться за счет поглощения из окружающей среды разнообразных богатых энергией веществ.
В этом случае можно говорить о примитивном отборе, ведущем к постепенному усложнению и упорядоченности как обеспечивающих преимущество в выживании. Механизм отбора действовал на самых ранних стадиях зарождения органических веществ: из множества образующихся веществ сохранялись устойчивые к дальнейшему усложнению.
Затем образовались микросферы — шаровидные тела, возникающие при растворении и конденсации абиогенно полученных белковоподобных веществ.
В подтверждение возможности абиогенного синтеза были проведены следующие опыты. Воздействуя на смесь газов электрическими зарядами, имитирующими молнию, и ультрафиолетовым излучением, ученые получали сложные органические вещества, входящие в состав живых белков. Органические соединения, играющие большую роль в обмене веществ, были искусственно получены при облучении водных растворов углекислоты. Американский ученый С. Миллер в 1953 г. синтезировал ряд аминокислот при пропускании электрического заряда через смесь газов, предположительно составлявших первичную земную атмосферу. Были синтезированы и простые нуклеиновые кислоты. Этими экспериментами было показано, что абиогенное образование органических соединений во Вселенной могло происходить в результате воздействия тепловой энергии, ионизирующего и ультрафиолетового излучений и электрических разрядов. Первичным источником этих форм энергии служат термоядерные процессы, протекающие в недрах Земли.
Как показывает синергетика, энергия имела для возникновения жизни не меньшее значение, чем вещество. По мнению И. Пригожина, некоторые из первых стадий эволюции жизни были связаны с возникновением механизмов, способных поглощать и трансформировать химическую энергию, как бы выталкивая систему в сильно-неравновесные условия.
Неравновесные структуры — это лишь переход к живому, так как воспроизводства в них еще нет. Итак, в образовании органических соединений большую роль играло не только вещество космического пространства, но и энергия звезд.
Начало жизни на Земле связано с появлением нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков. Теория биохимической эволюции предлагает лишь общую схему перехода от сложных органических веществ к простым живым организмам. В соответствии с ней на границе между коацерватами — сгустками органических веществ — могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что привело к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват молекулы, способной к самовоспроизведению, могла возникнуть примитивная клетка, способная к росту.
Самое трудное для данной модели — объяснить способность живых систем к самовоспроизведению, т. е. переход от сложных неживых систем к простым живым организмам. Несомненно, в модель происхождения жизни будут включаться новые знания, и они будут все более обоснованными. Но повторимся, что чем более качественно новое отличается от старого, тем труднее объяснить его возникновение. Поэтому речь идет лишь о моделях и гипотезах, а не о теориях.
Так или иначе, следующим шагом в организации живого должно было быть образование мембран, отделяющих смеси органических веществ от окружающей среды. С их появлением можно говорить о клетке — «единице жизни», главном структурном отличии живого от неживого.
Все основные процессы, определяющие поведение живого организма, протекают в клетках. Тысячи химических реакций происходят одновременно для того, чтобы клетка могла получить необходимые питательные вещества, синтезировать специальные биомолекулы и удалять отходы. Огромное значение для биологических процессов в клетке имеют ферменты. Они обладают часто высокой специализированностью и могут влиять только на одну реакцию. Принцип их действия в том, что молекулы других веществ стремятся присоединиться к активным участкам молекулы фермента. Тем самым повышается вероятность их столкновения, а следовательно, и скорость химической реакции.
Синтез белка осуществляется в цитоплазме клетки. Почти в каждой клетке человека синтезируется свыше 10 тыс. разных белков. Величина клеток — от микрометра до более 1 м (у нервных клеток, имеющих отростки). Клетки могут быть дифференцированными (нервные, мышечные и т. д.). Большинство из них обладает способностью восстанавливаться, но некоторые, например нервные, — не восстанавливаются или почти не восстанавливаются.
Первые клетки не имели ядер. Клетки без ядра, но имеющие нити ДНК, напоминают существующие ныне бактерии и сине-зеленые водоросли.
Возраст этих самых древних организмов — около 3 млрд. лет. Они обладают различными свойствами, среди которых: подвижность; способность питаться и запасать пищу и энергию; защита от нежелательных воздействий; способность к размножению; раздражимость; приспособление к изменяющимся внешним условиям; способность к росту.
На следующем этапе (приблизительно 2 млрд. лет тому назад) в клетке появляется ядро. Одноклеточные организмы с ядром называются простейшими. Их 25–30 тыс. видов. Самые примитивные из них — амебы. Более сложные, инфузории, имеют еще и реснички. Ядро простейших окружено двухмембранной оболочкой с порами и содержит хромосомы и нуклеоли. Ископаемые простейшие — радиолярии и фораминиферы — являются основными частями осадочных горных пород. Многие простейшие обладают сложным двигательным аппаратом.
Примерно 1 млрд. лет тому назад появились первые многоклеточные организмы, и произошел выбор растительного или животного образа жизни. Первый важный результат растительной деятельности — фотосинтез. Фотосинтез — это появление органического вещества из углекислоты и воды при использовании солнечной энергии, улавливаемой хлорофиллом. Продукт фотосинтеза — кислород в атмосфере.
Возникновение и распространение растительности привело к коренному изменению состава атмосферы, первоначально имевшей очень мало свободного кислорода. Растения, ассимилирующие углерод из углекислого газа, создали атмосферу, содержащую свободный кислород, — не только активный химический агент, но и источник озона, преградившего путь коротким ультрафиолетовым лучам к поверхности Земли.
Веками накапливавшиеся остатки растений образовали в земной коре грандиозные энергетические запасы органических соединений (уголь, торф), а развитие жизни в Мировом океане привело к созданию осадочных горных пород, состоящих из скелетов и других останков морских организмов.
К важным свойствам живых систем относятся:
1) компактность. В 5 10-15 г ДНК, содержащейся в оплодотворенной яйцеклетке кита, заключена информация для подавляющего большинства признаков животного, которое весит 5 107 г (масса возрастает на 22 порядка);
2) способность создавать порядок из хаотического теплового движения молекул и тем самым противодействовать возрастанию энтропии. Живое потребляет отрицательную энтропию и работает против теплового равновесия, увеличивая, однако, энтропию окружающей среды. Чем более сложно устроено живое вещество, тем более в нем скрытой энергии и энтропии;
3) обмен с окружающей средой веществом, энергией и информацией — живое способно ассимилировать полученные извне вещества, т. е. перестраивать их, уподобляя собственным материальным структурам и за счет этого многократно воспроизводить их;
4) в метаболических функциях большую роль играют петли обратной связи, образующиеся при автокаталитических реакциях. «В то время как в неорганическом мире обратная связь между „следствиями“ (конечными продуктами) нелинейных реакций и породившими их „причинами“ встречается сравнительно редко, в живых системах обратная связь (как установлено молекулярной биологией), напротив, является, скорее, правилом, чем исключением»[87]. В живых системах имеют место автокатализ, кросс-катализ и автоингибиция — процесс, противоположный катализу (если присутствует данное вещество, оно не образуется в ходе реакции). Для создания новых структур нужна положительная обратная связь, а для устойчивого существования — отрицательная обратная связь;
5) жизнь качественно превосходит другие формы существования материи в плане многообразия и сложности химических компонентов и динамики протекающих в живом превращений. Живые системы характеризуются гораздо более высоким уровнем упорядоченности и асимметрии в пространстве и времени. Структурная компактность и энергетическая экономичность живого — результат высочайшей упорядоченности на молекулярном уровне;
6) в самоорганизации неживых систем молекулы просты, а механизмы реакций сложны; в самоорганизации живых систем, напротив, схемы реакций просты, а молекулы сложны;
7) у живых систем есть прошлое, у неживых его нет. «Целостные структуры атомной физики состоят из определенного числа элементарных ячеек, атомного ядра и электронов и не обнаруживают никакого изменения во времени, разве что испытывают нарушение извне. В случае такого внешнего нарушения они, правда, как-то реагируют на него, но если нарушение было не слишком большим, они по прекращению его снова возвращаются в исходное положение. Но организмы — не статические образования. Древнее сравнение живого существа с пламенем говорит о том, что живые организмы, подобно пламени, представляют собой такую форму, через которую материя в известном смысле проходит как поток»[88];
8) жизнь организма зависит от двух факторов — наследственности, определяемой генетическим аппаратом, и изменчивости, зависящей от условий окружающей среды и реакции на них индивида. Интересно, что сейчас жизнь на Земле не могла бы возникнуть из-за кислородной атмосферы и противодействия других организмов. Раз зародившись, жизнь находится в процессе постоянной эволюции;
9) способность к избыточному самовоспроизводству. Это ведет, по Ч. Дарвину, к усилению борьбы за жизнь и ее следственно-естественному отбору.
1. Чем отличается живое от неживого?
2. Вирусы — эо живые или неживые тела? Почему?
3. Каков механизм действия вируса?
4. Каковы концепции происхождения жизни?
5. Какова модель происхождения жизни А.И. Опарина?
6. Зачем нужен озоновый слой в атмосфере?
7. Как образовалась атмосфера на Земле?
8. Что такое фотосинтез?
9. Каковы основные фазы эволюции форм жизни?
10. Каковы важнейшие свойства живых систем?
I. Ответьте на вопросы.
1. Почему проблема происхождения жизни — одна из самых трудных и интересных в науке?
2. Как Л. Пастер доказал, что жизнь не может возникнуть сама по себе? Как это связано с процессом пастеризации?
3. Что нужно, чтобы появилось и могло существовать живое вещество?
4. Каковы современные представления о происхождении жизни?
5. Каковы стадии происхождения жизни по А.И. Опарину?
6. Почему с точки зрения теории вероятностей вероятность возникновения жизни очень мала?
6. Почему деятельность живых систем сравнивают с работой фабрики и одновременно со звучанием симфонии?
Читать бесплатно другие книги:
