Курс лекций Составил: к т. н., доцент Тихонов А. И. 2002г
| Вид материала | Курс лекций |
- Курс лекций по дисциплине «Экономика малых предприятий» Составил: Курочкин, 1063.49kb.
- Курс лекций по предмету «Макроэкономика». Составил: ассистент кафедры, 1929.31kb.
- Курс лекций Барнаул 2001 удк 621. 385 Хмелев В. Н., Обложкина А. Д. Материаловедение, 1417.04kb.
- Книга организация управленческого труда (курс лекций), 2089.08kb.
- Матюшкин Александр Васильевич, кандидат филологических наук, доцент кафедры литературы., 123.47kb.
- Матюшкин Александр Васильевич, кандидат филологических наук, доцент кафедры литературы., 123.48kb.
- Курс лекций по автоматизированному электроприводу для итр проектный организаций с применением, 24.37kb.
- Курс лекций (28 часов) канд филос наук О. В. Аронсон Курс лекций «Математика и современная, 27.49kb.
- Курс лекций в электронной форме содержит все лекции предусмотренные программой дисциплины, 32.88kb.
- В. А. Деденко Л. Г. Караваев В. А. Курс лекций, 48.22kb.
Глобальный эволюционный процесс
Цель: законы, лежащие в основе возникновения жизни; происхождение жизни на Земле
Если мы не знаем своей истории, то мы обречены на повторение ошибок, свершенных уже однажды. Как возникла земная жизнь? Были ли в истории Земли катастрофы, подобные той, которая грозит нам? В чем их причины? Можем ли мы хоть как-то изменить «логику» катастроф и надо ли это делать?
4.1. Принцип самоорганизации
  |
| Рис.10 |
Динамика Вселенной проявляется в двух противоречивых взаимодополнительных процессах: разрушение и созидание.
Исторически первым был открыт принцип разрушения, который более известен как второй закон термодинамики, или принцип роста энтропии: в любом реальном процессе энтропия Вселенной возрастает. Как выяснилось, этот закон имеет всеобщий характер. Он прошел проверку временем и до сих пор считается одним из фундаментальнейших законов природы.
Энтропия есть мера хаоса, а также мера неопределенности, непредсказуемости, абсурда в системе. Мера определенности, предсказуемости, логичности в системе называется негэнтропией или информацией. Чем более упорядочена структура системы, тем более она предсказуема, тем больше ее негэнтропия.
То есть согласно принципу роста энтропии любой процесс сопровождается разрушением упорядоченных структур систем Вселенной и нарастанием хаоса и неопределенности.
Энтропия является также мерой качества энергии, под которым понимают степень ее концентрации и направленности. Чем больше качество энергии, тем меньше ее энтропия, тем большее количество превращений из одной формы в другую она может претерпеть. Например, электрическую энергию (направленное движение электронов) можно превратить в механическую (направленное движение физического тела), затем опять в электрическую, затем, например, в химическую и т.д. При каждом превращении часть энергии необратимо рассеивается в тепло (хаотическое движение частиц), так что КПД любого превращения энергии всегда меньше единицы. В конце концов вся энергия после ряда превращений переходит в тепловую форму. Это конечный пункт любой порции энергии. Дальнейшее полезное использование этой энергии возможно только при наличии более холодного резервуара (холодильника) в окружающей среде. Но когда температура данной порции энергии станет равна температуре окружающей среды, ее повторное использование становится невозможным, энергия окончательно деградирует.
То есть любой процесс сопровождается понижением качества энергии, которая стремится рассеяться по всему объему Вселенной. Это необратимо. Круговорот энергии невозможен. Все в мире разрушается и деградирует. Как считал Больцман, когда-нибудь вся энергия рассеется по Вселенной, выравняются все температуры, и все процессы остановятся, что знаменует собой “тепловую смерть Вселенной”. Согласно современным представлениям “тепловая смерть” нам не угрожает, так как Вселенная расширяется, о чем Больцман еще не знал.
Принцип роста энтропии можно вывести из первого постулата принципа оптимальности (см. предыдущую главу). В вариационной формулировке принцип роста энтропии звучит следующим образом: система стремится к состоянию, в котором незначительные изменения данного состояния не приводят к существенному изменению энтропии (энтропия - это интегральная функция, то есть обладает свойствами функционала). Особенно наглядно это можно наблюдать на примере простейшей статистической системы, представляющей собой ящик, заполненный подвижными частицами (рис.10). Опуская подробности расчета энтропии, можно сказать, что энтропия такой системы минимальна S1
0, когда все частицы расположены упорядоченной компактной группой. Положение какой-то отдельной частицы в этом случае оказывается более предсказуемым, чем если бы частицы располагались менее компактно. Энтропия максимальна S2Smax, когда частицы хаотично рассеяны по объему ящика. Если мы удалим одну частицу из компактной группы и перенесем ее в любое другое место ящика, то новое значение энтропии системы S’1 окажется существенно больше предыдущего, то есть dS1 = S’1 - S1
0. Если мы сделаем аналогичную перестановку в системе с хаотичным распределением частиц, то энтропия системы от этого практически не изменится, то есть dS2 = S’2 - S2 0. Поэтому согласно принципу оптимальности статистическая система со временем придет именно к такому хаотичному состоянию с энтропией, близкой к максимально возможному для данной системы значению.Парадокс жизни состоит в том, что вопреки второму закону термодинамики биосистемы способны наращивать и усложнять свою упорядоченную структуру, понижая тем самым внутреннюю энтропию. Правда, как выяснилось, в целом это не противоречит принципу роста энтропии, так как жизнедеятельность биосистем приводит к еще большему росту хаоса в окружающей среде. То есть энтропия Вселенной в целом все-таки нарастает. И тем не менее, как казалось поначалу, этот парадокс ставил запрет на существовании жизни. Поэтому долгое время теория эволюции развивалось в полном отрыве от физики, которая не могла понять, как это вообще возможно. Ответ был получен только в середине двадцатого века, когда выяснилось, что запрет существует только для замкнутых систем, которые в чистом виде в природе вообще отсутствуют. Все живые организмы существуют только потому, что они открыты для окружающей среды. Парадокс был рожден, по сути дела, механистическим подходом к попытке понять жизнь. Только в механистической науке существует понятие замкнутой системы, оторванной от внешнего мира.
Наличие процессов эволюции, усложнения форм жизни вытекает из принципа единства Вселенной и принципа дополнительности (дуальности): при наличии во Вселенной процессов разрушения следует ожидать в ней равного по объему созидания. Более конкретно, жизнь является следствием принципа Ле Шателье - Брауна: рост энтропии Вселенной вызывает процессы, сдерживающие этот рост, то есть направленные на рост негэнтропии, а значит, на возникновение и усложнение упорядоченных структур. Это называется самоорганизацией.
Неизбежность самоорганизации в природе можно вывести также и из второго постулата принципа оптимальности, сформулированного в форме вариационного принципа минимума диссипации (рассеяния) энергии: если возможно множество сценариев протекания процесса, согласных с законами сохранения и связями, наложенными на систему, то в реальности процесс протекает по сценарию, которому отвечает минимальное рассеяние энергии, то есть минимальный прирост энтропии. Другими словами, если в ходе процесса возможно образование упорядоченных устойчивых статических или динамических структур в локальных областях системы, то они обязательно возникнут, уменьшая тем самым суммарный прирост энтропии. Поэтому принцип минимума диссипации энергии, открытый создателем неравновесной термодинамики Пригожиным (датчанин, но по происхождению русский), можно считать одной из формулировок принципа самоорганизации.
Долгое время было непонятно, каким образом в живых организмах обходится запрет на рост энтропии. Сейчас мы знаем, что в основе самоорганизации лежит принцип Онзагера: одновременно протекающие процессы могут влиять друг на друга так, что хотя в каждом из процессов в отдельности энтропия не может уменьшаться, но, взятые вместе, они могут компенсировать уменьшение энтропии в одном из процессов за счет еще большего увеличения в других. В итоге по всем процессам энтропия растет. Можно заметить, что принцип Онзагера строится на понятии эмерджентности: совокупность взаимосвязанных процессов может обладать свойствами, совершенно немыслимыми в каждом из процессов в отдельности, их нельзя вывести из суммы свойства отдельных процессов.
Следствия из принципа Онзагера:
1) самоорганизующая система должна быть открытой по отношению к окружающей среде;
2) она может существовать, уменьшая внутреннюю энтропию, только за счет увеличения энтропии (разрушения) внешней среды.
То есть существование жизни во Вселенной оказывается возможным лишь благодаря данному нам “разрешению” на разрушение окружающей среды и рассеяние энергии. Любое изменение внутри самоорганизующейся системы (например протекание физиологических процессов в организме) согласно второму закону термодинамики приводит к росту энтропии (неопределенности, хаоса, ошибки). Это грозит живому организму потерей упорядоченности. Поэтому организм может существовать лишь выводя эту энтропию (хаос) в окружающую среду. Вывести энтропию значит упорядочить внутреннюю организацию. Это можно представить так же и как процесс поглощения информации (негэнтропии, порядка) извне, то есть, отнимая порядок из окружающей среды (внося в нее разрушение), мы за счет этого упорядочиваем свою внутреннюю структуру.
Поэтому любая самоорганизующаяся система может существовать только в потоке энергии, при этом энтропия потока энергии на входе в систему меньше, чем энтропия выходного потока (система потребляет более концентрированную энергию, а выдает более рассеянную). Именно в энергетический поток система сбрасывает свою внутреннюю энтропию (неупорядоченность), из этого потока она берет необходимый порядок, что позволяет ей существовать длительное время без саморазрушения. Для этого, например, мы потребляем пищу, разрушая ее внутри себя, высвобождая таким образом накопленную в ней информацию (порядок), и за счет этого упорядочивая свою структуру. Продукты разрушения, несущие в себе хаос, мы выбрасываем в окружающую среду. Даже научная деятельность, связанная с расшифровкой тайн природы, с накоплением емких научных знаний, неизбежно окупается ростом разрушения, вносимым нами в окружающую среду.
Таким образом, мы, в принципе, не можем жить не разрушая. Другое дело, в каких количествах мы имеем право разрушать. Природа накладывает определенный “лимит” на разрушение. Об этом мы будем говорить в следующей главе.
Все, что было здесь сказано в отношении живых организмов, можно с полным основанием распространить и на любые другие самоорганизующиеся системы, которые согласно Пригожину, обладают рядом особенностей:
1) открытостью, то есть их существование немыслимо без постоянного взаимодействия с окружающей средой;
2) неравновесностью, то есть энтропия в данной системе существенно меньше энтропии окружающей среды;
3) нелинейностью, то есть непропорциональностью изменения различных свойств системы, ограниченностью пределов изменения этих свойств, что приводит к разного рода фазовым переходам.
Частным примером может служить самоорганизация в системе, состоящей из металлического порошка, насыпанного тонким слоем на горизонтальную поверхность, облучаемую электромагнитным полем. При этом между частицами проскакивают искры, которые тем интенсивнее, чем более удовлетворяет взаимное расположение частиц условиям резонанса для данной длины волны. Простейший резонансный контур состоит из пары частиц. Возможны и более сложные контуры из нескольких частиц, и между всеми этими частицами проскакивают искры, что приводит к образованию связей между ними из-за их «приваривания» друг к другу. Если какой-то комплекс частиц не удовлетворяет условию резонанса, то искрения в нем не происходит. «Приваривание» (взаимофиксация) частиц увеличивает порядок в их расположении и уменьшает электрическое сопротивление всего комплекса, что можно принять за меру порядка в системе.
Как показывает опыт, в каждый момент времени значительное число комплексов частиц оказывается настроенным в резонанс с волной. То есть хаос в расположении большого числа частиц обязательно дает определенное количество верных для самоорганизации вариантов. При легком встряхивании порошка рушатся уже образовавшиеся связи. Но при этом проявляется действие электромагнитных пондемоторных сил взаимодействия между частицами. В результате частицы не разваливаются, а, наоборот, продвигаются в направлении еще более удачной структуры. То есть происходит дальнейшее упорядочение структуры резонирующего комплекса частиц. Чем более удачен резонатор, тем значительней упорядочивающие силы. Удачные конструкции являются устойчивыми. Менее удачные при встряхивании окончательно разрушаются. Кроме того, удачные комплексы захватывают больше энергии из некоторой площади волны для перестройки своей структуры и лишают энергии неудачные комплексы (борьба за пищу). То есть волна как бы выбирает себе из набора зародышевых резонаторов именно те, которые по воле случая ближе всего отвечают условиям резонанса.
Успеху эксперимента способствует разнообразие "пищи". Наибольший эффект получается, если электромагнитное излучение будет периодическим, но несинусоидальным. Тогда его можно разложить в ряд Фурье, то есть представить большим количеством синусоидальных волн различной частоты и интенсивности. Тогда разные комплексы будут резонировать с разными частотами и даже с целыми пучками частот. В результате искрение за короткий промежуток времени может стать очень большим. При этом замечено, что резонируют в основном не линейные цепочки частиц, а комплексы частиц весьма причудливой формы и размеров. Причем каждая частица в этом комплексе занимает предназначенное для нее место и удаление ее из данного комплекса приводит к угасанию искры - комплекс распадается.
Исследование простейших самоорганизующихся систем позволяет сформулировать более частные принципы и условия, выполнение которых необходимо для возникновения самоорганизации:
1) наличие избыточного множества элементов, находящихся изначально по отношению друг к другу в случайных отношениях;
2) наличие притока извне некоторого организующего фактора (информации), воздействующего на отношения между группами элементов (аналог пищи);
3) система должна быть колебательной и иметь пространство потенциально возможных резонансных структур;
4) наличие положительной обратной связи по структуре: чем ближе структура к резонансу, тем сильнее она к нему стремится;
5) наличие отрицательной обратной связи по потребляемой информации: чем больше информации (пищи) потребляет структура, тем меньше ее остается в окружающей среде (другими словами, количество пищи должно быть ограничено, что вызывает конкуренцию в виде "борьбы за существование"; в процессе конкуренции улучшается структура удачных комплексов и еще больше закрепляется их преимущество перед неудачными);
6) малая величина диссипативных связей, наложенных на систему (малая степень внутреннего трения и прочих каналов рассеяния энергии);
7) узкий диапазон внешних воздействий.
Таким образом, в процессе самоорганизации происходит самопроизвольный поиск устойчивых структур. Под устойчивостью системы понимают ее способность сохранять свою структуру при наличии внешних воздействий на нее (в нашем случае встряхивание); при снятии воздействия такая система должна вернуться в исходное состояние. Для устойчивых систем характерно подобие части и целого. Здесь эта целостность формируется под воздействием внешнего излучения, из которого каждый резонирующий комплекс черпает энергию для поддержания и усложнения собственной структуры. Настройка каждого комплекса на структуру этого энергетического потока создает эффект единения, подобия друг другу и одновременно всей целостности, поддерживаемой данным потоком. Если какой-то комплекс утрачивает подобие с целостностью и с каждым конкретным ее элементом, то он перестает подпитываться энергией (порядком), так как его структура уже не удовлетворяет условию резонанса. В экологии подобные процессы настройки собственной структуры на структуру энергетического потока называются адаптациями. Именно принцип подобия части и целого (резонанс), а вовсе не “закон силы”, лежит в основе естественного отбора среди множества самоорганизующихся систем.
Однако подобие не должно быть абсолютным. Как уже говорилось, устойчивые структуры гармоничны, то есть в них заложено "золотое соотношение" между предсказуемостью (в нашем случае структура резонирующего комплекса должна быть четко увязана со структурой внешнего потока энергии) и непредсказуемостью (никто точно не определяет, какой именно должна быть структура резонирующего контура и какие частицы присоединятся к нему в следующий момент). “Законопослушание” таких систем гарантирует им стабильность за счет притока энергии из электромагнитной волны, а свобода выбора, непредсказуемость дает перспективы для дальнейшего развития. Излишне стабильные комплексы, близкие к абсолютному подобию с целостностью, потребляют из электромагнитной волны только вполне определенное количество энергии, в то время как его «соседи» усложняют свою структуру и потребляют из этой же волны все больше энергии, лишая ее того, кто не способен развиваться. Излишек непредсказуемости также грозит гибелью, так как возможна утрата подобия с целостностью.
Именно здесь, на мой взгляд, лежит основная причина экологической катастрофы. Человек выделился из природы, утратил связь и подобие с ней, стал слишком “свободным”, а потому пошел вслепую по пути, ведущему в «пропасть». Здесь же и ответ на вопрос, как избежать катастрофы. Надо вспомнить, что не природа (метасистема) должна подстраиваться под человека, это было бы равносильно попытке какого-либо комплекса частиц, не удовлетворяющего условиям резонанса с энергетическим потоком, изменить структуру этого потока “под себя”. Человек должен принять главенствующую роль природы и подчиниться ее требованиям.
Но, возможно, наше поведение, наш “бунт” против матери-природы является закономерным и фатально неизбежным? То есть вполне возможно, что сама природа предусмотрела для каких-то целей вероятность подобных бунтов. Для ответа на этот вопрос надо посмотреть, было ли нечто подобное в истории Вселенной.
4.2. Современная космологическая модель
Несмотря на успехи физики в понимании истории Вселенной, рассуждения ученых по этому вопросу можно назвать игрой фантазии, рожденной современными знаниями, экстраполированными на первые мгновения жизни Вселенной. В полном объеме эти знания не могут быть применимы к моменту рождения Вселенной, так как это была сверхэкстремальная ситуация. Тем не менее, основные принципы, рассмотренные нами, вероятно, уже действовали. То есть сразу же наметились две тенденции в жизни Вселенной: разрушение вакуума (ничто есть идеально упорядоченная структура) и созидание (самоорганизация) материи.
Мы не знаем, какими были самые первые структуры во Вселенной. Возможно, в первые моменты бытия Вселенной были реализованы такие первичные структуры, которые имеют прямые аналогии с идеальными образами, используемыми человеком в процессе мышления. Поэтому все древние космологические концепции рисуют творение Вселенной, как свободный волевой акт единого Творца.
Мы уже "догадались", что в ходе этих процессов уже на первых миллисекундах Вселенная стала почему-то электрически неоднородной, возникли условия для зарождения пар противоположно заряженных частиц. То есть Вселенную на этом этапе можно представить в виде своеобразного вакуумного конденсатора, рождающего "из ничего" пары частица-античастица. Откуда взялась энергия для рождения этих частиц? По этому поводу нет единого мнения. Любые рассуждения на эту тему являются лишь гипотезами. Если исходить из информационной модели Вселенной, то понятие энергии сводится к разности энтропий конечного (еще не реализованного, но потенциально возможного) и исходного (реализованного) состояний. Другими словами, энергия есть разность между тем, чего мы могли бы иметь, и тем, чего мы на самом деле имеем. Именно эта разность порождает движущую силу, приводящую в действие весь эволюционный процесс во Вселенной.
Мир элементарных частиц, вероятно, был очень разнообразен. Наши синхрофазотроны довольно грубо моделируют процессы того времени. С ростом количества частиц электрическая неоднородность сглаживалась (конденсатор разряжался). "Рождаемость" частиц сначала замедлилась, потом прекратилась. В этой стадии развития Вселенной наряду с рождением зарядов присутствовала и их смерть - аннигиляция частиц и античастиц с полным переходом их структуры в полевую форму. И вот "рождение" прекратилось, но аннигиляция осталась. Это была "первая экологическая катастрофа", известная нам. К счастью, ранняя Вселенная была почему-то асимметрична: электронов оказалось чуть больше, чем позитронов, а протонов больше, чем антипротонов. Поэтому на каждые 100 миллионов пар "выжила" одна частица. Этого оказалось достаточно для того, чтобы построить все вещество Вселенной, которой в ту пору было несколько секунд от роду.
Эпоха элементарных частиц закончилась. В итоге Вселенная "открыла" устойчивые частицы, которые стали элементами для построения систем более высокого иерархического уровня. Если бы этого не произошло и разрушение элементарных частиц было бы полным, то Вселенная достигла бы максимума энтропии Smax (Вселенная, заполненная излучением) и, возможно, прекратила бы свое существование (хотя бы потому, что без вещества не определены понятия пространства и времени). “Изобретение” устойчивых частиц повысило максимально возможное значение энтропии Вселенной до какой-то величины S’max > Smax, то есть появилась возможность дальнейшего роста энтропии, но уже не за счет разрушения частиц, а за счет их рассеяния и перемешивания в разных комбинациях.
Этот алгоритм в дальнейшем повторяется. То есть в процессе стремления систем к максимуму энтропии Smax они обязаны найти устойчивые формы, которые смогут отодвинуть само значение Smax. Такие формы благополучно минуют преграды естественного отбора. В естественном отборе побеждает тот, кто дает наибольшие перспективы в плане дальнейшего развития Вселенной. А так как с каждым шагом вверх по иерархической лестнице системной организации количество элементов таких систем становится все меньше и меньше, то требуемый рост энтропии Вселенной может быть обеспечен только ростом сложности внутренней организации систем (закон цефализации). Чем сложнее система, тем большее количество подсистем содержится в ее структуре. При этом каждая частица (элемент) может входить одновременно во множество подсистем. Это значит, что возрастает количество реальных объектов (частиц, подсистем, систем и т.д.), которые являются слагаемыми энтропии, что и обеспечивает возрастание максимально возможного значения энтропии Smax. Этот процесс мы и называем эволюцией.
Вселенная расширялась и охлаждалась, частицы теряли энергию и конденсировались в атомы, в основном, водорода. Правда, считается, что на этой же стадии присутствовал и гелий (порядка 30%). Более тяжелые элементы практически отсутствовали, они образовались на более поздних этапах эволюционного процесса.
Любые неоднородности плотности водорода усиливаются силами гравитации и водородно-гелиевое облако распадается на сгущения (протогалактики). Из сгущений внутри галактик рождаются звезды первого поколения. Здесь пока нет полной ясности. Возможно, звезды рождались по мере сжатия протогалактики. Возможна и другая версия, согласно которой сначала протогалактическое облако сжимается до критических размеров (квазары - огромные квазизвездные космические тела, соизмеримые с размерами солнечной системы, состоящие из вещества, вращающегося вокруг центра с огромной скоростью, обнаруженные на самых границах наблюдаемой части Вселенной; то есть мы видим их такими, какими они были миллиарды лет назад). Возможно, именно в квазарах синтезировался гелий. Может быть поэтому квазары становятся неустойчивыми и взрываются, а из продуктов взрыва в процессе их рассеяния вследствие гравитационного сжатия локальных сгущений и формируются звезды первого поколения. Так это было или не так, мы можем только догадываться, о квазарах мы знаем очень мало.
Газовое облако будущей звезды сжимается силами гравитации. Скоро это сжатие замедляется возрастающим давлением разогревающихся недр звезды, в которых начинаются реакции термоядерного синтеза, в процессе которого водород превращается в гелий, а из гелия синтезируются более тяжелые элементы, которые опускаются к центру звезды. Звезда это котел, в котором "варятся" тяжелые элементы, происходит усложнение структуры вещества. Это делает звезду нестабильной и она взрывается как сверхновая, формируя газово-пылевые облака, обогащенные тяжелыми элементами. Центральная часть звезды испытывает сильное сжатие, на ее месте образуется нейтронная звезда или черная дыра (если масса звезды превышала 50 масс Солнца). Раньше в нашей галактике звезды взрывались примерно раз в год, теперь раз в 30 лет.
Солнечная система родилась около пяти миллиардов лет назад путем конденсации газово-пылевого облака. Поэтому Солнце - это звезда второго поколения. Солнце и планеты формировались, по-видимому, одновременно. По мере сжатия газово-пылевого облака происходит соударение и слипание частиц пыли в более крупные образования (метеориты), из которых впоследствии формируются астероиды. Ближе к Солнцу могут образовываться тела только из тяжелых и тугоплавких материалов. Легкие вещества испаряются и улетучиваются на более дальние орбиты. Поэтому ближние к Солнцу планеты более твердые. Они образуются путем слияния астероидов и осаждения пыли на орбите данной планеты. Постепенно орбита очищается. Наблюдения показывают, что динамика образования кратеров на Меркурии, Марсе и Луне примерно 4,6 миллиардов лет назад была в сотни раз выше, чем сегодня. Дальние планеты-гиганты имеют меньшую плотность.
Орбиты планет близки к окружностям, диаметры которых подчинены правилу золотого сечения (закон Боде). Согласно закону Боде между Марсом и Юпитером должна находиться еще одна планета, вместо которой обнаружен пояс астероидов. Возникли разного рода фантастические предположения о гибели существовавшей когда-то на этой орбите планеты Фаэтона. Об этом же свидетельствуют и некоторые мифические сюжеты. Ученые же считают, что эта орбита является естественной границей между малыми плотными планетами и планетами-гигантами, что породило неустойчивость, не позволившую здесь сформироваться ни малой планете, ни планете-гиганту. Гравитационное воздействие соседних планет, особенно планет-гигантов, слишком рассеяло протопланетное сгущение будущей плотной планеты, разбросав астероиды на более вытянутые орбиты. Поэтому пояс астероидов остался практически в своем первозданном виде. Кстати, это несколько перекликается с легендой о Фаэтоне.
Выводы.
1. К моменту образования Земли эволюция Вселенной подготовила возможность зарождения земной жизни.
2. Расширяясь, Вселенная быстро остывает, что приводит к возникновению фрактальных структур, объединяющих в себе порядок и случайность, хаос. Во фрактальных структурах сложность достигается повторением по определенному алгоритму более простых структур (фрактальных генов). Примерами фрактальных структур являются снежинки, морозные узоры на стекле, береговые линии морей, ветви дерева, спиральная формы ракушек и т.п. Особенно типичными фрактальными структурами являются биосистемы. Обычно фрактальные структуры возникают при сравнительно быстрой потери энергии в открытой системе, когда элементы системы не успевают перестроиться в симметричные упорядоченные структуры, типа правильных кристаллов, поэтому в них сохраняется доля хаоса.
3. При остывании появляется возможность устойчивого существования все более сложных структур, которые разрушились бы при более высоких энергиях.
4. По мере расширения Вселенной усложняются формы организации материи, то есть сложность форм как-то связана с объемом Вселенной.
5. Пока Вселенная расширяется, эволюцию не остановить. Не известно, является ли именно расширение Вселенной движущей силой глобального эволюционного процесса, но эти два процесса, вероятно, тесно связаны друг с другом.
4.3. Эволюция жизни на Земле
Существует несколько теорий появления жизни на Земле. Из них можно выделить три наиболее известные:
1) теория креационизма (от английского слова create - создавать) - жизнь создана высшим существом - Богом;
2) теория панспермии - жизнь принесена на Землю из космоса; так уже в метеоритах находят белковые соединения;
3) теория эволюции - жизнь на Земле народилась вследствие естественных законов усложнения форм организации материи.
У каждой теории есть свои плюсы и минусы, свои сильные и слабые стороны. Так теория панспермии многое объясняет, но не решает вопроса о происхождении жизни во Вселенной вообще, вопрос лишь отодвигается на более далекие космические объекты. К тому же существует ряд веских аргументов в пользу земного происхождения жизни. Например, известно, что только земная биоорганика обладает оптической асимметрией. Так если раствор сахара, полученного из свеклы (“живой сахар”), осветить лучом поляризованного света, то плоскость поляризации луча на выходе оказывается смещенной вправо на некоторый угол. Если же сахар синтезирован искусственным путем, то такой раствор не поворачивает плоскость поляризации света. Вся биоорганика Земли поворачивает плоскость поляризации света. Вся “космическая” и искусственная органика оптически нейтральна.
Известно также, что вся биоорганика Земли имеет единый генетический код. Информация о строении белков организма хранится в закодированном виде в структуре молекул ДНК. Правила кодировки нам известны, но они не поддаются какой-либо логике. Похоже, что природа установила эти правила произвольным образом, как, например, в компьютерной таблице кодировки символов. Но однажды принятый “стандарт” един для всех биосистем Земли и никогда не нарушается.
Теория креационизма хорошо вписывается в принцип роста энтропии и легко объясняет природу целесообразности в устройстве Вселенной. В то же время теория эволюции подтверждается огромным количеством научных фактов. Слабым местом эволюционизма является отрицание всякого рода целесообразности в природе и признание случайности, господствующей в эволюционном процессе, что никак не согласуется с данными статистического анализа, который говорит, что всего времени существования Выселенной не хватит на то, чтобы воспроизвести существующие формы случайным образом. В то же время новые достижения синергетики (наука о самоорганизации) и неравновесной термодинамики позволяют надеяться на то, что в научном понимании жизни уже в ближайшее время ожидается существенный прорыв. Мы уже понимаем механизмы самоорганизации. И все же целесообразность Вселенной не вписывается в концепции "слепых законов природы". На мой взгляд, необходимо всегда помнить о принципе дополнительности. Теория эволюции, безусловно, идет по верному пути, но эмерджентные свойства природы оказываются близкими к идеальным формам, до сих пор остающимся лишь в ведении религиозных и мистических культов и учений. На мой взгляд, земная жизнь является естественным следствием глобального эволюционного процесса, который в свою очередь достаточно однозначно “запрограммирован” в структуре изначальных принципов существования Вселенной.
Под действием сил гравитации протопланетное облако сжимается и недра планеты значительно разогреваются. Сейчас температура ядра Земли составляет порядка 4000-5000оС, по-видимому, там идут термоядерные реакции. Уплотнение протопланетного сгущения и нарастание температуры недр свидетельствует об уменьшении энтропии внутри планеты, а значит, и о процессах структурообразования (для тепловой энергии высокая температура является показателем низкой энтропии). В соответствии с теорией самоорганизации это говорит о том, что планета является типичной устойчивой самоорганизующейся системой. Другими словами, это есть одна из форм небиологической жизни.
По мере возрастания температуры недр возрастает и поток энергии в космос, который выступает для разогревающейся планеты в роли “холодильника”. Согласно принципу Ле Шателье это приводит к формированию структур, аккумулирующих энергию, уменьшая темпы остывания планеты, то есть происходит формирование своего рода “теплоизолирующего” слоя планеты. Сначала идет кристаллизация минералов земной коры, потом - химическое усложнение вещества по цепи: органика-полимеризация-РНК-белки-ДНК (следует отметить, что органика начинает образовываться уже при соударении частиц пыли в процессе образовании метеоритов; на поверхности планеты долгое время сохраняются более стабильные условия, поэтому она является идеальной и очень мощной химической лабораторией). В результате вместе с возрастанием температуры недр планеты происходит уменьшение температуры на ее поверхности. То есть в недрах планеты формируется и поддерживается значительный температурный градиент. Это значит, что из одного слоя планеты в другой последовательно движется мощный поток энергии, который достигает поверхности планеты уже будучи практически полностью деградированным (низкотемпературным). На что же расходуется изначально заложенная в нем информация? Согласно теории самоорганизации, информация может расходоваться только на формирование и поддержание упорядоченных структур. Значит, недра планеты имеют достаточно сложную организацию. И эта организация усложняется по мере того, как разогреваются недра планеты и остывает ее поверхность.
Насколько мы знаем, в настоящее время недра планеты больше не разогреваются, то есть ее структура остается достаточно стабильной. Иная картина складывается на ее поверхности. Здесь можно выделить два основных источника энергии: энергия Солнца и энергия недр планеты. В период разогревания планеты, по-видимому, именно за счет возрастающего потока энергии из ее недр формировались и усложнялись первые формы биологической жизни. По мере ослабевания темпов разогрева недр планеты и роста мощности “теплоизолирующего” слоя понижается температура на поверхности и поток собственной энергии планеты уменьшался. Поэтому тем формам жизни на поверхности планеты, которые существуют за счет этого потока энергии, суждено, вероятно, постоянно уменьшать сферу своего присутствия. В наше время она представлена лишь хемосинтезирующими бактериями и некоторыми многоклеточными организмами в глубоководных впадинах. Чем ниже температура на поверхности планеты, тем интенсивней поток энергии, приходящей от Солнца. Именно это, по-видимому, является движущей силой эволюции на Земле. То есть сложность форм жизни в биосфере, судя по всему, находится в обратной зависимости от средней температуры поверхности Земли.
Динамика остывания поверхности планеты в условиях стабильности температуры Солнца обеспечивает однонаправленность процессов усложнения форм молекул. Возможно, существует еще немало подобных факторов, посредством которых планета, Солнце, космос и в конечном итоге вся Вселенная направляют, «руководят» процессами самоорганизации. В любом случае именно метасистема «отбирает» и «закрепляет» те формы макромолекул, которые претендуют на будущность. Когда наступает предел возможностей “неживой” органики по обеспечению энергобаланса, на поверхности планеты возникают сложные формы, которые мы по праву можем назвать живыми существами, точнее, биологической жизнью.
Уже на уровне макромолекул можно говорить о жизни в общепринятом понимании. Так молекула фермента лизоцима состоит из тысячи атомов, расположенных в форме шарика, напоминающего приоткрытую "пасть", которая захватывает полисахариды, входящие в состав оболочек бактерий, разрушая их. После этого молекула восстанавливает свою структуру и вновь "открывает пасть". Вершина эволюции молекул - вирусы, являющиеся сложными молекулярными комплексами, основами которых являются молекулы ДНК, окруженные белковыми оболочками.
Пьер Тейяр де Шарден предполагал, что прежде, чем была создана первая живая клетка, на Земле существовала эра вирусов, которую он назвал "забытой эпохой". Вероятно, мы уже никогда не сможем найти реликтовые макромолекулы. Современные вирусы не могут жить автономно. Они либо вошли в состав более сложных живых организмов (клеток), либо стали паразитами. Шарден назвал этот закон "устранением эволюционных черешков": Современная жизнь даже в простейших формах в корне отличается от аналогичных форм в прошлом, так как во многом трансформирована современной реальностью. Раз возникнув и закрепившись, любая форма вплетается в ткань Вселенной и меняется до неузнаваемости.
В то же время зарождение принципиально новых форм будет уничтожено современной жизнью. Именно поэтому мы сейчас не наблюдаем явлений самозарождения жизни. По словам И.С. Шкловского, микроорганизмы и вирусы буквально съедят уже первые ростки новой жизни. По словам Шардена, появление биосферы обеднило первоначальный химизм планеты, поэтому данный феномен зарождения жизни больше не может повториться в естественных условиях. Поэтому одной из особенностей современной жизни является подчинение ее закону, окончательно доказанному Пастером и более известному под названием "принцип Реди": все живое происходит только от живого. Скорее всего, этот принцип действовал всегда. То есть единственным объяснением того, как могла возникнуть жизнь, является то, что вся Вселенная, породившая эту жизнь, сама является живым существом.
По теории Опарина, первые клетки возникли в результате эволюции коацерватных капель. Это пример агрегации (создание групп с определенной внутренней структурой) в мире макромолекул. Крупные молекулы имеют обычно довольно сложную форму. Поэтому энергетически более выгодно оказывается слияние этих молекул в каплю. Сложные капли способны улавливать и впитывать в свою структуру вполне определенные вещества из окружающего их раствора, поддерживая этим стабильность своей структуры и состава внутренней среды.
Агрегация клеток приводит к возникновению многоклеточных организмов. Эволюция многоклеточных сначала шла по линии усложнения физиологии, потом (а частью и одновременно) поведения по цепи: раздражимость-инстинкт-психика-сознание. Эволюция поведения свидетельствует об агрегации многоклеточных организмов, то есть о формировании и эволюции систем более высокого иерархического уровня: социальных систем типа стаи, общества и т.п., которые с полным правом можно назвать социальными живыми существами. Наиболее яркими примерами таких существ являются муравейники, пчелиные семьи, человеческая цивилизация и т.п. Здесь присутствуют все признаки органичной целостности и функциональной взаимозависимости, которую мы в своей жизни называем разделением труда. Наблюдая эволюцию социальных форм жизни, в частности на примере истории человечества, можно понять суть самого алгоритма эволюции.
Было время, когда жизнь на поверхности Земли развивалась только за счет разогревающихся недр планеты, потом она “открыла” новый источник энергии - Солнце. При этом она “изобрела” хлорофилл, позволивший связывать и аккумулировать солнечную энергию. Это дало энергетическую подпитку теплоизоляционному слою планеты, что позволило стабилизировать условия на ее поверхности (жизнь обладает средообразующей функцией, стабилизируя окружающую среду). Возможно, сейчас мы являемся свидетелями того, как планета пытается найти новый источник энергии. Может быть, для этого мы и созданы, для этого природа и наделила нас исследовательским даром? Мы даже очень преуспели, не только затормозив естественную тенденцию к остыванию поверхности планеты, но и, наоборот, повысив ее среднюю температуру. Но мы почему-то стали неуправляемыми. Нас не просили повышать температуру, нужно было только стабилизировать ее, то есть выполнить требования принципа Ле Шателье в ответ на остывание. К тому же найденные нами источники энергии достаточно быстро исчерпаются. Значит, это не выход. Значит, нам еще предстоит долгий поиск. Может быть, поэтому природа включила механизм безошибочного поиска, который мы наблюдаем сейчас в форме бурного всплеска нашей цивилизации? Кто-то из нас обязательно должен нащупать единственно верное решение, то есть найти новый неисчерпаемый экологически чистый источник энергии.
4.4. Характерные черты эволюционного процесса
На основе всего сказанного можно сделать ряд выводов в отношении характерных особенностей эволюционного процесса.
Эволюция есть следствие единства Вселенной: расширение Вселенной в соответствии с принципом Ле Шателье вызывает ответный поток роста сложности организации ее структуры. Эволюцию нельзя остановить, пока расширяется Вселенная. Эти два процесса, по-видимому, взаимодополнительны. Объем Вселенной и сложность ее структур взаимоувязаны.
Для усложнения своей структуры природа задействует "взрывной механизм". То есть по мере расширения, являющегося результатом предыдущего взрыва, происходят локальные сжатия (консолидация) элементов, которые на более высоких стадиях эволюции выступают в форме агрегации (другими словами, агрегация есть более сложная форма гравитации, своего рода биогравитация). Взаимодополнительность расширения и сжатия можно проиллюстрировать рядом примеров. Так один из проектов энергетической подпитки луноходов с Земли посредством лазерного луча предусматривал создание на пути луча псевдолинзы, представляющей собой расширяющееся мелкодисперсное облако. Было доказано, что такое облако оказывает на луч действие, аналогичное собирающей линзе. Имеются и более известные нам примеры. Например, свободное расширение в пространстве облака водяного пара (адиабатическое расширение) приводит к уменьшению его температуры, что вызывает процессы конденсации молекул воды в капли.
В общем случае принцип дополнительности расширения и сжатия можно сформулировать следующим образом: расширение системы в пространстве ее степеней свободы приводит к возникновению процессов локальных сжатий в направлениях, перпендикулярных вектору расширения в данной локальной области, что вызывает дифференциацию структуры системы в целом; в свою очередь любое сжатие в системе приводит к формированию новых степеней свободы, в которых система продолжает свое расширение, сопровождающееся дифференциацией данной локальной области, и т.д.; все это в конечном итоге приводит к усложнению структуры системы или к ее эволюции. В данном определении в качестве движущего фактора эволюции системы принято ее расширение, хотя принцип дополнительности говорит о равноправии расширения и сжатия. Ситуация несколько напоминает распространение электромагнитной волны, в которой изменение электрической составляющей порождает магнитную составляющую, та в свою очередь, изменяясь, порождает электрическую составляющую и т.д. Что первично, а что вторично выявить невозможно.
Конкретные механизмы всех этих процессов как обычно могут быть самыми неожиданными. Природа очень изобретательна. Так, например, одним из частных примеров может являться стратегия жизни, которую удачно описал Пьер Тейяр де Шарден. Согласно Шардену, жизнь действует путем создания множества различных вариантов (мутаций), которое, расширяясь во всех возможных направлениях, обязательно найдет верные решения задачи поиска наиболее удачной организации живых существ, отвечающих требованиям внешней среды в данный момент времени. Он назвал это техникой пробного нащупывания, которая есть "неотразимое оружие всякого расширяющегося множества. В нем сочетаются слепая фантазия больших чисел и определенная целенаправленность. Это не просто случай, с которым его хотели смешать, но направленный случай. Все заполнить, чтобы все испробовать. Все испробовать, чтобы все найти". "Размножаясь в бесчисленности, жизнь делает себя неуязвимой от наносимых ей ударов и умножает свои шансы на продвижение вперед". "Нащупывающее изобилие, созидательная изобретательность, безразличие ко всему, что не является будущностью - таковы три тенденции, поднимающие жизнь все выше и выше”.
Когда какой-то вид сталкивается с определенной проблемой, например, с изменением условий существования, то в нем увеличивается количество мутаций, которые “прощупывают” все возможные варианты изменения структуры организма. Неудачные мутации “забраковываются” внешней средой. Среди огромного количества неудачных вариантов, заполняющих собой все пространство потенциальных возможностей, обязательно найдутся варианты, для которых новые условия среды окажутся наиболее оптимальными. Такие решения получают преимущества во внутривидовой конкуренции, быстро заполняя собой имеющиеся экологические ниши. В результате со временем количество вариантов уменьшается до нескольких наиболее удачных решений. Остальные уходят с арены жизни, обогатив ее опытом ошибок. Они как бы отдают свою жизненную силу тем, кто “угадал” правильный путь. Все работает на благо выживания вида в целом, а не отдельной особи.
 |
| Рис.11 |
Если изобразить этот процесс в виде графа решений, то мы увидим, что из одной исходной точки выходит множество ветвей, большинство из которых оканчиваются достаточно быстро, другие же, наоборот, усиливаются и расширяются. Процесс завершается формированием нескольких устойчивых ветвей (фил), которые в дальнейшем структурно практически не изменяются. Это и есть иллюстрация процесса консолидации в пространстве решений. В свою очередь внутри каждой филы по мере консолидации может происходить свой “взрыв внутрь собственного пространства системы”, то есть своя дифференциация, например, создание социальной структуры типа стаи с четким разделением обязанностей и т.д.
Происхождение видов обычно изображают в форме так называемого филогенетического дерева, построенного по оси времени. Ветви дерева называются филами. Точки разветвления фил называются мутовками (рис.11). В мутовках берет начало целый букет новых видов. Некоторые уже вымерли, другие дошли до наших дней, третьи породили новые мутовки и ушли с арены жизни. Особенность мутовки в том, что в одно время рождаются самые непохожие друг на друга организмы. Будущее принадлежит лишь некоторым мутантам, которые появляются практически сразу же в законченном виде, то есть без каких-либо промежуточных звеньев, и после этого они почти не изменяют своих структур. Правда, здесь есть некоторые особенности, направляющие сам процесс мутаций, о которых мы поговорим позднее, когда будем рассматривать концепцию экологической ниши.
Существует точка зрения, что человекообразные (а возможно и все) обезьяны, реликтовые гоминоиды (петикантроп, неандерталец и т.п.) и современные люди возникли одновременно в процессе единой мутовки, поэтому бесполезно искать промежуточные ветви. Поэтому человек не произошел от человекообразной обезьяны, но мы имеем общего предка.
Есть основание полагать, что наибольшей изменчивостью обладают наиболее развитые в данный момент виды организмов. То есть филогенетическое дерево “растет” в основном в его вершине. То есть сейчас наиболее интенсивно эволюционирует человек, как наиболее сложная на Земле форма организации материи. Наиболее развитый вид не имеет врагов, поэтому заполняют все доступное пространство, после чего дальнейшее усложнение жизни количественным путем становится невозможным, поэтому формируется мутовка, одним из механизмов которой является, по-видимому, кровосмешение.
На нашем примере мы можем предположить наличие определенного алгоритма видообразования: при возникновении специфических условий сначала происходит поиск и формирование новой структуры самого высокого для данного вида уровня организации (для человека - ментальной); после того как такая структура найдена, волна изменений последовательно опускается на более нижние уровни организации, меняя всю биологию нового вида вплоть до генетического кода.
Современному человеческому обществу присущи все признаки мутовки. Для нашего времени характерно слияние огромного разнообразия идей, религий, систем и учений, которые до этого развивались в относительной изоляции друг от друга (“идеологическое кровосмешение”). Это ломает многие стереотипы и ограничения человеческого мышления. Слияние различных ранее несопоставимых идей во всевозможных сочетаниях порождает новые направления и оттенки, которые порой совершенно не похожи на своих "родителей". Таким образом, мы наблюдаем взрыв идейных мутаций. Большинство из этих мутаций нежизнеспособно. Но разнообразие идей так велико, что заполняет собой все имеющиеся возможности, то есть оно обязательно содержит в себе те истинно верные направления, которые в эпоху перемен способны спасти человечество от гибели практически при любом внешнем воздействии. Тот, кто "угадает" правильный образ жизни в совершенно новых условиях, тот обеспечит себе будущее. И тогда наступит эпоха мощного броска вперед, новый "золотой век" нового человечества.