|
Реферат: Возникновение жизни на Земле (Естествознание)
Введение
Проблема происхождения жизни приобрела сейчас неодолимое очарование
для всего человечества. Она не только привлекает к себе пристальное
внимание ученых разных стран и специальностей, но интересует вообще всех
людей мира.
Сейчас считается общепризнанным, что возникновение жизни на Земле
представляло собой закономерный процесс, вполне поддающийся научному
исследованию. В основе этого процесса лежала эволюция соединений углерода
которая происходила во Вселенной задолго до возникновения нашей Солнечной
системы и лишь продолжалась во время образования планеты Земля – при
формировании ее коры, гидросферы и атмосферы.
С момента возникновения жизни природа находится в непрерывном
развитии. Процесс эволюции длится уже сотни миллионов лет, и его
результатом является то разнообразие форм живого, которое во многом до
конца еще не описано и не классифицировано.
Вопрос о происхождении жизни труден в исследовании, 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 с такой же точностью, как это было несколько миллиардов лет назад.
Даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь модельным
экспериментом, лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на
Земле. Трудность - в невозможности проведения прямого эксперимента по
возникновению жизни (уникальность этого процесса препятствует использование
основного научного метода).
Вопрос происхождении жизни интересен не только сам по себе, но и
тесной связью с проблемой отличия живого от неживого, а также связью с
проблемой эволюции жизни.
Глава 1. Что такое жизнь? Отличие живого от неживого.
Для понимания закономерностей эволюции органического мира на Земле
необходимо иметь общие представления об эволюции и основных свойствах
живого. Для этого необходимо охарактеризовать живые существа с точки зрения
их некоторых особенностей и выделить основные уровни организации жизни.
Когда-то считалось, что живое можно отличить от неживого по таким
свойствам, как обмен веществ, подвижность, раздражимость, рост,
размножение, приспособляемость. Но анализ показал, что порознь все эти
свойства встречаются и среди неживой природы, и поэтому не могут
рассматриваться как специфические свойства живого. В одной из последних и
наиболее удачных попыток живое характеризуется следующими особенностями,
сформулированными Б. М. Медниковым в виде аксиом теоретической биологии:
Все живые организмы оказываются единством фенотипа и программы для его
построения (генотипа), передающейся по наследству из поколения в поколение
(аксиома А. Вейсмана).
Генетическая программа образуется матричным путем. В качестве матрицы,
на которой строится ген будущего поколения, используется ген
предшествующего поколения (аксиома Н. К. Кольцова).
В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в
результате различных причин изменяются случайно и не направленно, и лишь
случайно такие изменения могут оказаться удачными в данной среде (1-ая
аксиома Ч. Дарвина)[1].
Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипа
многократно усиливаются (аксиома Н. В. Тимофеева-Ресовского).
Многократно усиленные изменения генетических программ подвергаются
отбору условиями внешней среды (2-ая аксиома Ч. Дарвина).
«Дискретность и целостность – два фундаментальных свойства организации
жизни на Земле. Живые объекты в природе относительно обособлены друг от
друга (особи, популяции, виды). Любая особь многоклеточного животного
состоит из клеток, а любая клетка и одноклеточные существа – из
определенных органелл. Органеллы состоят из дискретных высокомолекулярных
органических веществ, которые в свою очередь состоят из дискретных атомов и
элементарных частиц. В то же время сложная организация немыслима без
взаимодействия ее частей и структур – без целостности».[2]
Целостность биологических систем качественно отличается от целостности
неживого, и прежде всего тем, что целостность живого поддерживается в
процессе развития. Живые системы – открытые системы, они постоянно
обмениваются веществами и энергией со средой. Для них характерна
отрицательная энтропия (увеличение упорядоченности), увеличивающаяся,
видимо, в процессе органической эволюции. Вероятно, что в живом проявляется
способность к самоорганизации материи.
«Среди живых систем нет двух одинаковых особей, популяция и видов. Эта
уникальность проявления дискретности и целостности живого основана на
замечательном явлении ковариантной редупликации.
Ковариантная редупликация (самовоспроизведение с изменениями),
осуществляемая на основе матричного принципа (сумма трех первых аксиом), -
это, видимо, единственное специфическое для жизни (в известной нам форме ее
существования на Земле) свойство. В основе его лежит уникальная способность
к самовоспроизведению основных управляющих систем (ДНК, хромосом и
генов)».[3]
«Жизнь – одна из форм существования материи, закономерно возникающая
при определенных условиях в процессе ее развития».[4]
Итак, что такое живое и чем оно отличается от неживого. Наиболее точное
определение жизни дал около 100 лет назад Ф. Энгельс: "Жизнь есть способ
существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему
существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел".
Наиболее точное определение жизни дал около 100 лет назад Ф. Энгельс:
"Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования
состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных
частей этих тел".[5] Термин "белок" тогда ещё не был определён вполне точно
и его относили обычно к протоплазме в целом. Сознавая неполноту своего
определения, Энгельс писал: "Наша дефиниция жизни, разумеется, весьма
недостаточна, поскольку она далека от того, чтобы охватить все явления
жизни, а, напротив, ограничивается самыми общими и самыми простыми среди
них... Чтобы получить действительно исчерпывающее представление о жизни,
нам пришлось бы проследить все формы её проявления, от самой низшей до
наивысшей".[6]
Кроме того, есть несколько фундаментальных отличий живого от неживого 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. Это принципиально новый момент.
Также живые тела отличаются от неживых наличием обмена веществ,
способностью к росту и развитию, активной регуляцией своего состава и
функций, способностью к движению, раздражимостью, приспособленностью к
среде и т. д. Неотъемлемым свойством живого является деятельность,
активность. «Все живые существа должны или действовать, или погибнуть. Мышь
должна находиться в постоянном движении, птица летать, рыба плавать и даже
растение должно расти».[7]
Жизнь возможна лишь при определённых физических и химических условиях
(температура, присутствие воды, ряда солей и т. д.). Однако прекращение
жизненных процессов, например при высушивании семян или глубоком
замораживании мелких организмов, не ведёт к потере жизнеспособности. Если
сохраняется неповрежденной структура, она при возвращении к нормальным
условиям обеспечивает восстановление жизненных процессов.
Однако строго научное разграничение живого и неживого встречает
определенные трудности. Так, например, вирусы 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 мы считаем важным, мы относим вирусы к живым системам или нет.
Итак, суммируя все выше сказанное, дадим определение жизни:
«Жизнь – процесс существования биологических систем (например, клетка,
организм растения, животного), основу которых составляет сложные
органические вещества и способные самовоспроизводиться, поддерживать свое
существование в результате обмена энергией, веществом и информацией со
средой.»[8]
Глава 2. Концепции происхождения жизни.
а) Идея самопроизвольного происхождения.
Вначале в науке вообще не существовало проблемы возникновения жизни,
потому что учеными античного мира допускалась возможность постоянного
зарождения живого из неживого. Великий Аристотель (4-ый в. до Р.Х.) не
сомневался в самозарождении лягушек. Философ Плотин в 3-ем веке до новой
эры утверждал, что живые существа самозарождаются в земле в процессе
гниения. Эта идея самопроизвольного зарождения организмов, видимо,
представлялась многим поколениям наших далеких предков очень убедительной,
так как просуществовала, не меняясь, долгие века, вплоть до 17-го века[9].
б) Идея происхождения жизни по принципу «живое – от живого».
В 17-ом веке опыты тосканского врача Франческо Реди показали, что без
мух черви в гниющем мясе не обнаружатся, а если прокипятить органические
растворы, то микроорганизмы в них вообще зарождаться не смогут. И только в
60-х гг. 19-го века французский ученый Луи Пастер в своих опытах
продемонстрировал, что микроорганизмы появляются в органических растворах
только потому, что туда раньше был занесен зародыш.
Таким образом, опыты Пастера имели двоякое значение –
Доказали несостоятельность концепции самопроизвольного зарождения
жизни.
Обосновали идею о том, что все современное живое происходит только от
живого.
в) Идея космического происхождения жизни.
Примерно в тот же период, когда Пастер продемонстрировал свои опыты,
немецкий ученый Г. Рихтер разработал теорию занесения живых существ на
Землю из космоса. Он утверждал, что зародыши могли попасть на Землю вместе
с космической пылью и метеоритами и положить начало эволюции живого,
которая породила все многообразие земной жизни. Эта концепция называлась
концепцией панспермии. Ее разделяли такие ученые, как Г. Гельмгольц, У.
Томпсон, что способствовало ее широкому распространению в научных кругах.
Но она не получила научного доказательства, так как примитивные организмы
или зародыши должны были бы погибнуть под действием ультрафиолетовых лучей
и космического излучения.
г) Гипотеза А.И. Опарина.
В 1924 году вышла в свет книга «Происхождение жизни» советского
ученого А.И. Опарина, где он экспериментально доказал, что органические
вещества могут образовываться абиогенным путем при действии электрических
зарядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси,
содержащие пары воды, аммиака, метана и др. Под влиянием различных факторов
природы эволюция углеводородов привела к образованию аминокислот, нуклеидов
и их полимеров, которые по мере увеличения концентрации органических
веществ в первичном бульоне гидросферы способствовали образованию
коллоидных систем, так называемых коацерватов, которые, выделяясь из
окружающей среды и имея неодинаковую внутреннюю структуру, по-разному
реагировали на внешнюю среду. Превращению углеродистых соединений в
химический период эволюции способствовала атмосфера с ее восстановительными
свойствами, которая потом стала приобретать окислительные свойства, что
свойственно атмосфере и в настоящее время[10].
Гипотеза Опарина способствовала конкретному изучению происхождения
простейших форм жизни. Она положила начало физико-химическому моделированию
процессов образования молекул аминокислот, нуклеиновых оснований,
углеводородов в условиях предполагаемой первичной атмосферы Земли.
д) Современные концепции происхождения жизни.
Сегодня проблема происхождения жизни исследуется широким фронтом
различных наук. В зависимости от того, какое наиболее фундаментальное
свойство живого исследуется и преобладает в данном изучении (вещество,
информация, энергия), все современные концепции происхождения жизни можно
разделить условно на:
Концепцию субстратного происхождения жизни (ее придерживаются
биохимики во главе с А.И. Опариным).
Концепцию энергетического происхождения. Она разрабатывается ведущими
учеными-синергетиками И. Пригожиным, М. Эйгеном.
Концепцию информационного происхождения. Ее развивали А.Н. Колмогоров,
А.А. Ляпунов, Д.С. Чернавский.
Концепция генного происхождения.
Автором этой концепции является американский генетик Г. Меллер. Он
допускает, что живая молекула, способная размножаться, могла возникнуть
вдруг, случайно в результате взаимодействия простейших веществ. Он считает,
что элементарная единица наследственности – ген – является и основой жизни.
И жизнь в форме гена, по его мнению, возникла путем случайного сочетания
атомных группировок и молекул, существовавших в водах первичного океана. Но
математические расчеты этой концепции показывают полную невероятность
такого события.
Ф. Энгельс одним из первых высказал мысль о том, что жизнь возникла не
внезапно, а сформировалась в ходе длительного пути эволюционного развития
материи. Эволюционная идея положена в основу гипотезы сложного,
многоступенчатого пути развития материи, предшествовавшего зарождению жизни
на Земле.
Современные биологи доказывают, что универсальной формулы жизни (т.е.
такой, которая бы полностью отображала бы ее сущность) нет и быть не может.
Такое понимание предполагает исторический подход к биологическому познанию
как постижению сущности жизни, в ходе чего менялись и сами концепции
происхождения жизни и представления о тех формах, в которых такое познание
возможно.
Биоэнергоинформационный обмен как основа возникновения жизни.
Одной из новейших концепций происхождения жизни на Земле является
концепция о биоэнергоинформационном обмене. Понятие
биоэнергоинформационного обмен возникло в сфере биофизики, биоэнергетики и
экологии в связи с последними достижениями в этих областях науки. Термин
биоэнергоинформатика был введен доктором технических наук, профессором МГТУ
им. Н.Э. Баумана В.Н. Волченко в 1989 году, когда им его единомышленниками
была проведена первая Всесоюзная конференция по биоэнергоинформатике в
Москве[11].
Изучение биоэнергоинформационного обмена дало основание высказать
предположение об информационном единстве Вселенной, о наличии в ней такой
субстанции, как «Информация – Сознание», а не только известных форм материи
и энергии.
Одним из элементов этой концепции выступает наличие во Вселенной
общего замысла, плана. Эта гипотеза подтверждается современной
астрофизикой, согласно которой фундаментальные свойства Вселенной, значения
основных физических констант и даже формы физических закономерностей тесно
связаны со структурой Вселенной во всех ее масштабах и с возможностью
Жизни.
Отсюда следует второй элемент концепции биоэнергоинформатики –
Вселенную нужно рассматривать как живую систему. А в живых системах фактор
Сознания (информации) наряду с материей и энергией, должен занимать весьма
существенное место. Таким образом , можно говорить о необходимости
триединства Вселенной: материи, энергии и информации.
Глава 3. Как появилась жизнь на Земле.
Современная концепция возникновения жизни на Земле является
результатом широкого синтеза естественных наук, многих теорий и гипотез,
выдвинутых исследователями разных специальностей[12].
Для возникновения жизни на Земле важна первичная атмосфера (планеты).
Первичная атмосфера Земли содержала метан, аммиак, водяной пар и водород.
Именно воздействуя на смесь этих газов электрическими зарядами и
ультрафиолетовым излучением, ученым удалось получить сложные органические
вещества, входящие в состав живых белков. Элементарными «кирпичиками»
живого являются такие химические элементы как углерод, кислород, азот и
водород. В живой клетке по весу содержится 70 процентов кислорода, 17
процентов углерода, 10 процентов водорода, 3 процента азота, затем идут
фосфор, калий, хлор, сера, кальций, натрий, магний, железо. Итак, первый
шаг на пути к возникновению жизни заключается в образовании органических
веществ из неорганических. Он связан с наличием химического «сырья», синтез
которого может произойти при определенном излучении, давлении, температуре,
влажности. Возникновению простейших живых организмов предшествовала
длительная химическая эволюция. Из сравнительно небольшого числа соединений
(в результате естественного отбора) возникли вещества со свойствами,
пригодными для жизни. Соединения, возникшие на основе углерода, образовали
«первичный бульон» гидросферы. По мнению ученых, содержащие азот и углерод
вещества возникли в расплавленных глубинах Земли и выносились на
поверхность при вулканической деятельности. Второй шаг в возникновении
соединений связан с возникновением в первичном океане Земли упорядоченных
сложных веществ – биополимеров: нуклеиновых кислот, белков. Как
осуществлялось формирование биополимеров?
Если предположить, что в этот период все органические соединения
находились в первичном океане Земли, то более сложных органические
соединения могли образоваться на поверхности океана в виде тонкой пленки и
на прогреваемом солнцем мелководье. Бескислородная среда облегчала синтез
полимеров из неорганических соединений. Кислород как сильнейший окислитель
разрушал бы возникающие молекулы. Сравнительно несложные органические
соединения начали объединяться в крупные биологические молекулы.
Образовались ферменты – белковые вещества-катализаторы, которые
способствуют возникновению или распаду молекул. В результате активности
ферментов возникли важнейшие «первоэлементы жизни» - нуклеиновые кислоты,
сложные полимерные вещества (состоящие из мономеров). Мономеры в
нуклеиновых клетках расположены таким образом, что несут определенную
информацию, код, заключающийся в том, что каждой аминокислоте, входящей в
белок, соответствует определенный набор из трех нуклеотидов, так называемый
триплет нуклеиновой кислоты. На основе нуклеиновых кислот уже могут
строиться белки и происходить обмен с внешней средой веществом и энергией.
Симбиоз нуклеиновых кислот образовал «молекулярно-генетические системы
управления»[13].
Эта стадия, по-видимому, была отправной, переломной в возникновении
жизни на Земле. Молекулы нуклеиновых кислот приобрели свойства
самовоспроизведения себе подобных, стали управлять процессом образования
белковых веществ. У истоков всего живого стояли ревертаза и матричный
синтез с ДНК на РНК, эволюция РНК-овой молекулярной системы в ДНК-овую. Так
возник «геном биосферы».
Жара и холод, молнии, ультрафиолетовая реакция, атмосферные
электрические заряды, порывы ветра и водяные струи – все это обеспечивало
начало или затухание биохимических реакций, характер их протекания, генные
«всплески». К концу биохимической стадии появились такие структурные
образования, как мембраны, отграничивающие смесь органических веществ от
внешней среды.
Мембраны сыграли главную роль в построении всех живых клеток. Тела
всех растений и животных состоят из основных единиц жизни – клеток. Живое
содержание клетки – протоплазма. Современные ученые пришли к выводу, что
первые организмы на Земле были одноклеточными прокариотами – организмами,
лишенными ядра («карио» - в переводе с греческого «ядро»). По своему
строению они напоминают ныне бактерии или сине-зеленые водоросли.
Для существования первых «живых» молекул, прокариотов необходим, как
для всего живого, приток энергии извне. Каждая клетка – маленькая
«энергетическая станция». Непосредственным источником энергии для клеток
служит аденозинтрифосфорная кислота и другие соединения, содержащие фосфор.
Энергию клетки получают с пищей, они способны не только тратить, но и
запасать энергию[14].
Предметом дискуссии является вопрос о том, возник ли на Земле сначала
какой-то один вид организма или появилось их великое множество.
Предполагают, что возникло множество первых комочков живой протоплазмы.
Приблизительно 2 млрд. лет тому назад в живых клетках появилось ядро.
Из прокариотов возникли эукариоты – одноклеточные организмы с ядром. Их на
Земле насчитывается 25-30 видов. Самые простые из них – амебы. У эукариотов
существует в клетке оформленное ядро с веществом, содержащим код синтеза
белка. Приблизительно к этому времени наметился «выбор» растительного или
животного образа жизни. Основное различие этих образов жизни связано со
способом питания, с возникновением такого важного для жизни на Земле
процесса, как фотосинтез. Фотосинтез заключается в создании органических
веществ, например, сахаров, из углекислоты и воды при использовании энергии
света. Благодаря фотосинтезу растения вырабатывают органические вещества,
за счет которого происходит наращивание массы растений.
Заключение.
За последние десять лет понимание происхождения жизни сделало
огромные успехи. Остается надеяться, что следующее десятилетие принесет еще
больше: новые исследования очень активно ведутся во многих областях.
Но, именно, теория эволюции дает возможность понять оптимальную
стратегию взаимоотношения человека и окружающей живой природы, позволяет
ставить вопрос о разработке принципов управляемой эволюции. Отдельные
элементы такой управляемой эволюции уже сегодня просматриваются, например,
в попытках не простого промыслового использования, а хозяйственного
управления эволюцией отдельных видов животных и растений.
Изучение процессов эволюции важно для охраны окружающей среды.
Человек, вторгаясь в природу, еще не научился предвидеть т и предупреждать
нежелательные последствия своего вмешательства. Человек использует для
борьбы с вредителями гексахлоран, ртутные препараты и многие другие
ядовитые вещества. Это немедленно ведет к эволюционному «ответу» природы –
возникновению устойчивых к пестицидам рас насекомых, «суперкрыс»,
устойчивых к антикоагулянтам и т. п.
Часто таким же катастрофическим становится промышленное загрязнение.
Миллионы тонн стиральных порошков, попадая в сточные воды, убивают высшие
организмы и вызывают невиданное прежде развитие цианей и некоторых
микроорганизмов. Эволюция в этих случаях приобретает уродливые формы, и не
исключено, что в будущем человечество столкнется с неожиданной
«эволюционной угрозой» со стороны каких-нибудь суперустойчивых к
промышленным загрязнениям микроорганизмов, бактерии и цианей, которые
смогут изменить облик нашей планеты в нежелательном направлении.
Список литературы
1. Агапова О. В., Агапов В. И. Лекции по концепциям современного
естествознания. Вузовский курс. – Рязань, 2000.
2. Вернадский В. И. Начало и вечность жизни. – М.: Республика, 1989.
3. Горелов А. А. Концепции современного естествознания. – М.: Мысль,
2000.
4. Дубнищева Г. Д. Концепции современного естествознания: Учеб. для студ.
вузов / Под ред. М. Ф. Жукова. – Новосибирск: ЮКЭА, 1999.
5. Концепции современного естествознания. Серия «Учебники и учебные
пособия». – Ростов н/Д, 2000.
6. Николов Т. «Долгий путь жизни», М., Мир, 1999 г.Селье Г. От мечты к
открытию. – М., 2001.
7. Поннамперума С. «Происхождение жизни», М., Мир, 1999 г.
8. Советский энциклопедический словарь. - М.: Сов. энциклопедия, 2002.
9. Яблоков А. В., Юсуфов А. Г. Эволюционное учение (Дарвинизм): Учеб. для
биол. спец. вузов. – 3-е изд. – М.: Высш. шк., 1989.
Содержание.
Введение 3
Глава 1. Что такое жизнь? Отличие живого от неживого. 4
Глава 2. Концепции происхождения жизни. 8
Глава 3. Как появилась жизнь на Земле. 12
Заключение. 15
Список литературы 16
-----------------------
[1] Вернадский В. И. Начало и вечность жизни. – М.: Республика, 1989. С.
141.
[2] Яблоков А. В., Юсуфов А. Г. Эволюционное учение (Дарвинизм): Учеб. для
биол. спец. вузов. – 3-е изд. – М.: Высш. шк., 2001.С. 32.
[3] Селье Г. От мечты к открытию. – М., 2000. С. 32.
[4] Советский энциклопедический словарь.
[5] Маркс К. и Энгельс Ф., Соч., 2 изд., т. 20, с. 82
[6] Там же.
[7] Селье Г. От мечты к открытию. – М., 2000. С. 32.
[8] Агапова О. В., Агапов В. И. Лекции по концепциям современного
естествознания. Вузовский курс. – Рязань, 2000. С. 87.
[9] Горелов А. А. Концепции современного естествознания. – М.: Мысль,
2000. С. 119.
[10] Дубнищева Г. Д. Концепции современного естествознания: Учеб. для студ.
вузов / Под ред. М. Ф. Жукова. – Новосибирск: ЮКЭА, 1999. С. 284.
[11] Концепции современного естествознания. Серия «Учебники и учебные
пособия». – Ростов н/Д, 2000. С. 233.
[12] Николов Т. «Долгий путь жизни», М., Мир, 1999 г. С. 319.
[13] Поннамперума С. «Происхождение жизни», М., Мир, 1999 г. С. 205.
[14] Горелов А. А. Концепции современного естествознания. – М.: Мысль,
2000. С. 129.
Реферат на тему: Вселенная
ПЛАН
Происхождение Вселенной
Модель расширяющейся Вселенной
Эволюция и строение галактик
Астрономия и космонавтика
Происхождение Вселенной
Во все времена люди хотели знать, откуда и каким образом произошел
мир. Когда в культуре господствовали мифологические представления,
происхождение мира объяснялось, как, скажем, в «Ведах» распадом
первочеловека Пуруши. То, что это была общая мифологическая схема,
подтверждается и русскими апокрифами, например, «Голубиной книгой». Победа
христианства утвердила представления о сотворении Богом мира из ничего.
С появлением науки в ее современном понимании на смену мифологическим
и религиозным приходят научные представления о происхождении Вселенной.
Следует разделять три близких термина: бытие, универсум и Вселенная. Первый
является философским и обозначает все существующее, бытующее. Второй
употребляется и в философии, и в науке, не имея специфической философской
нагрузки (в плане противопоставления бытия и сознания), и обозначает все
как таковое.
Значение термина Вселенная более узкое и приобрело специфически
научное звучание. Вселенная — место вселения человека, доступное
эмпирическому наблюдению. Постепенное сужение научного значения термина
Вселенная вполне понятно, так как естествознание, в отличие от философии,
имеет дело только с тем, что эмпирически проверяемо современными научными
методами.
Вселенную в целом изучает наука, называемая космологией, т. е. наукой
о космосе. Слово это тоже не случайно. Хотя сейчас космосом называют все
находящееся за пределами атмосферы Земли, не так было в Древней Греции.
Космос тогда принимался как «порядок», «гармония», в противоположность
«хаосу» — «беспорядку». Таким образом, космология, в основе своей, как и
подобает науке, открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск
законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой
цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.
Это изучение зиждется на нескольких предпосылках. Во-первых,
формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются
действующими во всей Вселенной. Во-вторых, производимые астрономами
наблюдения тоже признаются распространяемыми на всю Вселенную. И, в-
третьих, истинными признаются только те выводы, которые не противоречат
возможности существования самого наблюдателя, т. е. человека (так
называемый антропный принцип).
Выводы космологии называются моделями происхождения и развития
Вселенной. Почему моделями? Дело в том, что одним из основных принципов
современного естествознания является представление о возможности проведения
в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым
объектом. Только если можно провести бесконечное, в принципе, количество
экспериментов и все они приводят к одному результату, на основе этих
экспериментов делают заключение о наличии закона, которому подчиняется
функционирование данного объекта. Лишь в этом случае результат считается
вполне достоверным с научной точки зрения.
К Вселенной это методологическое правило остается неприменимым. Наука
формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Это противоречие,
которое требует считать все заключения о происхождении и развитии Вселенной
не законами, а лишь моделями, т. е. возможными вариантами объяснения.
Строго говоря, все законы и научные теории являются моделями, поскольку они
могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями, но
модели Вселенной как бы в большей степени модели, чем многие иные научные
утверждения.
Модель расширяющейся Вселенной
Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной
изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на
основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения,
созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 году. В основе этой модели лежат два
предположения: 1) свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках
(однородность) и направления (изотропность); 2) наилучшим известным
описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого
следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью
массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, —
релятивистская.
Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это
определяется двумя постулатами теории относительности: 1) принципом
относительности, гласящим, что во всех инерционных системах все законы
сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно и
прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; 2)
экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.
Из принятия теории относительности вытекало в качестве следствия
(первым это заметил петроградский физик и математик Александр Александрович
Фридман в 1922 году), что искривленное пространство не может быть
стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. На этот вывод не
было обращено внимания вплоть до открытия американским астрономом Эдвином
Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения».
Красное смещение — это понижение частот электромагнитного излучения: в
видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Обнаруженный
ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника
колебаний, воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны
соответственно увеличивается. При излучении происходит «покраснение», т. е.
линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.
Так вот, для всех далеких источников света красное смещение было
зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей
степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до
источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т. е. о расширении
Метагалактики — видимой части Вселенной.
Красное смещение надежно подтверждает теоретический вывод о
нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка
нескольких миллиардов парсек на протяжении по меньшей мере нескольких
миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена,
оставаясь теоретической гипотезой.
Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление
о Большом Взрыве, происшедшем где-то примерно 12 —18 млрд. лет назад.
«Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который
начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все
больше и больше пространства, а взрыв, который произошел одновременно
везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица
материи устремилась прочь от любой другой частицы» (Вейнберг С. Первые три
минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной.-М., 1981.-С. 30).
Начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка):
бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное,
замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой
могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и
нейтрино). Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965
году реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней
стадии расширения Вселенной.
Возникает интересный вопрос: из чего же образовалась Вселенная? Чем
было то, из чего она возникла. В Библии утверждается, что Бог создал все из
ничего. Зная, что в классической науке сформулированы законы сохранения
материи и энергии, религиозные философы спорили о том, что значит
библейское «ничего», и некоторые в угоду науке полагали, что под ничем
имеется в виду первоначальный материальный хаос, упорядоченный Богом.
Как это ни удивительно, современная наука допускает (именно допускает,
но не утверждает), что все могло создаться из ничего. «Ничего» в научной
терминологии называется вакуумом. Вакуум, который физика XIX века считала
пустотой, по современным научным представлениям является своеобразной
формой материи, способной при определенных условиях «рождать» вещественные
частицы.
Современная квантовая механика допускает (это не противоречит теории),
что вакуум может приходить в «возбужденное состояние», вследствие чего в
нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными
физическими экспериментами) — вещество.
Рождение Вселенной «из ничего» означает с современной научной точки
зрения ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии
частиц происходит случайная флуктуация. Если число фотонов равно нулю, то
напряженность поля не имеет определенного значения (по «принципу
неопределенности» Гейзенберга): поле постоянно испытывает флуктуации, хотя
среднее (наблюдаемое) значение напряженности равно нулю.
Флуктуация представляет собой появление виртуальных частиц, которые
непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во
взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуациям, вакуум
приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.
Итак, Вселенная могла образоваться из «ничего», т. е. из
«возбужденного вакуума». Такая гипотеза, конечно, не является решающим
подтверждением существования Бога. Ведь все это могло произойти в
соответствии с законами физики естественным путем без вмешательства извне
каких-либо идеальных сущностей. И в этом случае научные гипотезы не
подтверждают и не опровергают религиозные догмы, которые лежат по ту
сторону эмпирически подтверждаемого и опровергаемого естествознания.
На этом удивительное в современной физике не кончается. Отвечая на
просьбу журналиста изложить суть теории относительности в одной фразе,
Эйнштейн сказал: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся
материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности
утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время».
Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что
до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.
Отметим, что теория относительности соответствует двум разновидностям
модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства-
времени отрицательна или в пределе равна нулю; в этом варианте все
расстояния со временем неограниченно возрастают. Во второй разновидности
модели кривизна положительна, пространство конечно, и в этом случае
расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория
относительности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным
расширением Вселенной.
Досужий ум неизбежно задается вопросами: что же было тогда, когда не
было ничего, и что находится за пределами расширения. Первый вопрос,
очевидно, противоречив сам по себе, второй выходит за рамки конкретной
науки. Астроном может сказать, что как ученый он не вправе отвечать на
такие вопросы. Но поскольку они все же возникают, формулируются и возможные
обоснования ответов, которые являются не столько научными, сколько
натурфилософскими.
Так, проводится различие между терминами «бесконечный» и
«безграничный». Примером бесконечности, которая не безгранична, служит
поверхность Земли: мы можем идти по ней бесконечно долго, но тем не менее
она ограничена атмосферой сверху и земной корой снизу. Вселенная также
может быть бесконечной, но ограниченной. С другой стороны, известна точка
зрения, в соответствии с которой в материальном мире не может быть ничего
бесконечного, потому что он развивается в виде конечных систем с петлями
обратной связи, которыми эти системы создаются в процессе преобразования
среды.
Но оставим эти соображения области натурфилософии, потому что в
естествознании в конечном счете критерием истины являются не абстрактные
соображения, а эмпирическая проверка гипотез.
Что же было после Большого Взрыва? Образовался сгусток плазмы —
состояния, в котором находятся элементарные частицы — нечто среднее между
твердым и жидким состоянием, который и начал расширяться все больше и
больше под действием взрывной волны. Через 0,01 сек после начала Большого
Взрыва во Вселенной появилась смесь легких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия).
Как образовались все остальные химические элементы?
Эволюция и строение галактик
Поэт спрашивал: «Послушайте! Ведь, если звезды зажигают — значит — это
кому-нибудь нужно?». Мы знаем, что звезды нужны, чтобы светить, и наше
Солнце дает необходимую для нашего существования энергию. А зачем нужны
галактики? Оказывается и галактики нужны, и Солнце не только обеспечивает
нас энергией. Астрономические наблюдения показывают, что из ядер галактик
происходит непрерывное истечение водорода. Таким образом, ядра галактик
являются фабриками по производству основного строительного материала
Вселенной — водорода.
Водород, атом которого состоит из одного протона в ядре и одного
электрона на его орбите, является самым простым «кирпичиком», из которого в
недрах звезд образуются в процессе атомных реакций более сложные атомы.
Причем оказывается, что звезды совершенно не случайно имеют различную
величину. Чем больше масса звезды, тем более сложные атомы синтезируются в
ее недрах.
Наше Солнце как обычная звезда производит только гелий из водорода
(который дают ядра галактик), очень массивные звезды производят углерод —
главный «кирпичик» живого вещества. Вот для чего нужны галактики и звезды.
А для чего нужна Земля? Она производит все необходимые вещества для
существования жизни человека. А для чего существует человек? На этот вопрос
не может ответить наука, но она может заставить нас еще раз задуматься над
ним.
Если «зажигание» звезд кому-то нужно, то может и человек кому-то
нужен? Научные данные помогают нам сформулировать представление о нашем
предназначении, о смысле нашей жизни. Обращаться при ответе на эти вопросы
к эволюции Вселенной — это значит мыслить космически. Естествознание учит
мыслить космически, в то же время не отрываясь от реальности нашего бытия.
Вопрос об образовании и строении галактик — следующий важный вопрос
происхождения Вселенной. Его изучает не только космология как наука о
Вселенной — едином целом, но также и космогония (греч. «гонейа» означает
рождение) — область науки, в которой изучается происхождение и развитие
космических тел и их систем (различают планетную, звездную, галактическую
космогонию).
Галактика представляет собой гигантские скопления звезд и их систем,
имеющие свой центр (ядро) и различную, не только сферическую, но часто
спиралевидную, эллиптическую, сплюснутую или вообще неправильную форму.
Галактик — миллиарды, и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд.
Наша галактика называется Млечный Путь и состоит из 150 млрд. звезд.
Она состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры —100 тыс.
световых лет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в
гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30
тыс. световых лет от центра галактики расположено Солнце.
Ближайшая к нашей галактика (до которой световой луч бежит 2 млн. лет)
— «туманность Андромеды». Она названа так потому, что именно в созвездии
Андромеды в 1917 году был открыт первый внегалактический объект. Его
принадлежность к другой галактике была доказана в 1923 году Э. Хабблом,
нашедшим путем спектрального анализа в этом объекте звезды. Позже были
обнаружены звезды и в других туманностях.
А в 1963 году были открыты квазары (квазизвездные радиоисточники) —
самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью в сотни
раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньшими их. Было
предположено, что квазары представляют собой ядра новых галактик и стало
быть процесс образования галактик продолжается и поныне.
Астрономия и космонавтика
Звезды изучает астрономия (от греч. «астрон» — звезда и «номос» —
закон) — наука о строении и развитии космических тел и их систем. Эта
классическая наука переживает в XX веке свою вторую молодость в связи с
бурным развитием техники наблюдений — основного своего метода исследований:
телескопов-рефлекторов, приемников излучения (антенн) и т. п. В СССР в 1974
году вступил в действие в Ставропольском крае рефлектор с диаметром зеркала
6 м., собирающий света в миллионы раз больше, чем человеческий глаз.
В астрономии исследуются радиоволны, свет, инфракрасное,
ультрафиолетовое, рентгеновское излучения и гамма-лучи. Астрономия делится
на небесную механику, радиоастрономию, астрофизику и другие дисциплины.
Особое значение приобретает в настоящее время астрофизика — часть
астрономии, изучающая физические и химические явления, происходящие в
небесных телах, их системах и в космическом пространстве. В отличие от
физики, в основе которой лежит эксперимент, астрофизика основывается
главным образом на наблюдениях. Но во многих случаях условия, в которых
находится вещество в небесных телах и системах отличается от доступных
современным лабораториям (сверхвысокие и сверхнизкие плотности, высокая
температура и т. д.). Благодаря этому астрофизические исследования приводят
к открытию новых физических закономерностей.
Собственное значение астрофизики определяется тем, что в настоящее
время основное внимание в релятивистской космологии переносится на физику
Вселенной — состояние вещества и физические процессы, идущие на разных
стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии.
Один из основных методов астрофизики — спектральный анализ. Если
пропустить луч белого солнечного света через узкую щель, а затем сквозь
стеклянную трехгранную призму, то он распадается на составляющие цвета, и
на экране появится радужная цветовая полоска с постепенным переходом от
красного к фиолетовому — непрерывный спектр. Красный конец спектра
образован лучами, наименее отклоняющимися при прохождении через призму,
фиолетовый — наиболее отклоняемыми. Каждому химическому элементу
соответствуют вполне определенные спектральные линии, что и позволяет
использовать данный метод для изучения веществ.
К сожалению, коротковолновые излучения — ультрафиолетовые,
рентгеновские и гамма-лучи — не проходят сквозь атмосферу Земли, и здесь на
помощь астрономам приходит наука, которая до недавнего времени
рассматривалась как прежде всего техническая — космонавтика (от греч.
«наутике» — искусство кораблевождения), обеспечивающая освоение космоса для
нужд человечества с использованием летательных аппаратов.
Космонавтика изучает проблемы: теории космических полетов — расчеты
траекторий и т. д.; научно-технические — конструирование космических ракет,
двигателей, бортовых систем управления, пусковых сооружений, автоматических
станций и пилотируемых кораблей, научных приборов, наземных систем
управления полетами, служб траекторных измерений, телеметрии, организация и
снабжение орбитальных станций и др.; медико-биологические — создание
бортовых систем жизнеобеспечения, компенсация неблагоприятных явлений в
человеческом организме, связанных с перегрузкой, невесомостью, радиацией и
др.
История космонавтики начинается с теоретических расчетов выхода
человека в неземное пространство, которые дал К. Э. Циолковский в труде
«Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1903 г.). Работы
в области ракетной техники начаты в СССР в 1921 году. Первые запуски ракет
на жидком топливе осуществлены в США в 1926 году.
Основными вехами в истории космонавтики стали запуск первого
искусственного спутника Земли 4 октября 1957 года, первый полет человека в
космос 12 апреля 1961 года, лунная экспедиция в 1969 году, создание
орбитальных пилотируемых станций на околоземной орбите, запуск космического
корабля многоразового использования.
Работы велись параллельно в СССР и США, но в последние годы наметилось
объединение усилий в области исследования космического пространства. В 1995
году осуществлен совместный проект «Мир» — «Шаттл», в котором американские
корабли «Шаттл» использовались для доставки космонавтов на российскую
орбитальную станцию «Мир».
Возможность изучать на орбитальных станциях космическое излучение,
которое задерживается атмосферой Земли, способствует существенному
прогрессу в области астрофизики.
Список литературы
Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1965.
Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. М., 1989.
Краткий миг торжества. М., 1989.
| |
