Институт европейская бизнес-школа Калининград
Концепции современного естествознания
Контрольная работа
Самоорганизация живой и неживой природы
2010г.
Содержание
1. Начало вселенной
1.1 Основные концепции космологии
1.2 Образование объектов Вселенно
2. Структурирование вселенной
3. Формирование Солнечной системы. Возникновение Земли
3.1 Происхождение Солнечной системы
3.2 Происхождение Земли
4. Зарождение и эволюция жизни на Земле
4.1 Современное представление о происхождении жизни
4.2 Геологические эры и эволюция жизни
5. Самоорганизация человеческого общества
Заключение
Список используемой литературы
вселенная солнечный система земля
Введение
В последние десятилетия развивается представление о том, что материи изначально присуща тенденция не только к разрушению упорядоченности и возврату к исходному хаосу, но и к образованию все более сложных и упорядоченных систем разного уровня. Представление о разрушительной тенденции материи сформировалось в результате развития двух отраслей классической физики – статистической механики и термодинамики, – которые описывают поведение изолированных (замкнутых) систем, т. е. систем не обменивающихся ни энергией, ни веществом с окружающей средой. При этом особая роль принадлежит второму началу термодинамики, определяющему необратимость процессов преобразования энергии в замкнутой системе. Такие процессы рано или поздно приводят систему к ее самому простому состоянию – термодинамическому равновесию, которое эквивалентно хаосу, когда отсутствует какая-либо упорядоченность и все виды энергии переходят в тепловую, в среднем равномерно распределенную между всеми элементами системы. В прошлом обсуждалась возможность приложения второго начала термодинамики ко Вселенной, которая полагалась замкнутой системой. Из этого следовал вывод о деградации Вселенной – ее тепловой смерти.
Известно, что все реальные системы, от самых малых до самых больших, являются открытыми, т. е. они обмениваются энергией и веществом с окружающей средой и не находятся в состоянии термодинамического равновесия. В таких системах возможно образование нарастающей упорядоченности. На данной основе возникло представление о самоорганизации вещественных систем.
Самоорганизацией принято называть природные скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным. Критическое состояние характеризуется крайней неустойчивостью, которой завершается плавное эволюционное развитие открытой неравновесной системы.
В концепции развития решается вопрос соотношения случайного и закономерного. Эволюционные этапы развития вполне детерминированы. При эволюционном развитии поведение системы предсказуемо и даже управляемо при наличии необходимых средств управления. В критических точках – точках бифуркации, – достигаемых на завершающей стадии эволюции, господствует случайность. Точку бифуркации можно образно представить в виде перекрестка с несколькими ответвлениями пути, и на нем, как в сказке, выбор пути означает и выбор судьбы.
Следует подчеркнуть особую роль случайности в процессе самоорганизации на завершающей стадии эволюционного развития. Именно случайность определяет возможность перехода системы в более упорядоченное состояние. Можно привести множество примеров, когда подобного рода случайные переходы хотя в принципе и возможны, т. е. вероятность их не равна нулю, но в реальном случае вероятность настолько мала, что их достижение с большой степенью достоверности можно считать практически не реализуемым. В этой связи полезно помнить, что концепция самоорганизации и синергетический подход, как и многие другие концепции, идеи и даже фундаментальные законы, имеют вполне определенную область применения.
В своей работе я собираюсь осветить и проанализировать процессы самоорганизации, начиная со Вселенной, кончая обществом и человеком. Только такая обширная область рассмотрения ведёт к правильному и адекватному восприятию складывающейся современной научной картины мира.
1.1 Основные концепции космологии
Принято считать, что основные положения современной космологии – науки о строении и эволюции Вселенной – начали формироваться после создания в 1917 г. А. Эйнштейном первой релятивистской модели, основанной на теории гравитации и претендовавшей на описание всей Вселенной. Данная модель характеризовала статическую Вселенную и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной.
Решительный шаг к наиболее полному пониманию космологических проблем сделал в 1922 г. профессор Петроградского университета А.А. Фридман (1888 – 1925). В результате решения космологических уравнений он пришел к выводу: Вселенная не может находиться в стационарном состоянии – она должна расширяться либо сужаться.
Следующий важный шаг был сделан в 1924 г., когда в обсерватории Маунт Вилсон в Калифорнии американский астроном Э. Хаббл (1889–1953) измерил расстояние до ближайших галактик (в то время называемых туманностями) и тем самым открыл мир галактик. В 1929 г. в той же обсерватории Э. Хаббл по красному смещению спектральных линий в спектре излучения галактик экспериментально подтвердил теоретический вывод А.А. Фридмана о расширении Вселенной и установил эмпирический закон (закон Хаббла), согласно которому скорость удаления галактики υ прямо пропорциональна расстоянию rдо нее, т.е.
υ = Hr,
где Н– постоянная Хаббла.
С течением времени постоянная Хаббла постепенно уменьшается – разбегание галактик замедляется. Но такое уменьшение за наблюдаемый промежуток времени ничтожно мало.
Обратной величиной постоянной Хаббла определяется время жизни (возраст) Вселенной. Из результатов наблюдения расширения Вселенной следует, что скорость разбегания галактик увеличивается примерно на 75 км/с на каждый миллион парсек. При данной скорости экстраполяция к прошлому приводит к выводу, что возраст Вселенной составляет 15 млрд. лет, а это означает, что вся Вселенная 15 млрд. лет назад была сосредоточена в очень маленькой области. Предполагается, в то время плотность вещества Вселенной была такая же, как у атомного ядра, т. е. вся Вселенная представляла огромную ядерную каплю. По каким-то причинам ядерная капля оказалась в неустойчивом состоянии и взорвалась. Данное предположение лежит в основе концепции большого взрыва.
Произведение времени жизни Вселенной на скорость света определяет радиус космологического горизонта. Космологический горизонт – граница возможностей познавать Вселенную посредством астрономических наблюдений. Информация об объектах, находящихся за космологическим горизонтом, до нас еще не дошла, а это означает, что в принципе мы не можем заглянуть за космологический горизонт.
В концепции большого взрыва предполагается, что расширение Вселенной происходило с одинаковой скоростью, начиная с момента взрыва ядерной капли. В настоящее время активно обсуждается и другая гипотеза, в соответствии с которой Вселенная не всегда расширялась, а пульсирует между конечными пределами плотности. Данная гипотеза называется пульсирующей Вселенной. Из нее следует, что в некотором прошлом скорость удаления галактик была меньше, чем сейчас, и были периоды, когда Вселенная сжималась, т.е. галактики приближались друг к другу и с тем большей скоростью, чем большее расстояние их разделяло.
Начиная с конца 40-х годов нашего века все больше внимания в космологии привлекает физика процессов на разных этапах космологического расширения. В предложенной в то время Г.А. Гамовым (1904–1968) модели горячей Вселенной рассматривались ядерные реакции, протекавшие в очень плотном веществе в начальный момент расширения Вселенной. При этом предполагалось, что температура вещества была очень высокой и начала падать с расширением Вселенной. Из данной модели следовало, что вещество, из которого формировались первые звезды и галактики, должно состоять в основном из водорода (75%) и гелия (25%). Из нее вытекал и другой важный вывод – в сегодняшней Вселенной должно наблюдаться слабое электромагнитное излучение, сохранившее память о начальном этапе развития Вселенной, характеризовавшейся большой плотностью вещества и высокой температурой. Такое излучение называется реликтовым.
С развитием астрономических средств наблюдения, в частности, с рождением радиоастрономии, появились новые возможности познания Вселенной. В 1965 г. американские астрофизики А. Пензиас (р. 1933г.) и Р. Вильсон (р. 1936г.) экспериментально обнаружили реликтовое излучение, за что были удостоены в 1978г. Нобелевской премии. Реликтовое излучение – это фоновое космическое излучение, спектр которого близок к спектру абсолютно черного тела с температурой около 3 К. Наблюдается оно на волнах длиной от нескольких миллиметров до десятков сантиметров практически изотропно.
В 1963 г. на очень больших расстояниях от нашей Галактики, на границе наблюдаемой Вселенной, были обнаружены удивительные объекты, получившие название квазаров. При сравнительно небольших размерах (поперечник их составляет около нескольких световых недель или месяцев) квазары выделяют колоссальную энергию, примерно в 100 раз превосходящую энергию излучения самых гигантских галактик, состоящих из десятков и сотен миллиардов звезд. Какие физические процессы могут приводить к выделению столь грандиозного количества энергии, все еще остается неясным. Астрономы обратили внимание на определенное сходство между квазарами и ядрами некоторых галактик, проявляющими особенно высокую активность. Как уже отмечалось, квазары -– весьма удаленные объекты. А чем дальше от нас находится тот или иной космический объект, тем в более отдаленном прошлом мы его наблюдаем. Это связано с конечной скоростью распространения света.
Квазары удалены от нас на миллиарды световых лет. Галактики же, в том числе и галактики с активными ядрами, в среднем расположены ближе. Следовательно, это объекты более позднего поколения, они должны образоваться вслед за квазарами. Возможно предположение: не являются ли квазары протоядрами будущих галактик? При попытке ответить на данные вопросы родилась гипотеза о черных дырах. Сущность ее заключается в следующем. Если некоторая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, критическом для нее, то под действием сил собственного тяготения такое вещество начинает неудержимо сжиматься. Наступает своеобразная гравитационная катастрофа – гравитационный коллапс. В результате сжатия растет концентрация массы. И наконец наступает момент, когда сила тяготения на ее поверхности становится столь велика, что для ее преодоления надо было бы развить скорость, превосходящую скорость света. Такие скорости практически недостижимы, и из замкнутого пространства черной дыры не могут вырваться ни лучи света, ни частицы. Излучение черной дыры оказывается «запертым» гравитацией. Черные дыры способны только поглощать излучение. На рис. 2.1 изображена воображаемая картина прохождения лучей вблизи черной дыры. Луч, проходящий на близком расстоянии от нее, поглощается, а более отдаленные лучи искривляются.
Рис. 2.1. Лучи света вблизи черной дыры
Предполагается, что образование черных дыр во Вселенной может происходить различными путями. Так, они могут возникать в результате сжатия массивных звезд на заключительных стадиях их жизни или вследствие концентрации вещества в центральных частях достаточно массивных звездных систем. В частности, высказывается предположение о том, что в ядрах галактик и квазарах могут находиться сверхмассивные черные дыры, которые и являются источником активности данных космических объектов. При поглощении черной дырой окружающего вещества его энергия падения в гравитационном поле преобразуется в другие виды энергии.
Результаты наблюдения галактики М-87 позволяют предположить, что в непосредственной близости от ее центра сконцентрирована слабосветящаяся масса, превосходящая 5 млрд. солнечных масс. Похожие результаты получены и для других галактик. Может быть, это и есть гигантские черные дыры или какие-то другие сверхплотные образования еще неизвестной нам природы. Существование черных дыр следует из общей теории относительности, и об их астрономическом открытии пока говорить еще рано.
Еще сравнительно недавно основные положения космологии базировались на идеях классической физики. Развитие рассматривалось как медленный и плавный процесс перехода от одного стационарного состояния к другому. Считалось, что звезды постепенно рассеивают свое вещество, и оно накапливается в виде гигантских туманностей. Туманности сгущаются в звезды и т. д. Однако наблюдения последних десятилетий свидетельствуют о том, что в развитии материи во Вселенной играют определенную роль и нестационарные процессы, в частности, взрывные процессы. Можно предполагать, что нестационарные процессы представляют собой своеобразные поворотные пункты в развитии космических объектов, где совершаются переходы из одного качественного состояния в другое, образуются новые небесные тела. Другими словами, возникает самоорганизация Вселенной.
Вопрос об образовании космических объектов в результате нестационарных процессов и о самоорганизации Вселенной еще окончательно не решен. Кроме того, одна из важных проблем современного естествознания состоит в том, чтобы установить, в каком физическом состоянии находилось вещество до начала расширения Метагалактики. Видимо, это было состояние чрезвычайно высокой плотности. Для описания явлений, происходящих при столь высокой плотности, современные фундаментальные физические теории, к сожалению не применимы. При таких условиях проявляются не только гравитационные, но и квантовые эффекты, характерные для процессов микромира. А теории, которая объединяла бы их, пока нет – ее предстоит еще создать.
Одно из предположений, следующих из концепции самоорганизации, заключается в том, что первоначальный сгусток материи возник из физического вакуума. Физический вакуум, как уже отмечалось, – своеобразная форма материи, способная при определенных условиях «рождать» вещественные частицы без нарушения законов сохранения материи и движения.
В ясную погоду в безлунную ночь невооруженным глазом можно насчитать на небосводе до трех тысяч звезд. Но это лишь небольшая часть тех звезд и других космических объектов, из которых состоит Вселенная. Вселенная – это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Часть Вселенной, которая доступна исследованию астрономическими средствами, соответствующими достигнутому уровню развития науки, называется Метагалактикой. По-другому, Метагалактика – охваченная астрономическими наблюдениями часть Вселенной. Она находится в пределах космологического горизонта.
Структура Вселенной – предмет изучения космологии – одной из важных отраслей естествознания, – находящейся на стыке многих естественных наук: астрономии, физики, химии и др. Главные составляющие Вселенной – галактики, представляющие собой громадные звездные системы, содержащие не менее 100 млрд. звезд. Солнце вместе с планетной системой входят в нашу Галактику, наблюдаемую в форме Млечного Пути. Кроме звезд и планет, Галактика содержит разреженный газ и космическую пыль.
Млечный Путь хорошо виден в безлунную ночь. Он кажется скоплением светящихся туманных масс, протянувшимся от одной стороны горизонта до другой. Наблюдая Млечный Путь в телескоп, мы обнаруживаем, что он состоит из множества звезд. По форме он напоминает сплюснутый шар, заполненный 150 млрд. звезд, В центре его находится ядро, от которого отходит несколько спиральных звездных ветвей, что придает нашей Галактике спиральную форму. Наша Галактика чрезвычайно велика: от одного ее края до другого световой луч путешествует около 100 тыс. земных лет. Большая часть ее звезд сосредоточена в гигантском диске толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра Галактики расположено наше Солнце.
а — вид сверху; б — вид сбоку
Рис. 2.2 - Схема положения Солнечной системы в Галактике (отмечено крестиком)
Основное вещество Галактики – звезды. Мир звезд необыкновенно разнообразен. И хотя все звезды – раскаленные шары, подобные Солнцу, их физические характеристики различаются весьма существенно. Есть, например, звезды гиганты и сверхгиганты. По своим размерам они значительно превосходят Солнце. Объем одной из звезд в созвездии Цефея больше объема Солнца в 14 млрд. раз.
Кроме звезд-гигантов существуют и звезды-карлики, значительно уступающие по своим размерам Солнцу. Известны карлики, которые меньше Земли и даже Луны. Вещество их отличается чрезвычайно высокой плотностью. Так, если из материала одного из наиболее плотных белых карликов можно было бы изготовить гирю, равную по размерам обычной килограммовой гире, то на Земле такая гиря весила бы 4 тыс. т.
Еще большей плотностью обладают нейтронные звезды. Поперечник такой звезды, состоящей главным образом из ядерных частиц – нейтронов, составляет всего около 20–30 км, а средняя плотность вещества достигает 100 млн. т/см3. По существу нейтронная звезда – это громадное атомное ядро. Существование нейтронных звезд было теоретически предсказано еще в 30-х годах. Однако обнаружить их удалось в 1967 г. по необычайному импульсному радиоизлучению. Нейтронные звезды быстро вращаются, и радио-луч каждой вращающейся звезды регистрируется радиотелескопом как импульс радиоизлучения. В этой связи нейтронные звезды подобного типа называются пульсарами. Большинство пульсаров излучает в радиодиапазоне от метровых до сантиметровых волн. Они иногда называются радиопульсарами. Пульсары в Крабовидной туманности и ряд других излучают, кроме того, в оптическом, рентгеновском и гамма-диапазонах.
Звезды обладают различными поверхностными температурами – от нескольких тысяч до десятков тысяч градусов. Соответственно различен и цвет звезд. Сравнительно «холодные» звезды – с температурой около 3–4 тыс. градусов – красного цвета. Наше Солнце, поверхность которого «нагрета» до 6 тыс. градусов имеет желто-зеленый цвет. Самые горячие звезды – с температурой, превосходящей 12 тыс. градусов, – белые и голубоватые.
Во Вселенной наблюдаются вспышки новых и сверхновых звезд. Такие звезды в некоторый момент времени в результате бурных физических процессов неожиданно увеличиваются в объеме, «раздуваются», сбрасывают свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяют огромное количество энергии – в миллиарды раз больше, чем излучает Солнце. Затем, исчерпав свои ресурсы, они постепенно тускнеют, превращаясь в газовую туманность. Так на месте сверхновой звезды образовалась Крабовидная туманность. Она является мощным источником излучения, что свидетельствует о происходящих внутри нее интенсивных процессах.
Звезды, составляющие Галактику, движутся вокруг ее центра по очень сложным орбитам. С огромной скоростью – около 250 км/с – движется в мировом пространстве и наше Солнце, увлекая за собой свои планеты. Солнечная система совершает один полный оборот вокруг галактического центра за 180 млн. лет.
Ближайшие к нашей Галактике звездные системы удалены от нас на расстояние около 150 тыс. световых лет. Они видны на небе Южного полушария как маленькие туманные пятна. Впервые их подробно описал спутник и биограф Магеллана Пигафетт во время знаменитого кругосветного путешествия. Они вошли в историю естествознания под названием Магеллановых облаков – Большого и Малого. Радиоастрономические исследования последних десятилетий показали, что Магеллановы облака – это своеобразные спутники нашей Галактики: они обращаются вместе с ней вокруг своего центра.
На расстоянии около 2 млн. световых лет от нас находится ближайшая к нашей Галактике – Туманность Андромеды. Туманность Андромеды по своему строению напоминает нашу Галактику, но значительно превосходит ее по своим размерам. Подобно нашей Галактике, Туманность Андромеды имеет спутников – две эллиптические туманности, состоящие из огромного числа звезд.
По форме и строению различают эллиптические, спиральные, шаровые и неправильной формы галактики. Почти четверть всех изученных галактик относятся к эллиптическим. Плотность распределения звезд в них равномерно убывает в направлении от центра. Самые яркие в них звезды – красные гиганты. Одна из типичных спиральных галактик показана на рис. 2.3. К ним относится наша Галактика, Туманность Андромеды и многие другие. Галактика неправильной формы не имеет центральных ядер; закономерность распределения звезд в них пока не обнаружена. В созвездии Центавра наблюдается шаровая галактика, являющаяся источником радиоизлучения.
Рис. 2.3 - Спиральная галактика NGC 6814, похожая на Млечный Путь
3.1 Происхождение Солнечной системы
Солнечная система состоит из центрального небесного тела – звезды Солнца, 8 больших планет, обращающихся вокруг него, их спутников, множества малых планет – астероидов, многочисленных комет и межпланетной среды. Большие планеты располагаются в порядке удаления от Солнца следующим образом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Две последние планеты можно наблюдать с Земли только в телескопы. Остальные видны как более или менее яркие кружки и известны людям со времен глубокой древности.
К настоящему времени известны многие гипотезы о происхождении Солнечной системы, в том числе предложенные независимо немецким философом И. Кантом (1724–1804) и французским математиком и физиком П. Лапласом (1749–1827). Точка зрения И. Канта заключалась в эволюционном развитии холодной пылевой туманности, в ходе которого сначала возникло центральное массивное тело – Солнце, а потом родились и планеты. П. Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей, находящейся в состоянии быстрого вращения. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, туманность вследствие закона сохранения момента импульса вращалась все быстрее и быстрее. Под действием больших центробежных сил, возникающих при быстром вращении в экваториальном поясе, от него последовательно отделялись кольца, превращаясь в результате охлаждения и конденсации в планеты. Таким образом, согласно теории П. Лапласа, планеты образовались раньше Солнца. Несмотря на такое различие между двумя рассматриваемыми гипотезами, обе они исходят от одной идеи – Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. И поэтому такую идею иногда называют гипотезой Канта–Лапласа.
Согласно современным представлениям, планеты солнечной системы образовались из холодного газопылевого облака, окружавшего Солнце миллиарды лет назад. Такая точка зрения наиболее последовательно отражена в гипотезе российского ученого, академика О.Ю. Шмидта (1891–1956), который показал, что проблемы космологии можно решить согласованными усилиями астрономии и наук о Земле, прежде всего географии, геологии, геохимии. В основе гипотезы О.Ю. Шмидта лежит мысль об образовании планет путем объединения твердых тел и пылевых частиц. Возникшее около Солнца газопылевое облако сначала состояло на 98% из водорода и гелия. Остальные элементы конденсировались в пылевые частицы. Беспорядочное движение газа в облаке быстро прекратилось: оно сменилось спокойным движением облака вокруг Солнца.
Пылевые частицы сконцентрировались в центральной плоскости, образовав слой повышенной плотности. Когда плотность слоя достигла некоторого критического значения, его собственное тяготение стало «соперничать» с тяготением Солнца. Слой пыли оказался неустойчивым и распался на отдельные пылевые сгустки. Сталкиваясь друг с другом, они образовали множество сплошных плотных тел. Наиболее крупные из них приобретали почти круговые орбиты и в своем росте начали обгонять другие тела, став потенциальными зародышами будущих планет. Как более массивные тела, новообразования присоединяли к себе оставшееся вещество газопылевого облака. В конце концов сформировалось девять больших планет, движение которых по орбитам остается устойчивым на протяжение миллиардов лет.
С учетом физических характеристик все планеты делятся на две группы. Одна из них состоит из сравнительно небольших планет земной группы – Меркурия, Венеры, Земли и Mapca. Их вещество отличается относительно высокой плотностью: в среднем около 5,5 г/см3, что в 5,5 раза превосходит плотность воды. Другую группу составляют планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Эти планеты обладают огромными массами. Так, масса Урана равна 15 земным массам, а Юпитера – 318. Состоят планеты-гиганты главным образом из водорода и гелия, а средняя плотность их вещества близка к плотности воды. Судя по всему, у этих планет нет твердой поверхности, подобной поверхности планет земной группы.
Процесс образования Солнечной системы нельзя считать досконально изученным, а предложенные гипотезы – совершенными. Например, в рассмотренной гипотезе не учитывалось влияние электромагнитного взаимодействия при формировании планет. Выяснение этого и других вопросов – дело будущего.
К настоящему времени известно несколько гипотез о происхождении Земли. Почти все они сводятся к тому, что исходным веществом для формирования планет Солнечной системы, в том числе и Земли, были межзвездная пыль и газы, широко распространенные во Вселенной. Однако до сих пор нет однозначного ответа на вопросы: каким образом в составе планет оказался полный набор химических элементов таблицы Менделеева и что послужило толчком для начала конденсации газа и пыли в протосолнечную туманность. Некоторые ученые предполагают, что появление разнообразия химических элементов связано с внешним фактором – взрывом Сверхновой звезды в окрестностях будущей Солнечной системы. Такой взрыв массивной звезды, в недрах и газовой оболочке которой в результате ядерных реакций происходил синтез химических элементов (звездный нуклеосинтез), мог привести к образованию всей гаммы химических элементов, в том числе и радиоактивных. Мощный взрыв своей ударной волной мог стимулировать начало конденсации межзвездной материи, из которой образовалось Солнце и протопланетный диск, впоследствии распавшийся на отдельные планеты внутренней и внешней групп с поясом астероидов между ними. Такой путь начальной стадии формирования Солнечной системы называется катастрофическим, так как взрыв Сверхновой – природная катастрофа. В масштабах астрономического времени взрывы Сверхновых звезд – не столь уже редкое явление: они происходят в среднем через несколько миллиардов лет.
Предполагается, что образованию планет из протоплазменного диска предшествовала промежуточная фаза формирования твердых и довольно крупных, до сотен километров в диаметре, тел, называемых планетизималями, последующее скопление и соударение которых явилось процессом аккреции (наращивания) планеты. Аккреция сопровождалась изменением гравитационных сил.
Представления о тепловом состоянии новорожденной Земли претерпели в ХХв. принципиальные изменения. В противовес долго господствующему мнению об «огненно-жидком исходном состоянии Земли», основанном на классической гипотезе Канта–Лапласа, сначала ХХв., и особенно активно в 50-е годы, стала утверждаться идея об изначально холодной Земле, недра которой в дальнейшем стали разогреваться вследствие тепла при распаде естественных радиоактивных веществ. Однако в данной концепции не учитывается выделение тепла при аккреции и особенно при соударении планетезималей больших размеров. В этой связи в настоящее время обсуждается идея о весьма существенном разогреве Земли вплоть до температуры плавления ее вещества уже на стадии аккреции. Предполагается, что при таком разогреве начинается дифференциация Земли на оболочки и прежде всего на силикатную мантию и железное ядро. При этом нельзя исключать и радиоактивный источник тепла, которое выделялось в результате распада радиоактивных веществ, находящихся в планетезималях.
Выделявшееся тепло повлекло за собой образование газов и водных паров, которые выходя на поверхность, и положили начало формирования воздушной оболочки – атмосферы и водной среды нашей планеты.
Радиоактивным методом установлено, что возраст самых древних пород, найденных в земной коре, составляет около 4 млрд. лет. По оценкам ученых, формирование Земли длилось от 5 до 6 млрд. лет. Понадобились миллиарды лет, чтобы образовалась наша планета – Земля. Вращаясь, этот сплюснутый у полюсов шар летит в космическом пространстве по огромной эллиптической кривой вокруг Солнца.
Рис.3.1 – Вид Земли из космоса
4.1 Современное представление о происхождении жизни
Вопрос о происхождении жизни – один из самых трудных в современном естествознании. В первую очередь потому, что мы сегодня не можем воспроизвести процессы возникновения жизни такими, какими они были миллиарды лет назад. Ведь даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь моделью, приближением, безусловно лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на земле. И тем не менее наука успешно решает вопрос о происхождении живого, проводит многочисленные исследования, постоянно расширяет представления о зарождении жизни. Это вполне понятно: проблема жизни лежит в фундаменте всех биологических наук и в значительной мере – всего естествознания.
Существенный вклад в решение вопроса о происхождении жизни внесли академик АН СССР биохимик А.И. Опарин (1894–1980), английские естествоиспытатели Дж. Бернал (1901–1971) и Б.С. Холдейн (1892–1964) и многие другие ученые.
История жизни и история Земли неотделимы друг от друга. Именно в процессах развития нашей планеты закладывались условия будущего существования жизни – диапазоны температур, влажности, давления, уровня радиации и т. п. Например, диапазон температур, в котором существует известная нам активная жизнь, составляет довольно узкую полосу (см. рис. 4.1).
Рис. 4.1 – Шкала земных и космических температур
Одна из гипотез о происхождении Земли и всей Солнечной системы, как уже отмечалось, заключается в том, что наша Земля и все планеты сконденсировались из космической пыли, располагавшейся в окрестностях Солнца. Скорее всего, частицы пыли состояли из железа с примесью никеля либо из силикатов (веществ, в состав которых входит широко распространенный на Земле кремний), например силикатов магния, и каждая частица была окружена льдом. Конечно, кроме пыли везде присутствовал газ. И газ, и частицы пыли пронизывались солнечной радиацией. При этом весьма вероятно, что на внешних участках Солнечной системы газы могли конденсироваться, образуя различные летучие органические соединения, в которых присутствует основной элемент всех живых организмов – углерод. Постепенно Солнце разогревало их, газы снова испарялись, но некоторая их часть под действием излучений превращалась в менее летучие углеводороды (соединения углерода с водородом) и соединения азота.
Возможно, что именно пылевые частицы, окруженные оболочками из органических соединений, объединяясь, образовали сначала астероиды, а затем планеты. Известно, например, что гиганты Солнечной системы – Юпитер, Сатурн, Уран – состоят в основном из метана, водорода, аммиака и льда – веществ, служащих основой всех сложнейших органических соединений.
В то же время общая поверхность пылинок была очень велика. А это значит, что на ней могли образоваться различные соединения углерода и азота – прямых предшественников жизни.
Данное предположение доказывается тем, что ряд органических соединений найден в метеоритах, например аденин – биологически очень важное азотистое основание. Он был искусственно получен в лаборатории при условиях, которые имитировали первичную атмосферу Земли. А, скажем, органические соединения, играющие большую роль в обмене веществ живых организмов, – щавелевую, муравьиную и янтарную кислоты удалось искусственно получить при облучении водных растворов углекислоты.
Первичная атмосфера Земли, как и других планет, содержала, очевидно, метан, аммиак, водяной пар и водород. Воздействуя в лаборатории на смесь этих газов электрическими разрядами, имитирующими молнию, и ультрафиолетовым излучением, ученые получили сложные органические вещества, входящие в состав живых белков, – глицин, аланин и др.
Таким образом, под воздействием электрических разрядов, световой и ультрафиолетовой радиации еще до образования Земли или на самой первой стадии ее существования из неорганических соединений мог возникнуть ряд довольно сложных органических веществ. Образовавшиеся органические вещества – это первый шаг на пути к жизни.
Какие же элементы являются основными слагаемыми живого? Это в первую очередь кислород, углерод, водород и азот. Их принято называть органогенами. В живой клетке, например, по массе содержится около 70% кислорода, 17% углерода, 10% водорода, 3% азота, затем идут фосфор, калий, хлор, сера, кальций, натрий, магний, железо. Их количество в клетке не превышает десятых долей процента. Далее следуют медь, цинк, йод, фтор и другие элементы, присутствующие в тысячных и десятитысячных долях процента.
Особая роль в живых организмах принадлежит углероду. Говорят, что жизнь на нашей планете «углеродная», потому что в основе всех органических соединений и веществ организмов лежит углерод.
Углеродные соединения обладают рядом свойств, делающих их незаменимыми при образовании живых систем. Прежде всего, число органических соединений на основе углерода огромно – десятки миллионов. Они активны при сравнительно невысокой температуре. Атомы углерода в молекулах могут образовывать длинные цепи различной формы. При относительно небольшой перестройке молекул углеродных соединений существенно меняется их химическая активность, которая возрастает при наличии катализаторов.
Первый шаг на пути к возникновению жизни заключается в образовании органических веществ из неорганического космического сырья. Такой процесс протекал при определенных температуре, давлении, влажности, радиации и т. д. На первый стадии данного процесса, вероятно, начал действовать предварительный отбор тех соединений, из которых позднее появились организмы. Из множества образовавшихся веществ сохранились лишь наиболее устойчивые и способные к дальнейшему усложнению.
Для построения любого сложного органического соединения живых организмов нужен небольшой набор слагающих блоков – мономеров (низкомолекулярных соединений). Например, имея всего 29 сравнительно несложных мономеров, можно описать биохимическое строение любого живого организма. В число их входят 20 аминокислот, из которых построены все белки, 5 азотистых оснований (из них в комбинации с другими веществами образуются носители наследственности – нуклеиновые кислоты), а также глюкоза – важнейший источник энергии, необходимый для жизнедеятельности, жиры (структурный материал, идущий на построение в клетке мембран и запасающий энергию).
Такое сравнительно небольшое число соединений – результат действия в течение почти миллиарда лет естественного отбора, выделившего их из огромного количества некогда возникших веществ и определившего их пригодность для возникновения живого. Можно сказать, что эволюции организмов предшествовала очень длительная химическая эволюция.
Соединения, возникшие на основе углерода, образовали «первичный бульон» гидросферы. Существует научная гипотеза, согласно которой содержащие углерод и азот вещества возникали в расплавленных глубинах Земли и выносились на поверхность при вулканической деятельности. Размываясь водой, они могли попасть в океан, где участвовали в образовании «первичного бульона».
Второй важнейший шаг в образовании живых организмов заключался в том, что из множества отдельных молекул органических веществ, существовавших в первичном океане Земли, возникли упорядоченные сложные вещества – биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты. Они уже обладали важнейшим биологическим свойством – воспроизводить аналогичные себе молекулы.
Каким же образом осуществлялось формирование биополимеров? В рассматриваемый период все органические соединения находились в первичном океане Земли. Для того чтобы между соединениями могли произойти реакции, ведущие к образованию сложных биологически важных молекул, концентрация органических соединений должна была быть сравнительно высокой. Такая концентрация веществ могла образоваться в результате осаждения соединений на различных минеральных частицах, например, на частичках глины или гидроокиси железа, образующих ил прогреваемого солнцем мелководья. Органические вещества могли образовать на поверхности океана тонкую пленку, которую ветер и волны гнали к берегу, где они собирались в толстые слои с высокой концентрацией органических веществ.
Свободный кислород появился значительно позже в результате деятельности первых фотосинтетиков – водорослей, а затем и наземных растений. Бескислородная среда облегчала, по-видимому, синтез биополимеров из неорганических соединений – кислород как сильный окислитель разрушил бы возникающие молекулы.
Отдельные несложные органические соединения стали объединяться в крупные биологические молекулы. Образовались ферменты – белковые катализаторы, способствующие возникновению или распаду молекул. В результате деятельности первичных ферментов возникли одни из важнейших органических соединений – нуклеиновые кислоты. Мономеры в нуклеиновых кислотах расположены так, что несут определенную информацию о синтезе белков и обмене с внешней средой веществом и энергией. Кроме того, молекулы нуклеиновых кислот приобрели свойство самовоспроизведения себе подобных. Можно считать, что с этого момента на Земле возникла жизнь.
Жизнь – это особая форма существования материи. Характерные особенности жизни – обмен с внешней средой, воспроизведение себе подобных, постоянное развитие.
К концу биохимической стадии возникновения жизни появились структурные образования – мембраны, которые сыграли важную роль в построении клеток. Порганизмы на Земле были одноклеточные прокариоты. Проходили сотни миллионов, даже миллиарды лет, в течение которых из прокариотов образовывались эукариоты, в их клетке сформировались ядро с веществом, содержащим код синтеза белка, ядрышко, находящееся в ядре, и другие структурные элементы.
С появлением эукариотов наметился выбор растительного или животного образа жизни, различие между которыми заключается в способе питания и связано с возникновением важнейшего для всего живого процесса – фотосинтеза. В результате фотосинтеза ежегодно на Земле образуется около 200 млрд т органического вещества, 90% которого вырабатывают водоросли и только 10%– наземные растения.
Возникновение фотосинтеза сопровождалось поступлением в атмосферу кислорода. Подсчитано, что благодаря фотосинтезу вся углекислота планеты – и в атмосфере и растворенная в воде – обновляется примерно за 300 лет, а весь кислород – за 2 тыс. лет. Предполагается, что теперешнее содержание кислорода в атмосфере (21%) было достигнуто 250 млн лет назад в результате интенсивного развития растений.
Первые многоклеточные организмы возникли путем объединения одноклеточных организмов и прошли долгий путь эволюции.
Органический мир развивался в течение миллиардов лет вместе с той средой, в которой ему приходилось существовать, т. е. вместе с Землей. Поэтому эволюцию жизни невозможно понять без эволюции Земли, и наоборот. Владимир Ковалевский (1842–1883) положил эволюционную теорию в основу палеонтологии – науки об ископаемых организмах.
Первые следы органических остатков геологи обнаруживают уже в древнейших отложениях, относящихся к протерозойской геологической эре, охватывающей огромный промежуток времени – 700 млн лет. Земля в тот период была почти сплошь покрыта океаном. В нем обитали бактерии, простейшие водоросли, примитивные морские животные. Эволюция тогда шла настолько медленно, что проходили десятки миллионов лет, пока органический мир сколько-нибудь заметно изменялся (рис. 4.2).
Рис. 4.2 – Картина эволюции жизни на Земле
В палеозойскую эру (продолжительностью около 365 млн лет) эволюция всего живого шла уже более быстрыми темпами. Образовались большие пространства суши, на которой появились наземные растения. Особенно бурно развивались папоротники: они образовали гигантские дремучие леса. Морские животные тоже усовершенствовались, что привело к образованию огромных панцирных рыб. В каменноугольном (карбоновом) периоде, на который падает расцвет палеозойской фауны и флоры, уже появились земноводные. А в пермский период, завершавший палеозойскую эру и начинавший мезозойскую (она удалена от нас на 185 млн лет), – пресмыкающиеся.
Еще быстрее животный и растительный мир Земли стал развиваться в мезозойскую эру. Уже в самом ее начале пресмыкающиеся стали господствовать на суше. Появились и первые млекопитающие – сумчатые. Всеобщее распространение получили хвойные деревья, возникли разнообразные птицы и млекопитающие.
Около 70 млн лет назад наступила кайнозойская эра. Виды млекопитающих и птиц продолжали совершенствоваться. В растительном мире главенствующая роль перешла к цветковым. Сформировались виды животных и растений, которые обитают на Земле и сейчас.
С возникновением человека около 2 млн лет назад начинается нынешний период кайнозойской эры – четвертичный, или антропоген. Человек – в геологическом масштабе времени – совершенный младенец. Что такое 2 млн лет для природы! Это чрезвычайно малый срок. Наиболее значительным событием в кайнозойской эре – стало возникновение большого числа культурных растений и домашних животных. Все они – результат творческой деятельности человека – разумного существа, способного к целенаправленной деятельности.
Учение о биосфере было создано В. И. Вернадским (1863–1945). Под биосферой ученый понимал ту тонкую оболочку Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. Биосфера объединяет верхние оболочки Земли – литосферу, гидросферу и атмосферу – и играет важнейшую роль в обмене веществ между ними. Огромные количества кислорода, углерода, азота, водорода и многих других элементов постоянно проходят через живые организмы Земли. В. И. Вернадский показал, что нет практически ни одного элемента в таблице Менделеева, который не включался бы в живое вещество планеты и не выделялся из него при его распаде. Вернадский впервые показал, какую решающую геологическую роль играло на нашей планете живое вещество.
Вернадский акцентировал внимание и на огромной геологической роли человека. Он показал, что будущее биосферы – это ноосфера, т. е сфера разума. Ученый верил в силу человеческого разума, верил в то, что, все активнее вторгаясь в природные эволюционные процессы, человек сумеет направить эволюцию живого таким образом, чтобы сделать нашу планету еще прекраснее и богаче.
Мир живого — самоорганизующийся. Подобно тому как биосфера — самоорганизующая целостность, таковы и все ее уровни. Для животного мира формой организации является стадо. Социальное поведение животных — это эволюционный механизм, определяемый преимуществами общественной жизни. Постепенно потребность в обеспечении безопасности у животных становилась высшей потребностью, сформировала соответствующие инстинкты. Сначала была анонимная стая, потом появилась безличная, затем личная семья. Этология (от греч. этос — поведение, характер, нрав) — наука о поведении животных — показывает, что в животном мире есть общественная жизнь с эмоциями и чувствами. К.Фриш экспериментировал с пчелами, а К.Лоренц и Н.Тинберген изучали более сложное поведение многих видов птиц, рыб, млекопитающих и насекомых.
Человек — биосоциальное существо. Он прошел путь эволюции, сформировалось общество, и человек — его социальный продукт. Разрушение в человеке его социальной сущности — возврат к животному миру. Эти проблемы обсуждались еще в античности: киники видели природу человека в его естественном образе жизни, Эпикур — в его чувствах (одинаковых у человека и животных), стоики — в разуме. Сейчас этим занимается наука — социобиология. Поэтому человек обречен на развитие, на самоусовершенствование через индивидуальность и через общество. Индивидуальность оттачивает миропонимание, общество ставит рамки, в которых индивидуальное миропонимание играет положительную роль в обществе. Появление противоречий между индивидуальным и общественным отражает инерцию в развитии; она спасает от крайних флуктуаций в развитии индивидуальности и действий индивида в отношении общества. Но слишком большая инерционность общества может и «задавить» личность, если индивидуальность не будет ее учитывать, т. е. система «личность — общество» развивается в самосогласованном режиме: личность созревает в обществе, а общество создается под влиянием личности. Примеров нарушения этого баланса в человеческой истории предостаточно. Многократно общество расправлялось с индивидуальностью, чем наносило ущерб своему развитию. Часто и гениальная личность ввергала общество в различные авантюры.
Общество тоже прошло определенную эволюцию. Существует культурно-историческая концепция, идущая из Древней Греции. Геродот противопоставлял Европу — мир эллинских полисов и Азию — персидскую монархию. Деление на пролетариат и буржуазию в некотором роде соответствует этой концепции. Согласно другой концепции, история общества — единый процесс развития всей планеты. Сначала общество опиралось на четыре империи — Ассирийскую, Персидскую, Македонскую и Римскую. А. Дж. Тойнби в качестве единицы всемирной истории выбрал национальное государство, пытаясь совместить эти оба подхода. Потом заменил новой единицей — локальной цивилизацией. Он выделил среди «неевропейских» 21 цивилизацию в 16 регионах планеты. Среди цивилизаций — «примитивные» и «цивилизованные». Развитие общества идет через мимесис (подражание). В примитивных цивилизациях — это подражание предкам, т. е. общества статичны. Цивилизованные общества динамичны: подражают личностям, которые «бросают вызов» трудностям и преодолевают их через усилия. Этими вызовами могут быть природные катаклизмы, нападение чужеземцев или распад предыдущих цивилизаций. Объединительные тенденции развития обществ Тойнби связал с мировыми религиями, среди которых — зороастризм, иудаизм, буддизм, христианство, ислам. При этом он постепенно пришел к идее «экуменического» видения истории, считая, что главное последнее единение может быть достигнуто на базе объединенной религии.
Универсальный эволюционизм исходит из представления, что возникновение духовного мира человека, его планеты и Вселенной — результат самоорганизации, саморазвития человека как биологического вида и общества как структур человечества.
В ХХ в. человек не только закончил карту Земли, вышел в Космос и осмотрел ее со стороны, он благодаря средствам связи стал частью единого человечества. Развитие человека и общества в природной среде становятся неразрывными. Но по массе своей человечество составляет ничтожную долю массы планеты, значит, сила в растущем разуме.
Появление человека не только изменило биосферу, но и результаты ее планетарного влияния. Начался переход простого приспособления организмов к разумному поведению и целенаправленному изменению окружающей природы разумными существами. Постепенно человек стал решающим фактором преобразования планеты, и последствия появления человека разумного на Земле многофункциональны.
Перспектива движения к развитию или распаду определяется уровнем самоорганизации общества. К числу критериев, определяющих высокий уровень самоорганизации и, следовательно, относительную устойчивость общественных систем, относят « способность системы противостоять деструктивным тенденциям и воздействиям окружающей среды, поддерживать определенное соотношение равновесных и неравновесных процессов, уровень градиентов и т.д.» В отличие от такой общественной системы малоэффективная организация существует только благодаря временным субъективным факторам или внешним условиям. При этом нарастают ее внутренние противоречия, а вмешательство в естественноисторический процесс происходит хаотически.
Развитие общества зависит от его самоорганизации, определяемой объективными и субъективными причинами. Из субъективных причин обычно выделяют содержание сознания, уровень образованности и меру интеллектуализации мышления, состояние духовного опыта и культуры. Процесс самоорганизации обеспечивается, как показывает исторический опыт человечества, самоуправлением при достаточной компетентности в осмыслении и оценке событий, определении путей и средств достижения цели.
Нахождение компромисса при многих противоречивых тенденциях в таких сложных системах, как «общество — окружающая среда» я считаю наиболее приоритетной задачей, стоящей перед обществом и каждым отдельным человеком.
1.Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. М.,1981.
2.Найдыш В.М. Н20 Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. -- М.:Гардарики,2001.-476с. ISBN 5-8297-0001-8 (в пер.)
3.Карпенков С.Х. К26 Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: Академический Проект, 2000. Изд. 2-е, испр. и доп.
4.Гусейханов М. К., Раджабов О. Р. Концепции современного естествознания: Учебник. — 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2007.
5.Горбачев В.В. Концепция современного естествознания Москва 2005
6.Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по гуманитарным специальностям. – М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2002.
7.Кучерок Анатолий Степанович Концепции современного естествознания: Курс аудиолекций
8.Васильева Людмила Юрьевна Концепции современного естествознания: Курс видеолекций – МГУ Печати, www.hi-edu.ru
|
