Хотя отдельные эволюционные теории появились в конкретных науках еще в XVIII—XIX вв. (гипотеза возникновения Солнечной системы Канта-Лапласа, теория геологической эволюции Ч. Лайеля и эволюционная теория Ч. Дарвина), тем не менее, ни о какой глобальной эволюционной теории развития до начала XX в. речи быть не могло. Это объясняется многими причинами, среди которых следует назвать следующие:
• во-первых, ориентацию классического естествознания преимущественно на изучение сравнительно простых, равновесных систем;
• во-вторых, физика, которая играла лидирующую роль в построении общей научной картины мира, не опиралась в своих теориях на идеи эволюции;
• в-третьих, теории эволюции конкретных наук (астрономии, геологии, биологии) носили частный характер и нуждались в дальнейшей разработке;
• в-четвертых — и это главное — не были выявлены общие идеи и принципы, которые должны стать основой глобальной или универсальной эволюции.
В последние десятилетия благодаря широкому распространению системных идей, а позднее и представлений о принципах самоорганизации открытых систем, сейчас все настойчивее выдвигаются различные гипотезы и модели возникновения и эволюции охваченной наблюдениями Вселенной. Они усиленно обсуждаются в рамках современной космологии. Аналогично этому, значительное развитие получила эволюционная теория Дарвина, которая была дополнена современной теорией наследственности, и стала синтетической теорией биологической эволюции. Все эти достижения современной науки оказали решающее влияние на формирование принципов глобального или универсального эволюционизма, а также новой научной картины мира. В связи с этим мы сначала обсудим, как развивались представления о космической эволюции, а затем — живых систем в биологии.
Космическая эволюция. Исследованием этого процесса занимается современная космология. Она возникла после появления общей теории относительности, и поэтому ее в отличие от прежней космологии, называют релятивистской. Поскольку эта космология сформировалась на основе идей и принципов общей теории относительности, то на первом этапе она уделяла главное внимание геометрии Вселенной и, в частности, кривизне четырехмерного пространства-времени.
Новый этап ее развития был связан с исследованиями нашего ученого А.А. Фридмана (1888-1925), которому удалось впервые теоретически доказать, что Вселенная, заполненная в соответствующей степени тяготеющим веществом, не может быть стационарной, а должна периодически расширяться или сжиматься. Эмпирической базой для подтверждения этих теоретических выводов стали открытия внегалактической астрономии, важнейшим из которых, несомненно, было обнаружение расширения Вселенной. В 1929 г. американский астроном Э.П. Хаббл установил, что свет, идущий от далеких галактик, смещается в сторону красного конца спектра. Это явление, получившее название красного смещения, согласно принципу Доплера, свидетельствовало об удалении галактик от наблюдателя.
Последующий этап развития космологии связан с исследованием физических процессов, происходивших на разных стадиях расширяющейся Вселенной. Начало им положили работы известного американского физика Г.А. Гамова, русского по происхождению. В них он пытался в первую очередь раскрыть картину происхождения химических элементов во Вселенной и в связи с этим высказал предположения о первоначальных ее элементах.
По современным представлениям космическая эволюция дает начало всем процессам и формам развития материальных систем во Вселенной. Хотя в настоящее время существует множество различных гипотез ее происхождения и эволюции, в качестве стандартной модели принимается гипотеза «большого взрыва». Она опирается на следующие эмпирические и теоретические данные:
• во-первых, как отмечено выше, на факты внегалактической астрономии о непрерывном удалении наиболее далеких от нас галактик;
• во-вторых, на открытие в 1965 г. микроволнового излучения, названного впоследствии реликтовым, поскольку оно несет информацию о ранней истории Вселенной;
• в-третьих, на постулат о разрушении симметрии между микрочастицами, с одной стороны, и силами, действующими между ними, с другой.
По стандартной модели первоначально Вселенная находилась в сверхплотном и сверхгорячем состоянии. После взрыва она начала быстро расширяться и постепенно охлаждаться; Эти процессы привели к разрушению прежней симметрии между материальными частицами и связывающими их силами, а также утрате единства первоначальной простоты в природе.
Что собой представляла Вселенная до взрыва, никаких надежных данных пока не существует. Высказываются лишь некоторые предположения и гипотезы. Г.А. Гамов считал, что вещество Вселенной в начале состояло из нейтронов, которые в дальнейшем превращалось в протоны, а из них возникли сначала ядра атомов, а затем и атомы. Однако эта гипотеза оказалась теоретически несостоятельной. Поэтому в стандартной модели предполагается, что первоначально Вселенная могла состоять из электронов, позитронов и фотонов, а также нейтрино и антинейтрино. В настоящее время высказывается мнение о кварковой модели в силу того, что эти гипотетические частицы считаются теперь основой для построения элементарных частиц. Но такая модель вызывает возражения многих специалистов прежде всего потому, что сами кварки являются лишь гипотетическими частицами и непосредственно экспериментально не обнаружены.
Относительно более надежными являются представления об эволюции Вселенной после взрыва и начавшегося ее расширения.
В общих чертах процесс космической эволюции и формирование Вселенной, по мнению Нобелевского лауреата С. Вайнберга, можно представить в виде следующей последовательности кадров кинофильма.1
Первый кадр. Начиная с 1/100 секунды после взрыва, когда температура стала равной 100 миллиардов градусов по Кельвину, Вселенная была «заполнена везде одинаковым, однородным по свойствам супом из вещества и излучения, причем каждая частица в нем очень быстро сталкивается с другими частицами»1.
Такими частицами были электрон и позитрон, а также фотон, нейтрино и антинейтрино. Кроме того, там существовало» небольшое число ядерных частиц, около одного протона или нейтрона на каждый миллиард фотонов.
Второй кадр. Температура Вселенной упала до 30 миллиардов градусов, но качественно ее состав не .изменился. Вселенная по-прежнему состоит из электронов, позитронов, фотонов, нейтрино и антинейтрино, которые находятся в тепловом равновесии. Небольшое число ядерных частиц все еще не объединяются в атомные ядра.
Третий кадр. Со времени первого кадра прошло чуть больше секунды, и температура Вселенной упала до 10 миллиардов градусов. К этому времени уменьшение плотности и температуры настолько увеличили среднее свободное время существования нейтрино и антинейтрино, что они начинают вести себя как свободные частицы и перестают находиться в тепловом равновесии с другими частицами. Однако существующая температура все еще не позволяет протонам и нейтронам объединиться в атомные ядра.
Четвертый кадр. Температура Вселенной теперь понизилась до 3 миллиардов градусов, которая ниже пороговой для электронов и позитронов. Поэтому они начинают быстро исчезать, превращаясь в излучение. Уменьшение температуры создает также условия для образования небольшого числа стабильных легких ядер, например, гелия. Нейтроны продолжают превращаться в протоны, хотя и значительно медленнее.
Пятый кадр. Теперь температура Вселенной упала до 1 миллиарда градусов, что, однако, в 70 раз выше, чем в центре Солнца. При этих условиях уже могут удерживаться ядра трития и гелия-3, а позднее и ядра дейтерия. Однако ядра тяжелее гелия в заметном количестве не образуются. Со времени первого кадра проходит чуть больше 3 минут.
Шестой кадр. Теперь температура Вселенной упала до 300 миллионов градусов, а со времени первого кадра прошло свыше 34 минут. В этот период все электроны и позитроны исчезают, за исключением небольшого количества электронов, необходимых для компенсации зарядов протонов. Но температура еще слишком высока, чтобы могли возникнуть стабильные ядра.
Пройдет еще свыше 700 000 лет, когда электроны и ядра начнут образовывать устойчивые атомы легких элементов, преимущественно водорода и гелия. В этот период происходит разъединение вещества и излучения. Одним из первых его следствий стало образование звезд, состоящих на три четверти из водорода и одну четверть из гелия. Другим следствием было то, что Вселенная стала прозрачной для излучения. Именно тогда возникает ставшее теперь широко известным космическое микроволновое излучение с температурой 3 градуса по Кельвину, которое часто называют реликтовым, ибо оно напоминает об истории возникновения Вселенной.
Самым главным результатом на стадии микроэволюции Вселенной было образование крайне незначительного перевеса вещества над антивеществом. Из него в результате дальнейшей эволюции возникло все богатство и разнообразие материальных образований и форм, начинай от атомов, молекул, кристаллов, минералов и кончая галактиками.
Разумеется, много в стандартной гипотезе образования Вселенной еще неясного и спорного. Прежде всего, остается нерешенным вопрос о структуре и состоянии материи первоначальной Вселенной. Ведь кроме тех элементарных частиц, которые рассматриваются в стандартной модели, существуют и другие «кандидаты» на эту роль. Популярной остается также кварковая модель, которая, если бы она была правильной, значительно проще объяснила бы состояние ранней Вселенной. Однако сами кварки в свободном состоянии пока не обнаружены и, как указывает С. Вайнберг, загадка существования изолированных, свободных кварков есть одна из самых важных проблем, с которыми в настоящее время сталкивается теоретическая физика.1
Наряду со стандартной моделью в свое время была предложена также гипотеза пульсирующей Вселенной, которая предполагает, что в ходе своей эволюции Вселенная подвергается периодическому расширению и сжатию. По мнению ее защитников, она удовлетворительно объясняет наличие гигантского количества фотонов во Вселенной во время циклов ее расширения и сжатия. Однако никаких эмпирических фактов, свидетельствующих о сжатии Вселенной, пока не обнаружено.
Свыше четверти века назад была выдвинута гипотеза, которая рассматривает Вселенную как гигантскую флуктуацию вакуума, и пытается объяснить разрушение в ней симметрии между веществом и антивеществом, а также различными силами взаимодействия между частицами и полями. В последние годы она приобрела особую популярность потому, что пытается раскрыть состояние Вселенной до взрыва.
Согласно такой инфляционной модели, Вселенная возникла из первоначального вакуума, который обладал огромной энергией, но находился в неустойчивом состоянии. Полагают, что в этом вакууме, который называют возбужденным, господствовали космические силы отталкивания, которые «раздували» занимаемое ими пространство, а выделившаяся при этом энергия быстро нагревала его. В конце концов, огромное повышение температуры и давления возбужденного вакуума привело к взрыву. После взрыва наступило резкое понижение температуры и давления, и дальнейшем расширение Вселенной происходило по сценарию стандартной модели.
Стандартная гипотеза, хотя и не раскрывает причин «большого взрыва» и первоначального состояния материи до этого, но отличается от многих гипотез в первую очередь тем, что опирается на важные эмпирические данные внегалактической астрономии; во-вторых, она учитывает фундаментальную роль нарушения симметрии в процессе формирования все более сложных материальных систем; в-третьих, в ее основе лежит концепция самоорганизации синергетики об образовании в процессе эволюции сложноорганизованных систем.
Взаимодействие микро- и макропроцессов в ходе космической эволюции. Эволюция Вселенной началась приблизительно 15-20 млрд лет назад, и соответственно она охватывает две стадии: микро и макро-эволюцию. Микроэволюция привела к образованию атомов и молекул и тем самым явилась предпосылкой для возникновения макроэволюции, в ходе которой возникли окружающие нас макротела и их системы, вплоть до систем галактик.
В ходе эволюции происходило также нарушение симметрии между разными силами взаимодействия. На первоначальной стадии, когда Вселенная была достаточно горячей, сильные ядерные взаимодействия были в симметрии с гравитационными, а электромагнитные — со слабыми взаимодействиями. Только благодаря нарушению симметрии между ядерными и гравитационными силами стало возможным образование звезд, галактик и других космических объектов и систем. Полагают, что именно разрушение симметрии между ядерными и гравитационными силами было самым первым и важнейшим условием структурирования материи на микро и макроуровне.2
Аналогично этому, нарушение симметрии между электромагнитными и слабыми взаимодействиями привело к образованию огром-наго множества тел, форм и систем, которые составляют окружающий нас мир. Таким образом, благодаря разрушению симметрии между разными типами физических взаимодействий стало возможным не только возникновение микро- и макрообъектов, но и последующее взаимосвязанное развитие микроскопической и макроскопической ветвей эволюции. Микроэволюция обеспечила условия для развертывания макроэволюции. Следовательно, микро и макро-эволюция взаимно обуславливали и дополняли друг друга.
Диалогическая эволюция создала необходимые предпосылки для возникновения сложноорганизованных живых систем. Поэтому нам особенно важно познакомиться с ними, во-первых, для того, чтобы узнать, что нового внесла синтетическая теория эволюция в учение Дарвина, во-вторых, как могут быть использованы идеи этой теории для становления глобального, или универсального эволюционизма.
Опираясь на огромный фактический материал и практику селекционной работы по выведению новых сортов растений и пород животных, Ч.Дарвин сформулировал следующие основные принципы своей эволюционной теории.
Первый принцип постулирует, что изменчивость является неотъемлемым свойством живого.
Второй принцип раскрывает внутреннее противоречие в развитии живой природы. Оно состоит в том, что, с одной стороны, все виды организмов имеют тенденцию к размножению в геометрической прогрессии, а с другой — они выживают и достигают зрелости лишь в арифметической прогрессии,
Третий принцип обычно называют принципом естественного отбора, который играет фундаментальную роль в теории эволюции не только Дарвина, но и большинства теорий, появившихся позднее.
Дарвин выдвинул гипотезу общего характера, согласно которой в природе существует особый механизм отбора, который приводит к избирательному уничтожению организмов, оказавшихся неприспособленными к существующим или изменившимся условиям окружающей среды. Эти результаты, указывает он, представляют собой следствия одного общего закона, обусловливающего прогресс всех органических существ, а именно: размножения, изменения, выживания наиболее сильных и гибель наиболее слабых. Самым слабым местом в учении Ч. Дарвина были представления о наследственности, которые подверглись серьезной критике его противниками.
Современная теория органической эволюции, которую называют синтетической, отличается от дарвиновской теории по ряду важнейших пунктов:
• она ясно выделяет элементарную структуру, с которой начинается эволюция. В настоящее время такой структурой считается популяция, а не отдельная особь или вид, который включает в свой состав несколько популяций;
• в качестве элементарного явления или процесса эволюции современная теория рассматривает устойчивое изменение генотипа популяции;
• она шире и глубже истолковывает факторы и движущие силы эволюции, выделяя среди них факторы основные и не основные.
Ч. Дарвин и его последователи к основным факторам эволюции относили изменчивость, наследственность и естественный отбор, связанный с борьбой за существование. В настоящее время к ним добавляют множество других дополнительных факторов, которые, не являясь основными, тем не менее, оказывают влияние на эволюционный процесс. Сами основные факторы теперь также понимаются по-новому.
Важнейшим из них является мутационный процесс, который исходит из признания того неоспоримого теперь факта, что основную массу эволюционного материала составляют различные формы мутаций, то есть изменения наследственных свойств организмов, возникающие естественным путем или вызванные искусственными средствами.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему