Михаил Наумович Либенсон – доктор физико-математических наук
Мстислав Крылов: Эволюция живой и неживой материя подчиняется одним и тем же концептуальным законам физики и химии. И поэтому мы вместе с доктором физико-математических наук Михаилом Либенсоном решили разработать эту проблему на двоих.
Наверное, ты начнешь, расскажешь, как возникла Вселенная, об инфляционной гипотезе, о большом взрыве, а потом я уже перейду к тому времени, когда начала формироваться естественная материя и живые организмы.
Михаил Либенсон: Спасибо за такую возможность. Я должен сказать, что, хотя я знаком с общим взглядом на Мир, основанным на теории Большого Взрыва; с тем, как возникла и развивается Вселенная, я не являюсь глубоким профессионалом в этой области. Я читаю лекции "Концепции современного естествознания" студентам одного из вузов Петербурга. И очень этой темой интересуюсь. Но, поскольку здесь претензий на какие-то новые вещи у нас нет, я просто напомню, что, согласно теории Большого Взрыва, Вселенная возникла как флуктуация, и первоначально, в первый момент, который и определить-то трудно (потому что я дольше говорю, чем это состоялось), плотность исходного вещества (Вселенная возникла из сингулярности) была чудовищной – 10 в 97-й степени грамм на кубический сантиметр, а температура – 10 в 32-й степени градусов, Кельвина, или Цельсия (тут неважно, в чем определять), а дальше началось стремительное расширение того, что образовалось, и температура падала. А то, что образовалось, начало стремительно меняться, преобразовываться. И проходило некоторые стадии. Эти стадии в течение первых трех минут прошли так много ступеней эволюции, что изучение их еще только, так сказать, начинается. Если перечислить только, то сначала получилось нечто с огромным отрицательным давлением, и, согласно общей теории относительности, такая вещь не могла быть устойчивой. Из неустойчивости получилось то, что уже стало после расширения обычным веществом. Но там присутствовала огромная доля излучения. И то, что известно из физики элементарных частиц, позволило понять, что потом, спустя ничтожные доли секунды, получились первые барионы, а через очень короткое время пошло образование ядер. И на протяжении долей секунды образовались первые ядра самых легких элементов – водорода и гелия. Образование же тяжелых элементов, кирпичиков хорошо нам знакомого вещества, произошло уже гораздо позже и длилось не доли секунды, а миллионы лет. И за это время то, что возникло, охватило огромные области. Но к этому мы ещё вернемся, когда появятся картинки, а пока коснемся вот чего. Главный и очень важный момент для общего нашего рассказа в том, что мы увидим серьезные усложнения системы, которая возникла как некая неоднородность.
Усложнение – это очень важное свойство мира, который продолжает расширяться, оставаясь неравновесным и сугубо нелинейным, по оценкам, уже 12-15 миллиардов лет. Вот что можно сказать во вступлении о неживой природе.
М.К. Ну что же, расширяющейся Вселенной свойственна неравновесность. И многие процессы, протекающие во Вселенной, неравновесны, в том числе и жизнь. Жизнь можно охарактеризовать как открытую неравновесную систему, находящуюся в стационарном состоянии, когда приток вещества и энергии равен оттоку.
В неравновесных системах могут проходить процессы самоорганизации. Эти системы становятся чувствительны даже к очень слабым воздействиям. Они становятся чувствительными к слабым гравитационным полям, к электромагнитным полям. Короче говоря, эти системы становятся необычайно чувствительными к любым флуктуациям. И они способны подстраиваться под изменяющиеся условия. Кроме того, эти системы имеют ещё стремятся к уменьшению производства энтропии. Одним из мощных антиэнтропийных факторов является усложнение системы. Поэтому усложнение, о котором сказал Михаил Наумович, определяется именно состоянием системы, её неравновесностью. И эти усложнения, конечно, протекают с участием обратных связей, либо положительных, либо отрицательных.
Что можно сказать об общности законов физики и химии для живых организмов? Размеры клетки определяются законами диффузии. Известно, что масса клетки растет пропорционально кубу, а поверхность клетки, через которую осуществляется диффузия веществ, также растет, но пропорционально квадрату. Значит, клетка не может быть очень большой. Таким образом, закон диффузии накладывает ограничения на размеры клетки.
Еще пример – мы все прекрасно знаем, что стволы растений, крупных деревьев, скажем, имеют в разрезе радиальную форму. Вот эта радиальная форма определяется гравитацией. Скажем, "торпедовидная" форма животных, быстро перемещающихся в плотных средах – акул, дельфинов – определяется гидродинамическими законами. Наконец, размеры или, вернее даже, масса летающих птиц определяется законами аэродинамики. Самая большая птица, которая может летать, это дрофа, и она не может иметь весь больше 23-24 килограмм.
Александр Гордон: Жить в физике и быть свободным от физики невозможно.
М.К. Невозможно. Законы физики диктуют очень жестко конформацию живой материи.
М.Л. Если можно, я тут скажу несколько слов. Уже прозвучало, что и неживой и живой материи присуще свойство самоорганизации. Надо сказать, что это очень важная концепция – концепция самоорганизации, которая известна давно и происходит от естественных наук. Она стала более широкой и глобальной по своему значению, влиянию и применению, чем первоначально.
Здесь существенно подчеркнуть, что самоорганизация возникает в открытых системах, где должны быть развитыми системы обратных связей – положительных и отрицательных. Положительные обратные связи важны в том отношении, что в нелинейной системе может самопроизвольно происходить переход из одного состояния в другое. Флуктуация, которая связана положительными обратными связями с этими условиями, позволяет ей самой не самоуничтожаться быстро, а продолжать действовать. И постепенно системе уже невозможно оставаться в предыдущем состоянии, и она переходит в новое. А отрицательные обратные связи стабилизируют ситуацию. Поэтому мы имеем во времени некий переход. В пространстве он может сопровождаться образованием диссипативных структур, вообще, неким формообразованием. И это существенно. Причем, имеются системы с накоплением изменений.
Система может запомнить изменение, а потом его усилить на следующих циклах. Это тоже объединяет и физические законы, и то, что может иметь место в биологических системах. Об этом мы ещё поговорим попозже.
М.К. Я хотел бы поговорить о том, каким образом процессы, существующие в неживой материи, используются живыми системами. Так скажем, передача энергии в сопряженных химических реакциях происходит через промежуточный продукт. Если мы себе представим реакцию, скажем, А-В-С, а следующую реакцию сопряженную С-D-E, то С будет общим продуктом для этих двух цепочек химических систем, причем, в одной она будет конечным продуктом, а в другой системе будет начальным продуктом. Такие процессы существуют в неорганической природе, и они очень широко распространены в биологической природе.
И очень важны для понимания функционирования живых систем так называемые процессы кросс-катализа. Например, реакция Жаботинского-Белоусова, где химические молекулы синхронно меняют своё тождество, и раствор превращается по цвету то в красный, то в синий. Эту реакцию называют "химическими часами" – через равные промежутки времени меняется цвет раствора. Это объясняется тем, что конечный продукт катализирует начальный продукт, это кросс-катализ. Такие реакции широко наблюдаются в биологии. Скажем, синтез нуклеиновых кислот определяется белками. А структура белков, и их синтез определяется нуклеиновыми кислотами. Кросс-катализ имеется и в неживой природе, и в живой природе, то есть существует некий континуум эволюционных процессов в этих системах.
М.Л. В итоге такого вступления мы постарались проследить примеры закономерностей, известных из физики и хорошо уже проверенных, в частности, закономерностей самоорганизации, и сделать качественные выводы, которые очень похожи на то, что имеет место и в живой природе. Это дает больше оснований думать о том, что они действительно связаны между собой. И вообще говоря, в чём-то природа едина и не нуждается в каких-то специфических, очень иногда надуманных концепциях, объясняющих непреодолимое различие между неживой и живой природой. Мы, конечно, не касаемся всего сразу. Здесь очень много вопросов можно задать. Мы можем говорить только о том, о чём говорим сами.
И ещё можно сказать вот что. Концепция рождения и развития Вселенной, собственно, не такая уж старая. Когда я учился в школе, нас учили, что Вселенная безгранична, она никогда не начиналась во времени, и никогда не закончится. И уже начав работать, я узнал, что существуют просто захватывающие по своему сюжету сценарии развития Вселенной, – это уже вторая половина 20 века.
Любопытно вот что отметить. Считается, что 20-й век это время триумфа биологии. Сколько много важных Нобелевских премий присуждено за выдающиеся работы в области биологии и примыкающей к ней медицине. Много работ, конечно, и по физике удостоено Нобелевской премии. Но среди выдающихся достижений науки, на мой взгляд, как-то не очень заметно то, что сделал ряд ученых (их не так много), которые разработали концепцию Вселенной. Просто для этого нужно иметь глубокие профессиональные знания, гораздо более глубокие, чем может пропустить через себя даже человек, имеющий высшее образование. И в этом трудность – как донести это до слушателей, читателей, зрителей.
А.Г. Ещё одна проблема. Дело в том, что наблюдательные экспериментальные данные, особенно в астрофизике, с каждым днём обновляются, прибавляются, заставляют теоретиков менять свои представления о том, что было справедливо ещё год назад, два года назад. Поэтому, конечно, астрофизика – и космология, как следствие, – сейчас тоже впереди, на коне. Но всё-таки, не проводя жирной черты между живой и неживой природой, утверждая, что и та, и другая развиваются и действуют по одним и тем же законам усложнения, самоорганизации и усложнения – всё-таки мы натыкаемся-то на невозможность экспериментальным путем получить ту самую первую форму жизни, ту самую первую, не знаю, как её назовём, – "матрицу", способную репродуцироваться. И это остается огромной загадкой.
М.К. Я бы на этот вопрос ответил так. В неравновесных системах идут необратимые процессы. Время имеет направленность, и поэтому невозможно повторить то, что уже было. Попытки это сделать, правда, предпринимаются, но, в общем, они большого успеха не имеют. Дело в том, что, скажем, амфибии произошли от рыб. Но амфибии не могут превратиться в рыб. Ступеньки такие: рыбы, амфибии, рептилии, птицы и млекопитающие. Млекопитающие опять вернулись в воду, дельфины, китообразные – но ведь они не приобрели жабры. Они решили эту проблему иначе. То есть эволюция необратима. В зоологии это формулируется как закон Долло. Но это лишь частный случай общего закона однонаправленности времени.
А.Г. Но, тем не менее, присутствуют же регрессивные формы в эволюции, когда некий вид сознательно отказывается от морфологических признаков, которые он приобрел в течение эволюции – по сути дела, упрощаясь, а не усложняясь. Это же тоже эволюция.
М.К. Это характерно для многих паразитов. Паразит возлагает часть функций на хозяина, система паразит-хозяин при этом усложняется.
А.Г. Продолжайте, извините, что перебил.
М.К. Я хотел ещё остановиться на основной нашей концепции, мы почему-то о ней ничего не сказали – на том, что материя принимает формы в соответствии с условиями. И, как я уже говорил, – в сильно неравновесных состояниях материя подстраивается под условия.
А.Г. Когда вы говорите "форма", вы что имеете в виду?
М.К. Скажем, если о неорганической материи, я бы сказал так: водород превращается в гелий при определенных условиях. Чтобы эта реакция произошла, нужно 10 миллионов градусов.
А.Г. Всё понятно.
М.К. На ранней Земле простейшие организмы жили без свободного кислорода, то есть не было кислорода, и они прекрасно существовали и размножались. И они дали начало сине-зеленым водорослям, которые стали использовать энергию солнечного света, то есть начался фотосинтез. В результате метаболизма начал выделяться свободный кислород, и он стал появляться в атмосфере. И этот кислород уже был ядом для тех начальных форм, которые породили новые. Поэтому эволюцию можно сформулировать таким образом (вот на этом этапе, крупномасштабно, чтобы понять): новое зарождается в недрах старого, новое изменяет условия, и эти условия становятся неприемлемыми для старого. И старое должно либо погибнуть, либо уйти с авансцены.
М.Л. Либо трансформироваться.
М.К. Поэтому анаэробы, организмы, которые могут жить только без наличия свободного кислорода в атмосфере, вынуждены были уйти в илы, то есть туда, где нет свободного кислорода. А всю арену жизни заняли организмы, которые используют свободный кислород. Таким образом, они очень сильно продвинулись, потому что использование кислорода позволяет более эффективно осуществлять метаболизм.
А.Г. Хотя любопытно было представить себе, как пошла бы анаэробная эволюция, если бы не случилось то, что случилось.
М.К. Да. Это очень интересно. Но всё-таки есть такая точка зрения, что они непременно бы дали начало организмам, которые начали использовать энергию солнца.
М.Л. Ну да, быть более приспособленными к тем условиям, которые есть.
М.К. Потому что закон усложнения диктует материи этот путь – физический закон, кстати.
А.Г. А закон усложнения говорит о том, до какой степени материя может быть усложнена?
М.К. Нет, нет.
А.Г. То есть это бесконечный процесс.
М.К. Физики говорят: "будущее не задано", поэтому трудно сказать.
М.Л. Это на самом деле вопрос очень дискуссионный и интересный, в принципе. Вот скажем, очень сложная система, многофакторная, открытая система, где есть сильные обратные связи, которая способна к неустойчивости. Тут предсказать поведение системы очень трудно. Более того, есть так называемый горизонт прогноза для таких систем, когда небольшое отклонение в начальных условиях ведет на определенном шаге к непредсказуемому результату. И в этом плане словесные представления недостаточны.
Математическое описание – где да, где нет. Но даже при его наличии мы получаем некую непредсказуемость. И это очень важный вывод современной синергетики, одной из очень быстро прогрессирующих областей знания. К ней относятся по-разному разные ученые, я не хочу в эту полемику вступать, но именно ей принадлежит такой вывод, что мир непредсказуем – в широком смысле. Поэтому здесь нельзя говорить о детальной точности.
Но можно обратиться теперь к другой точке зрения по этому вопросу. Мы говорим: мир не равновесен. И это очень правильно. Собственно, все науки, астрофизика, космология, все они уже экспериментально свидетельствуют о том, что мир действительно не равновесен. Он не линеен, это тоже понятно. Но спрашивается: а всё-таки к чему стремится весь Мир – с большой буквы? К какому-то равновесию, в конце концов, как какая-то конкретная система, или нет? Каково глобальное будущее? Так вот спрашивается: на какое время давать прогноз? И тут ответа, конечно, нет. Потому что и этот вопрос остается вопросом.
То есть с любой точки зрения есть разные решения... До сих пор неизвестно точно, какова средняя плотность вещества во Вселенной. То ли она будет непрерывно раздуваться и расширяться, то ли будет, в конце концов, возвратное движение и схлопывание, которое пойдет по другому пути, и само по себе это будет уже совершенно другой процесс эволюции.
А.Г. Но вот от астрофизиков я слышал версию о том, что открытие физического вакуума и определение того факта, что Вселенная расширяется с ускорением, говорит всё-таки о конечном разуплотнении вещества во Вселенной, по крайней мере, в видимой его части, и, так или иначе, финал неизбежен.
М.Л. Ну, да. Это другой финал. Правильно? Да, это иная схеме финала. Но время достижения финала в этом смысле тоже растяжимо. То есть, на что заказывать прогноз?
М.К. Физики постулируют, что будущее не задано, и, тем не менее, они не могут удержаться от гипотез. Предположим, что же будет, когда Вселенная перестанет расширяться и время потечет в обратную сторону? Ибо Вселенная, по модели Фридмана, пульсирует.
М.Л. Вот я вижу картинки. Это что значит?
А.Г. Это значит, что вы можете говорить о них. Пожалуйста.
М.Л. Я узнал одну из своих картинок, которая относится к теме самоорганизации. Это довольно старая картинка. Это вспышка излучения импульсного лазера, которое через линзу фокусируется на поверхность материала и производит облучение с довольно высокой плотностью мощности, так что поверхность изменяется. Среди различных изменений, простых и сложных, можно заметить типичные картины самоорганизации, которые нам интересны. О них я могу чуть подробнее рассказать, если мы увидим следующую картинку.
Вот такая интересная шляпка. Был сделан следующий опыт, сделан физиками Узбекистана, тогда Узбекистан был республикой Советского Союза. Это излучение непрерывного лазера на углекислом газе подавалось на поверхность медной пластины, довольно толстой. Излучение было достаточным для того, чтобы пластина оплавилась. И вот из области расплава начал подниматься вот такой "пенек", который возвысился и закристаллизовался. Это некие довольно сложные композиции из металла, его окислов: это медь, Cu2О, покрытая сверху пластиночками (затвердевшими окислами), как шапочкой . Это типичная картина самоорганизации. Такой результат не задан никакими условиями самой медной пластины. "Пенек" появился в результате действия излучения и факторов, которые способствовали вытягиванию материала, вроде как зарождающегося смерча. Это один тип самоорганизации при воздействии лазерного излучения. Я занимаюсь лазерным воздействием очень давно, поэтому мне ближе эти картинки. Следующие две тоже очень интересны.
Вот тут, может, не очень хорошо видно, но, если приглядеться, то можно увидеть серию "полосочек", или рябь на поверхности. Это более мягкое воздействие уже нескольких импульсов лазерного излучения на поверхность полупроводника. А "полосочки" соответствуют образованию так называемых самоорганизующихся поверхностных структур. Не говоря детально о том, как это происходит, я хочу сказать, что во многих областях науки были сделаны любопытные шаги вперед. Например, в оптике стало возможным говорить о том, что при падении света на границу раздела, не всех сред, но многих, на поверхности происходит не только отражение света и преломление, но и частичное преобразование света в поверхностную электромагнитную волну. Она интерферируют с падающей, и в интерференционном поле образуется такой рельеф. Этот рельеф закрепляется – поверхность оплавлена и начинает чуть-чуть испаряться, в температурных максимумах индуцированного поля происходит "выедание" луночки, а в минимумах остается бугорок.
Интересно вот что. Чем больше высота такой структуры, тем сильнее преобразование света в поверхностную волну, тем глубже модуляция, и от импульса к импульсу идет усиление такой структуры.
А вот следующая картина, она наиболее характерна. Когда я показываю её на лекциях, я спрашиваю: что это такое? Самый простой ответ, типичный, между прочим, что это вязаный свитер, с дырками, правда. Вот приглядитесь, можно так сказать? Свитер, правда?
А.Г. Можно сказать, да. А можно отнести это, кстати, и к вашей области деятельности. Поскольку похоже на поверхность какого-нибудь листа...
М.Л. А вот на самом деле это тоже последовательное воздействие на поверхность, скажем, германия (в данном случае неважно) серии лазерных импульсов, которые привели к образованию целой гаммы поверхностных волн, которые интерферируют и очень сильно изменяют форму поверхности. В чем здесь самоорганизация? В процессе такого воздействия возникают и усиливаются положительные обратные связи между изменениями высоты рельефа и коэффициентом преобразования лазерного излучения в поверхностную волну – от импульса к импульсу. И если добавить, что здесь тысяча импульсов воздействовала, это будет очень любопытно.
Так вот, можно провести некие аналогии между тем, что происходит в таких опытах (кстати, они достаточно интересны и сами по себе) и, допустим, какими-то биологическими процессами. В чем сила самоорганизующейся системы? В появлении таких обратных связей. Она закрепляет то, что получилось, даже при импульсном воздействии, и сохраняет это до следующего такого воздействия. Возможна эстафетная передача с постепенным переходом от исходной системы к новой. Ведь, собственно, такой системы не было, она появилась и осталась тут в виде картинки, можно образец показать. Можно эту систему разрушить, условия изменятся, и такой рисуночек пропадет.
В биологии тоже такое возможно, и в химии это возможно. И в этом смысле самоорганизация – это действительно процесс, который очень широк по своим возможностям. Вот о чем я хотел сказать.
М.К. Я хочу немножко рассказать о процессах самоорганизации, проходящих в живых системах. Ты упомянул очень интересную вещь – это эстафетность эволюции. Потом поговорим подробнее об эстафетном характере эволюции.
Молекулы ферментов синтезируются на матричной РНК из аминокислотных остатков и имеют линейную форму. Потом уже идет сложный процесс, когда они "сходят" с этого конвейера, и молекулы приобретают трехмерную структуру, они усложняются, самоорганизуются. И сама молекула, организуется таким образом, что свободной энергии становится мало. Причем жизненные процессы идут только в водной среде. В воде, которая окружает её, энтропия увеличивается. Так что энтропия воды либо остается на постоянном уровне, либо даже возрастает. Но в системе молекулы она уменьшается. Это ещё раз подтверждает, что неравновесные процессы, в общем, ведут не всегда – это не абсолютная вещь – но, по крайней мере, иногда ведут к уменьшению энтропии.
Рибосомы, на которых идет синтез белка, самоорганизуются. Есть такой фермент альдалаза: если её подкислить, то она диссоциирует на две нефункциональные части. Если её до нейтральной рН довести, скажем, до 7, то они опять реассоциируются. Они помнят о том, как они были когда-то соединены. Причем, эти реакции очень специфичны.
Нативные гемоглобины ассоциируются только от того животного, от которого они произошли.
Теперь я хотел бы немножко поговорить об эстафетном принципе эволюции. Прежде, чем появился гелий, был водород... И даже можно раньше начать. Прежде, чем появилась молекула, был атом. Дальше я перейду сразу к живому, не буду дальше развивать эту мысль. Сначала появился химический элемент, потом молекула, потом комплексы молекул, потом межмолекулярные комплексы, мембраны, различные органеллы, как я уже говорил, рибосомы – даже частицы вируса подвержены самоорганизации. Но всё это происходит, как вы видите, эстафетно. Сначала простая форма организации, на её базе строятся следующие формы и так далее. Сначала рыба, потом амфибия, амфибии предшествуют рептилиям, а рептилии предшествуют птицам и млекопитающим. То есть имеется некий процесс, в котором обязательным условием для возникновения следующей сложной организации является предшествующая ей менее сложная организация.
А.Г. То есть, грубо говоря, не изобретается сначала велосипед, а потом мотоцикл. Сначала велосипед, потом велосипед с моторчиком, потом велосипед с гораздо более сильным моторчиком. И уж только потом...
М.К. В последнее время молекулярные биологи у многих организмов секвенировали геномы – это последовательность нуклеотидных оснований ДНК. И это позволило выявить, что организмы, далеко отстоящие друг от друга систематически, как например, человек и мышь, имеют до 95 % одинаковых генов. Раньше в это вообще бы никто бы не поверил. Из этого видно, что эволюция имеет необратимый эстафетный характер.
М.Л. Это тоже рассматривать как пример специфической самоорганизации – постепенной, в меняющихся условиях. Я тут повторю Славу: в меняющихся условиях живая система по принципу физико-химических процессов, протекающих в ней, формирует обратные связи, которые именно и дают приспособление к условиям и закрепляют некие новые признаки. А поскольку все эти системы нелинейные и неравновесные, это возможно. И где-то происходит насыщение подобного процесса, вступают в действие обратные связи другого знака, идет закрепление. Это может идти на уровне химическом, физико-химическом, на уровне уже более крупномасшатбном. В конце концов, ведь нельзя говорить о том, что появившееся новое живое – новый вид, скажем – что он будет сам по себе жить. Новый вид будет жить в условиях реального мира, среди других живых существ, где идет борьба за выживание – хотя это и не определяет все. Определять всё будут вот эти цепочки обратных связей.
М.К. Относительно борьбы за существование, я вам должен сказать, что эволюция идет в экосистемах. И одним из самых талантливых, я бы так сказал, энергичных ученых, развивающих эту идею (она возникла значительно раньше, у Вернадского; Берг говорил ещё об этом), является академик Заварзин. Он считает, и это, по-моему, совершенно верно, что отношения в экосистемах преимущественно кооперативное. Именно поэтому существует организм и поэтому существует система.
А в качестве простого примера можно привести, скажем, синтез кислорода растениями, который используют млекопитающие, и выдыхание углекислого газа, который используют растения. Достаточно отключить какую-то систему, и вся эта экосистема может рухнуть. Значит, это отношение всё-таки кооперативное, и это объясняет существование в экосистемах, на Земле и очень примитивных организмов, очень древних (сине-зеленые водоросли до сих пор можно найти), и высоко продвинутых, таких, как человек, скажем. То есть эти организмы занимают соответствующие экологические ниши, и они могут существовать только вместе, раздельно они не могут существовать. Поэтому обязательное условие существования отдельного индивидуума – соответствие системе.
Что интересно, и в социологии это проявляется. Вот пророки крупных религий, и Магомет, и Христос, они не соответствовали по своим взглядам системам, и они вначале подвергались гонению. Значит, когда что-то не соответствует, тогда начинает работать естественный отбор. То есть естественный отбор, на мой взгляд (может быть не абсолютно, но в большинстве случаев), играет консервативную роль в эволюции.
М.Л. Стабилизирующую роль.
М.К. Он стрижет, как говорится, то, что выросло, он придавливает. Вот что можно сказать о гетерогенных системах.
А.Г. Но стрижет, простите, признаки и прогрессивные, и регрессивные?
М.К. Да, да – и прогрессивные, и регрессивные. Так что побеждает не сильнейший, а побеждает соответствующий. Когда мы наблюдаем, скажем, ритуальные бои за самку у птиц или у млекопитающих, часто это интерпретируется так, что побеждает сильнейший. Но на самом деле побеждает соответствующий взглядам самки на то, каким должен быть самец её вида. Понимаете, он должен себя вести типично, так, чтобы самка сказала: "Да, вот это голубь". Не канарейка или какой-то другой вид птицы. То есть эти ритуальные бои подтверждают его самость, его принадлежность к этому виду.
А.Г. Всё-таки, если можно, в нескольких словах об эволюции неживой материи. Потому что с живой материей все более-менее понятно. Но если жизнь и нежизнь развивается по одним и тем же законам, то мы должны находить следы эволюции неживой материи не в первые три минуты существования Вселенной, а до сегодняшнего дня.
М.К. Я могу ответить на этот вопрос?
М.Л. Ради Бога. А я добавлю.
М.К. Дело в том, что, во-первых, стартовые условия на Земле в известной мере определили эволюцию. Одна из основных гипотез происхождения Земли та, что после взрыва сверхновой газовые облака и остатки сверхновой в результате вращения сформировали Солнечную систему, в центре которой звезда и вокруг нее вращаются планеты. Так вот в планету Земля случайно попали 20 химических элементов, которые необходимы для построения жизни. Кроме того, сформировалась определенная плотность этой планеты и её...
А.Г. Удаленность от Солнца.
М.К. ...её удаленность от Солнца. Вот эти условия позволили сформироваться жизни. Таких условий на других планетах Солнечной системы нет, и пока мы там жизни достоверно не находим. Мы её ищем и очень тщательно, но пока ничего не получается.
Так вот, в первые, ранние периоды образования Земли химические элементы, которые в неё вошли, начали "развиваться" сами собой, автоматически, с обратными связями – хотя это не живая система. Из неорганических элементов под влиянием солнечной энергии и энергии тепла Земли начали появляться органические молекулы. Появились все аминокислоты, появились все нуклеотидные основания, появились сахара, липиды, то есть те кирпичики, из которых составляется жизнь.
И вот в данном случае я бы хотел перейти, может быть, к более интересному...
А.Г. Нет, вы не спешите. Мы только подошли к самому интересному. Хорошо, в результате самоорганизации, самоусложнения живой материи возник набор органических веществ. А как они-то самоорганизовались?
М.К. Этот процесс длился около миллиарда лет. Предполагается, что на основе тех механизмов, о которых мы говорили, начали формироваться комплексы молекул, мембраны, органеллы, клетки. Я хочу сказать на эту тему следующее. Здесь присутствует все-таки редукционный подход. Мы говорим о частях и потом пытаемся их соединить. Живая система, как она функционирует?
Здесь я еще раз возвращаюсь к тому, о чем мы говорили. Илья Романович Пригожин, физик, в 47-ом предложил теорию, а в 77-ом только ему за это дали Нобелевскую премию – 30 лет ждал почти. Он сделал то великое открытие, что в неравновесных системах происходит усложнение и как следствие – самоорганизация, потому что неравновесные системы стремятся к самоорганизации. Таким образом, движущим механизмом самоорганизации, или организации живого, является именно то, что эти системы неравновесны. А неравновесны они потому, что Вселенная неравновесна.
А.Г. Но тут еще один вопрос. Существуют новейшие теории, которые говорят, что 70 процентов материи, которая существует – это физический вакуум, а еще 27 процентов, как я услышал от астрофизиков – это темные материи, или темные энергии. И только 1 процент – это наблюдаемый нами мир, то есть звезды и так далее. И одна миллиардная, неисчислимо малая доля процента – это живое вещество. Все-таки, если говорить о неживом веществе в масштабах Вселенной, каков эволюционный путь этого вещества? Вы мне рассказали, как формировалась жизнь на Земле и почему это можно считать эволюцией неживой природы, ее дальнейшей самоорганизацией и так далее. А все остальное, вся остальная масса вещества во Вселенной, как она эволюционирует?
М.К. Жизнь можно рассматривать как естественный процесс эволюции материи...
М.Л. Сначала отойдем немножко от жизни в сторону неживой материи. Допустим, мы забудем о начальных нескольких минутах – сначала все это однородно расширялось, а потом появились неустойчивости. И сначала появляются отдельные фрагменты материи. И там шли, насколько я понимаю, с большой эффективностью реакции антианнигиляции, излучение превращалось в вещество. Это вещество разлеталось сначала с огромными скоростями, постепенно скорости замедлялись, формировались мощные гравитационные силы. И вещество фрагментами образовывало протогалактики. Наступила темная эпоха. Излучение было микроволновым, оптического света не было, и эта темная эпоха длилась много миллионов лет.
Из протогалактик образовались первые звезды. Они были очень яркие, они были очень большие, больше Солнца в сотни раз по диаметру. Они привели к сильной ионизации окружающего молекулярного газа. Я, конечно, опускаю целый ряд моментов. И все это послужило началом того этапа расширения Вселенной, который длится до сих пор. Потом из протогалактик получились звезды, а потом звездные системы – галактики, а далее – скопления галактик. Это все можно наблюдать, это достижения оптической и радиоастрономии, среди которых следует упомянуть открытый Хабблом важный закон разбегания галактик, который лежит в основании теории Большого взрыва и подтверждает модель расширения Вселенной из первоначальной сингулярности.
Вопрос в другом: и что дальше? Но прежде: не что дальше, а что внутри всего этого дела? Уже ясно, и мы сегодня немножко касались этого, что химические элементы формировались в недрах звезд где-то уже спустя миллионы лет после взрыва. Из данных астрономии, которые сейчас позволяют ретроспективно "уйти" на несколько миллиардов лет назад, видно обеднение спектра излучения далеких объектов – количество химических элементов было меньше, чем сейчас. Но ведь вещество действительно составляет очень малую часть Вселенной. Все остальное – темная материя: это элементарные частицы, но тут много дискуссионного, неоткрытого до конца. А вот дальше, если мы будем говорить о структуре галактик, эволюция которых прослежена и неплохо, то там можно выделить отдельные звездные системы. Теперь уже известно, что существуют планетарные системы не горячие, некие тела больших размеров, которые не коллапсируют, у которых температура не несколько тысяч градусов – это была версия, – а гораздо меньше, и где возможны условия для других процессов. Так вот что это такое? Мы видим уже новые агрегатные состояния вещества, есть образования не просто газов, а конденсированых сред: жидких, твердых. Они принимают определенную форму, которая определяется динамикой их движения, и если у них есть атмосфера – газовая оболочка вокруг них – то формы получаются более гладкие, сглаженные.
Бурная история Земли, которая тоже неплохо изучена, говорит о том, что сначала это была горячая планета (но не сверхгорячая, как звезда), и там была бурная тектоническая деятельность, менялся химический состав атмосферы, менялось содержание разных элементов в ней, которые были захвачены на предыдущей стадии.
Вот эволюция неживой материи. От отдельных атомов к молекулам, к изменению агрегатного состояния, к образованию "огромных" форм из этих агрегатных состояний гидросферы, атмосферы, суши. Плюс взаимодействие с очень сложными процессами изменений климата, я уже не говорю о погоде. Плюс учет природы, как огромной системы, как того, что изучают науки о земле. С учетом различных полей, которые влияют на наши условия, – это электромагнитные взаимодействия и гравитационные. Все остальное находится гораздо более компактно. Так вот это эволюция неживой материи.
Я думаю, тут можно поставить и точку, конечно, если говорить о том, что нынешнее состояние довольно протяженно во времени – и будет протяженным. И это существенный момент.
М.К. Позвольте мне, а то сейчас время закончится. Надо нам все-таки сказать о том, что формирование жизни – это естественный процесс эволюции материи. И везде во Вселенной, где имеются соответствующие условия, может существовать жизнь. То есть, Земля – это не единственное космическое обитаемое тело. Не единственное. И если учесть, что во Вселенной имеется около десяти в одиннадцатой степени звезд, которые могут иметь планетные системы, то вероятность таких условий, как на Земле, повышается. И еще я хотел бы обратить внимание на то, что и неживая, и живая природа обладают модульным принципом построения.
М.Л. Я согласен.
М.К. Сейчас особенно большие успехи делает генетика. Показано, что эволюция идет не в результате точечных мутаций изменения гена, а модулями, как в архитектуре. Вы можете из кирпича построить и простую хижину, и дворец, и храм. И вот из этих генов можно построить любой – ну, не любой, а разные организмы.
М.Л. И вот тут важно проследить переход от того, что мы знаем о неживой материи, к живой. В чем он заключается? Тут ответа нет пока, это сложный вопрос.
М.К. Потому что четкого перехода нет.
М.Л. Конечно. Но вместе с тем он позволяет определить некие формы переходные, которые, с одной стороны, по своей структуре, атомному составу, могут быть отнесены скорее к неживой природе, но которые приобретают новые функции, которые могут их отличать от обычной неживой природы в дальнейшем развитии, самоорганизации.
М.К. Все-таки эволюция квантована, хотя ты, по-моему, с этим не очень согласен? Поэтому есть индивидуумы, есть отдельные виды, есть мужчины, есть дети – это все кванты жизни. Поэтому переходные формы, о которых ты сказал, мы не наблюдаем. Нет переходных форм между живым и неживым.
А.Г. Но мы и эволюцию не наблюдаем. Мы наблюдаем только историю эволюции.
М.Л. Это могло совершиться когда-то.
М.К. В общем-то есть некоторые наблюдения по формированию новых видов, но они очень скромные, сейчас о них говорить, по-видимому, не стоит.
М.Л. Конечно. Дело в том, что и существование науки, которая позволяет все это проследить, – это ничтожная искорка. Такой ничтожный момент времени, что тут вопросов можно задать много, и даже задать их еще надо уметь. Поэтому вот путь, который мы считаем очень перспективным: первое – и в неживой, и в живой природе происходит усложнение. Второе – очень существенны процессы самоорганизации, которые и могли быть тем переходным мостиком, который преодолел этот разрыв.
И где-то должны были быть, конечно, качественные скачки...
Вверх