Эволюционная химия: сущность и основные проблемы

    10. Размножению следствий. Каждая масса и части массы, на которые действует сила, разлагает и дифференцирует эту силу, вследствие чего она производит в них новые разнообразные перемены, и каждая из этих последних становится, в свою очередь, источником подобным же образом размножающихся перемен: размножение их все возрастает по мере того, как агрегат становится разнороднее. Действию этих двух причин возрастающей дифференциации способствует ( что значат двоеточия?)

    11. Разложение, т.е. процесс, постоянно  направленный к разъединению несходных единиц и соединению сходных единиц и способствующий более резкому выражению или большей определенности, вызванной иным путем дифференциации.

    12. Равновесие есть конечный результат  превращений, претерпеваемых каждым  развивающимся агрегатом. Изменения в нем продолжаются до тех пор, пока не установится равновесие между посторонними силами, действию которых подвергаются все части агрегата, и противопоставляемыми им силами этих частей.

    13. Разложение представляет обратное  изменение, претерпеваемое рано или поздно каждым развившимся агрегатом. Продолжая подвергаться действию окружающих неуравновешенных сил, каждый агрегат всегда может подлежать дезинтеграции в силу постепенного или внезапного возрастания содержимого им движения; это разложение совершается быстро в телах, бывших недавно одушевленными, медленно - в неодушевленных массах и продолжается в течение бесконечно долгого периода в каждой планетной или звездной массе, в которой, в прошедшем, с бесконечно отдаленного времени, медленно совершался процесс эволюции: цикл ее превращений, таким образом, завершается.

    14. Эта смена эволюции и разложения, завершающаяся в небольших агрегатах  в течение коротких периодов, а в обширных, рассеянных в  пространстве, агрегатах в течение  периодов, неизмеримых для человеческого ума, насколько мы можем видеть, -универсальна и бесконечна, причем каждая из чередующихся фаз преобладает попеременно, в зависимости от местных условий, то в той, то в другой сфере пространства.

    15. Все эти явления как в главных,  так и в мельчайших своих чертах необходимо вытекают из постоянства силы в ее формах: материи и движения. Количество последних, распределенное в пространстве, не увеличивается и не уменьшается, а остается неизменным; отсюда должно неизбежно следовать непрерывное перераспределение, выражающееся как в эволюции и разложении, так и во всех их перечисленных выше главных чертах⁶.

     Если  изложить суть концепции Спенсера современным  языком, то она заключается в следующем: 

     Исходные, самые простые элементы (частицы), взаимодействуя между собой, образуют более сложные системы (агрегаты), которые, в свою очередь, также взаимодействуют, образуя еще более сложные системы и т.д. Это явление Спенсер называет интеграцией. Прямым следствием такой интеграции является возникновение иерархических уровней в организации материи: атомы, молекулы-системы из атомов, минералы или клетки-системы из молекул, организмы-системы из клеток и т.д.

     Если  взаимодействие элементов является сложным, то возникающие из них системы  следующего уровня будут отличаться друг от друга, т.е. будут более разнообразными, чем системы предыдущего уровня. Это - дифференциация. Интеграция совместно с дифференциацией ведет к все большему усложнению строения вещества, т.е. к его эволюции.

     Интеграция, или образование систем следующего уровня, возможна лишь при одновременной диссипации энергии (у Спенсера -движения). То есть усложнение строения вещества оплачивается рассеиванием энергии.

     Что касается - о «переходе от неопределенной однородности к определенной разнородности», то можно сказать, что здесь содержится представление об уменьшении энтропии вещества в ходе эволюции.

     В своей теории Спенсер органично  соединил традицию Демокрита «состоять  из…» и традицию Гераклита «все течет, все изменяется», осуществив синтез двух антитезисов и сформулировав таким образом новую концепцию развития. Я считаю, что имеет смысл привести временную последовательность эволюции материи применительно к нашей планете.

                  1.1.2. Эволюция материи во времени

    По  современным представлениям, эволюция материи в нашей Вселенной начинается в момент Большого взрыва^7. Эту временную точку относят на 20 млрд лет назад. Общая концепция начальных, физических, стадий заключается в следующем. Резкое расширение Вселенной на первых этапах приводит к дифференциации Первоматерии на два класса элементарных частиц: кварки и лептоны (электроны, в частности)⁸. Кварки обладают способностью к взаимодействию путем обмена между собой глюонами. Это взаимодействие относят к сильному взаимодействию, глюоны же являются его переносчиками. В результате образуются системы из кварков, главным образом нуклоны, протоны и нейтроны^8,9. Это первый уровень организации материи (кварки и лептоны-нулевой уровень, правда, возможно, обнаружатся еще более глубокие уровни, подобно тому как в 1963 г. были обнаружены кварки). Взаимодействие кварков обратимо, поэтому системы из них устойчивы лишь при миграции энергии, выделяющейся при взаимодействии, из зоны контакта, - эта миграция обеспечивается продолжающимся расширением Вселенной.

     Следующий по времени (но не по уровню организации) этап эволюции - начало взаимодействия нуклонов и лептонов (электронов)⁷. Это взаимодействие относят к электромагнитному. Переносчиками данного взаимодействия являются фотоны. Схема электромагнитного взаимодействия такова: электрон и протон притягиваются, пространственно сближаются, при этом каждый шаг сближения оплачивается выделением фотона в пространство⁹. Электромагнитное взаимодействие также локально обратимо: сближение партнеров влечет за собой выделение кванта, поглощение кванта влечет за собой удаление партнеров. Характер электромагнитного взаимодействия (так же как и сильного) существенно усложняется из-за квантово-механических ограничений. В частности, спектр возможных энергий системы электрон - протон дискретизуется, а их взаимные траектории движения размазываются в пространстве. Образующиеся устойчивые системы электрон - протон носят название атомов, а именно, это атомы водорода.

     Атомный уровень представляет собой третий уровень организации материи, для  второго уровня - интеграции нуклонов в ядра элементов время еще не пришло. Этот этап эволюции начинается с образования облаков из водорода, которые начинают взаимодействовать посредством гравитационных сил: формируются протогалактики и далее протозвезды⁷. Первичные неоднородности в распределении вещества по Вселенной, являющиеся зародышами водородных облаков и сгущений, имеют своей причиной особенности процесса Большого взрыва. Гравитация - дальнодействующее взаимодействие, поэтому ее итогом является интеграция вещества в очень большие системы, галактики и звезды⁹. В этом процессе интеграции потенциальная энергия взаимодействия выделяется в виде кинетической энергии, что приводит к повышению температуры внутри образующихся объектов, главным образом в звездах.

     При повышении температуры в протозвездах выше определенного уровня (10⁷ К) кинетической энергии нуклонов становится достаточно для преодоления кулоновского барьера и их сближения до расстояния реализации следующего варианта сильного взаимодействия -взаимодействия нуклонов¹⁰. Оно имеет в своей основе взаимодействие кварков в составе нуклонов. Взаимодействие нуклонов осуществляется посредством обмена мезонами, его результат - образование систем из нуклонов, ядер элементов. Путь от ядер водорода к ядрам высших элементов осуществляется в последовательности ядерных реакций присоединения либо одного нуклона, либо альфа-частицы. Жизнь звезд -это и есть реакции термоядерного синтеза. При снижении количества водорода в звездах и уменьшении интенсивности этих реакций жизнь звезд заканчивается, ее финал зависит от массы звезды. Если масса ниже определенного предела, звезда превращается в белый карлик, если выше - вероятнее всего звезда взрывается в виде новой или сверхновой звезды, разбрасывая по пространству большую часть своего вещества. Это вещество уже содержит не только водород, но и ядра высших элементов.

     Во  вновь образованных межзвездных  облаках (облаках второго поколения) температура существенно ниже, чем  в звездах, ядерные реакции в  них прекращаются и главным становится электромагнитное взаимодействие между ядрами высших элементов и электронами. На этом этапе завершается становление организационного уровня атомов. В межзвездных облаках второго и последующих поколений уже существуют атомы большинства элементов. Гравитационная интеграция этих облаков приводит к образованию звезд второго и последующих поколений, уже имеющих планетные системы. В звездах концентрируется водород и частью гелий, в планетах - все остальные элементы.

     На  уровне межзвездных облаков второго  поколения начинается становление четвертого организационного уровня вещества - образование систем из атомов. В формировании связи главную роль играют внешние электроны атомов, которые образуют связанные пары с антипараллельными спинами. Эти составляющие пару (пары) связанные электроны являются обобществленными между двумя (реже - более) атомами¹¹. Можно сказать, что атомы обмениваются данной парой, как нуклоны - мезонами или как кварки -глюонами. Это взаимодействие относят к электромагнитному, оно также известно как химическое. Исходная его причина - межатомное электромагнитное взаимодействие между зарядами ядер и электронов, но преломляемое через призму внутриатомного взаимодействия аналогично взаимодействию нуклонов, которое есть следствие взаимодействия входящих в их состав кварков. Образуемые в результате системы носят название молекул - это простые молекулы типа H₂O, NH₃, CO₂ и т.д¹².

     Так на образованных планетах главным взаимодействием  становится химическое. Всевозможные такие взаимодействия между простыми молекулами (химические реакции) и образование их более сложных видов называют химической эволюцией. Ее результатом кроме сложных молекул становятся различные макромолекулярные структуры, главным образом минералы, которые в планетарной коре составляют разнообразие пород. Макромолекулярные структуры - это структуры следующего организационного уровня.

     Среди всех планет обратим особое внимание на планеты земной группы, на поверхности  которых соотношение давления и  температуры находится в особом интервале, обеспечивающем пребывание воды, H₂O, в жидкой фазе. Свойства воды таковы, что она является уникальным растворителем минералов и большой части химических веществ. За счет этого концентрации молекул различных взаимодействующих веществ в водных образованиях (лужах, озерах, реках, морях и океанах) увеличиваются, что приводит к существенному увеличению скоростей химических реакций. Особую роль в химическом взаимодействии играют также различные границы раздела фаз, перепады температур, вулканическая активность планет и ультрафиолетовое излучение от звезды. Сложность и разнообразие химических взаимодействий возрастает, что приводит к образованию особого вида макромолекул гетерополимеров, обладающих сложной трехмерной структурой и способных к катализу различного вида¹². Крайне важны для дальнейшей эволюции и другие надмолекулярные системы, такие как липидные мембраны, образуемые в воде на границе раздела фаз из гидрофобно-гидрофильных молекул (например, в виде пены). Трехмерные структуры гетерополимеров и липидные мембраны стабилизируются слабыми химическими связями - водородными, ионными и гидрофобными.

     Следующий этап эволюции – предбиологический и начало интересов эволюционной химии. На этом этапе шло образование устойчивых структур из гетерополимеров и липидных мембран. Важную роль здесь и далее стали играть особые гетерополимеры, способные к матричному самокопированию и накоплению информации, на Земле это оказались нуклеиновые кислоты. При появлении самокопирующихся структур, несущих информацию, стал возможен их естественный отбор по принципу кинетического совершенства: больше потомков оставляет та матрица, которая быстрее самокопируется¹³. В этом процессе важна как информационная составляющая, определяющая длину и разнообразие гетерополимеров, так и кинетическая, определяющая скорость химических реакций самокопирования. Итогом предбиологической эволюции стало образование простейших клеток, известных как прокариоты - безъядерные клетки. В земной истории этот исторический момент относят ко времени, отстоящем от нашего на 4,2 млрд. лет¹⁴.

     Этап  появления клеток с ядрами - эукариотов продолжался примерно 2 млрд. лет. Большую часть этого времени заняли становление биосферы и биотического кругооборота, организация биологических потоков вещества и энергии, формирование кислородной атмосферы. Интеграция клеток-прокариотов в клетки-эукариоты осуществлялась путем возникновения и углубления симбиоза между клетками-хозяевами и специализированными клетками, защищающими хозяев от кислорода или реализующими фотосинтетическую функцию. Углубление этой специализации привело к образованию органоидов, митохондрий и хлоропластов¹⁵. Также существенно усложнилась сеть мембран, мембранных пузырьков, возник цитоскелет и т.д. Оформилось два типа клеток: растительные (автотрофные) и животные (гетеротрофные). Одновременно усложнялась и перестраивалась генетическая система, при этом объем хранимой генетической информации возрос примерно в 10 раз¹⁴.

     Следующий этап усложнения организации материи - образование систем из клеток-эукариотов, известных как многоклеточные организмы. Его относят во времени на 1 млрд лет назад. Здесь необходимо отметить, что многоклеточность начала реализовываться еще на уровне прокариотов, - это, например, актиномицеты или сложные сине-зеленые водоросли. Однако простота клеток прокариотов, их генома не позволила создать сложные системы. И только многоклеточные системы из эукариотов обозначили явный переход на следующий уровень организации, характеризующийся сложностью строения организмов¹⁴.

     Дальнейшие  этапы эволюции известны из общеобразовательных программ, хотя последних ход эволюции излагается преимущественно на основе теории Дарвина. Следующий уровень - системы, состоящие из организмов, достаточно не определенный. Здесь есть и популяции в целом, в которых системность обеспечивается обменом генетической информацией в ряду поколений, и семьи, и стаи животных, в которых системность реализуется в обмене поведенческой информацией в целях более успешного выживания и воспитания потомков.