7528

81

5. Что являлось слабым звеном в эволюционной теории Дарвина?

7.4. Современные взгляды на эволюцию живых систем

Основные факторы процесса эволюции, признаваемые наукой,– это по-

ложения, выдвинутые Дарвиным: изменчивость, наследственность и есте-

ственный отбор. Однако эти факторы сегодня понимаются по-новому. Современная наука к ведущим факторам относит мутационные процессы, попу-

ляционные волны численности и изоляцию.

Познание механизма эволюционных процессов необходимо, чтобы научиться предвидеть их направление и управлять ими. Такие возможности открываются в связи с развитием генетики. Генетика– наука о законах на-

следственности и изменчивости организмов. В качестве элементарного про-

явления процесса эволюции рассматривается изменение генотипа популяции.

Популяция– это совокупность особей данного вида, занимающая территорию внутри ареала вида, свободно скрещивающихся между собой и частично

или полностью изолированных от других популяций [8, с. 309]. За сто лет сво-

его существования генетика добралась до человека и теперь уже его не оставит. Она обязательно нарисует его индивидуальный генетический портрет. Человек будет знать, настигнет ли его болезнь Альцгеймера, а если настигнет, то в каком возрасте она будет разрушать его память. Грозит ли человеку риск заболеть раком, диабетом или другой болезнью или его здоровью ничего не грозит.

Путь становления генетики не был прямым. Отцом законов наследственности принято считать австрийского монаха августинца Г. Менделя (1822−1884). Революционная новизна его подхода к изучению гибридизации растений состояла в том, что он исследовал изменения, происходившие в целом ряде поколений растений.

Гибрид, полученный при скрещивании растений, отличающихся друг от друга одной парой альтернативных признаков, будет нести признаки одного из родителей (первый закон Менделя).

Скрещивание двух потомков первого поколения между собой дает второе поколение, в котором наблюдается расщепление в числовом отношении 3:1 по фенотипу (второй закон Менделя).

При скрещивании двух особей, отличающихся друг от друга по двум или большему числу пар альтернативных признаков, признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях

(третий закон Менделя) (рис. 32).

Только спустя примерно сорок лет после опубликования работы Менделя (1865 г.) биологи вновь «открыли» его законы. В 1906 г. английский биолог У. Бетсон ввел в научный обиход для обозначения наследственности понятие «генетика» (греч. genos−происхождение, род). В 1909 г. датский ученый В. Йогансен дал имя «ген» менделевским «элементам» наследственности. Ко времени, когда понятие «ген» вошло в словарь науки, американскому биологу Т.Х Моргану (1866−1945) посчастливилось сделать важную находку. Морган был специалистом по эмбриологии. Он намеревался дока-

82

зать, что никаких наследственных элементов в живом организме не существует. Трудно было представить, что какие-то крохотные частицы в клетках порождают все разнообразие форм жизни. Опыты, в которых Морган планировал получить такое опровержение, его поразили.

Х

Фиолетовые

цветы

б)

Рис.32. Цветы гороха: а) чистые (родительские) сорта, различающиеся только окраской; б) гибриды первого поколения; в) гибриды второго поколения (элементы наследственности разделены и в результате скрещивания не исчезают)

83

В качестве объекта своих исследований он выбрал неприметную мушку−дрозофилу. Чернобрюхие любительницы сладкого оказались идеальным объектом для экспериментов. Невероятно кропотливая и однообразная работа по скрещиванию мух с определенными признаками и подсчет наследуемых признаков в последующих поколениях привели Моргана к созданию

хромосомной теории наследственности. То, что первоначально планирова-

лось опровергнуть, оказалось доказанным. Морган предположил, что гены находятся в хромосомах на определенном месте и расположены в строгой последовательности.

Оказалось, что на гены можно воздействовать. Это было доказано американским генетиком Г. Д. Меллером (1890−1967). При облучении дрозофил рентгеновскими лучами изменяются гены, число мутантов среди них резко увеличивается (мутация– внезапно возникающее естественное или искусственное изменение наследственных структур, ответственных за хранение и передачу генетической информации). Так природа генов стала полем исследования для представителей различных наук.

В 1935 г. в Берлине молодой физик М. Дельбрюк пригласил к себе в гости немецкого математика К. Циммера и русского генетика Н. ТимофееваРесовского. «Междисциплинарное трио» пришло к выводу, что ген следует представлять себе как крупное соединение атомов. Подлинно историческое значение этой гипотезы, опубликованной в совместной работе ученых, раскрылось лишь десятилетие спустя, когда начался расцвет молекулярной биологии. Было установлено, что гены−это действительно крупные соединения атомов, а точнее– это участки в молекуле ДНК, включающие от 1000 до 1500 нуклеотидов, определяющих структуру синтезируемого организмом белка или одной нуклеотидной цепи.

ДНК−гигантская молекула, располагающаяся главным образом в ядре клетки. Окончательно разобраться в строении ДНК удалось, как мы уже говорили ранее, двум молодым ученым, которые в пятидесятых годах работали в Кембридже. Это были 23-летний американский биолог Д. Уотсон, которого его профессор послал в Европу, чтобы он «хоть немного подучился химии»,

ианглийский физик Ф. Крик, который уже несколько лет писал свою диссертацию. Уотсон и Крик воспользовались результатами австрийского биохимика Э. Чарграффа, впоследствии работавшего в США, и американского физика

ихимика Л. Полинга. Первый из них доказал, что составляющими ДНК являются молекулярные фрагменты цитозин, гуанин, аденин и тимин, с помощью которых посредством водородных связей две полинуклеотидные цепи молекулы ДНК закрепляются между собой. Второй, незадолго перед открытием Уотсона и Крика, описал строение белков. Значительную помощь в понимании структуры ДНК оказал английский физик М. Уилкинс, делавший лучшие в Лондоне рентгеновские снимки структуры ДНК. Уотсон и Крик выстроили структурную модель ДНК, которую описали как винтовую лестницу, закрученную вправо.

86

в безмолвное изумление. Но если представление обо всем этом совершенстве поражает наше воображение, то, с другой стороны, разум восторгается поиному, видя, сколько великолепия, сколько величия вытекает из одного всеобщего закона согласно вечному и строгому порядку» [24, с. 394].

Даже мысленно невозможно представить безграничную в пространстве и во времени Вселенную. Доступная наблюдениям часть Вселенной– Метагалактика-простирается от нас на расстояние, равное приблизительно 15-20 млрд. световых лет. Световой год равен расстоянию 9,46×1015м. Именно такое расстояние преодолевает свет, движущийся со скоростью 3×108м/с за 365 дней (в течение земного года). Кроме светового года, в астрономии используют другие единицы звёздных расстояний– парсеки (пк) и мегапарсеки (Мпк). Один парсек равен 3,26 световых лет, а один мегапарсек равен106 пк.

Крупнейшими образованиями в Метагалактике являются галактики, состоящие из сотен миллиардов звезд. Галактики редко существуют в одиночку. Они, как правило, образуют небольшие группы или скопления, в которых насчитывается много тысяч галактик. В окрестностях нашей Галактики расположены еще около 40 галактик, среди которых туманность Андромеды, туманность Треугольника. Пространство между галактиками заполнено газом, плотность которого чрезвычайно мала. В объеме, равном примерно одному литру, содержится один атом водорода. Несмотря на низкую плотность межзвездного вещества, общий объем, занимаемый газом, огромен. Поэтому полная масса газа сопоставима с массой всех галактик скопления.

8.1. Пространство и время

Среди важнейших научных открытий двадцатого столетия достойное место занимает открытие расширяющейся Вселенной. Естествознанию пришлось расстаться с одним из основополагающих принципов, утверждавших, что Вселенная неизменна. О том, что Вселенная эволюционирует, свидетельствовали открытия, сделанные в начале двадцатого века.

Специальная теория относительности А. Эйнштейна рассматривает пространство и время как единое целое и опирается на два положения. Вопервых, на постулат о предельной скорости передачи взаимодействия на расстоянии, равной скорости света в вакууме (с = 3×108м/с). Во-вторых, на принцип относительности Галилея, утверждающий, что во всех инерциальных системах отсчета движение объектов происходит по одинаковым законам. Под инерциальными системами подразумеваются системы, движущиеся друг относительно друга равномерно и прямолинейно или находящиеся в состоянии покоя.

Из специальной теории относительности следует относительность одновременности двух событий, происшедших в разных точках пространства, и относительность измерения длин и интервалов времени, произведенных в разных системах отсчета, движущихся относительно друг друга. Такое свойство пространства и времени существенным образом отличается от представлений о пространстве и времени, выдвинутых Ньютоном.

87

Ньютон рассматривал абсолютное время само по себе, без всякого от-

ношения к чему-либо внешнему, оно протекает равномерно и называется длительностью. Такие же рассуждения относились к пространству как

протяженности. Абсолютное пространство может быть совершенно пус-

тым и существовать независимо от наличия в нем физических тел. С пози-

ций специальной теории относительности абсолютное время и абсолютное пространство не имеют физического смысла. Время и пространство имеют

относительный характер.

Общая теория относительности раскрывает сущность материи. В ее уравнениях описаны фундаментальные свойства материи. Материя создает и формирует свойства пространства−времени, масса искривляет пространство−время. Применение общей теории относительности к стационарной Вселенной не давало удовлетворительного решения. В 20-х годах ХХ века русский ученый А.А. Фридман (1888–1925) доказал, что существуют два решения для эволюционирующей Вселенной: расширяющаяся и сжимающаяся. Полученные Фридманом уравнения и предложенная им модель нестационарной Вселенной используются и в современной космологии.

Вопросы для проверки знаний

1.Назовите астрономические единицы измерения звездных расстояний.

2.На какие два положения опирается специальная теория относительности А. Эйнштейна при трактовке понятий пространства и времени.

3.Как Ньютон трактовал абсолютное пространство и абсолютное время?

4.Существуют ли понятия абсолютного пространства и времени в современной теории Вселенной?

5.Какие возможные пути эволюции Вселенной предсказаны Фридманом?

8.2. Экспериментальные доказательства расширяющейся Вселен-

ной

В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл (1889−1953) использовал эффект Доплера для доказательства расширяющейся Вселенной. Эффект Доплера состоит в изменении частоты колебаний ν или длины волны λ излучения, воспринимаемого наблюдателем при движении источника излучения к наблюдателю или от него. Если источник излучения удаляется от наблюдателя, то происходит смещение полос линейчатого спектра излучения в красную область на величину, пропорциональную скорости удаления источника излучения от наблюдателя (рис.34).

Чем дальше расположены от нас галактики, тем с большей скоростью они удаляются, тем большее красное смещение наблюдается в спектре галактики. Хаббл определил расстояния до некоторых галактик и скорости их расширения. Это не означает, что наша Галактика является центром, от которого идет расширение. Из любого места Вселенной картина расширения бу-

88

дет такой же. Пространство Вселенной как бы раздувается. Если на воздушном шарике нарисовать галактики и начать надувать его еще больше, то расстояния между ними будут возрастать, причем тем быстрее, чем дальше они расположены друг от друга.

Спектр неподвиж-

ного объекта

Спектр объекта, удаляющегося от

наблюдателя Сдвиг полос линейчатого спектра в длинноволновую область

Рис. 34. Красное смещение (стрелками указано смещение в длинноволновую область линий в спектрах дальних галактик вследствие эффекта Доплера)

Факт постоянного расширения Вселенной доказан. Возникает вопрос: если Вселенная расширяется, то какой она была в момент начала расширения и когда это произошло? Подсчеты ученых говорят, что Вселенная начала расширяться приблизительно 12−15 млрд. лет назад. На начальной стадии вещество Вселенной имело настолько высокую плотность и было настолько горячим, что это невозможно себе представить, хотя можно выразить цифрой. Для описания состояния Вселенной используются математические модели, упрощенно описывающие ее свойства как расширяющейся системы. Расширение Вселенной означает, что она никогда не была одинаковой во времени. Она эволюционировала и эволюционирует, т.е. находится в непрерывном изменении. Если представить себе размеры современной Вселенной, подразумевая под этим размер области, из которой информация может дойти до наблюдателя за время, прошедшее с момента начала расширения, то это предельное расстояние оценивается в 4000 Мпк. В честь Э. Хаббла его называют хаббловским радиусом. На самом деле понятие радиуса Вселенной достаточно условно. Реальная Вселенная безгранична и нигде не кончается.

Вопросы для проверки знаний

1.Как было доказано существование расширяющейся Вселенной?

2.Что такое эффект Доплера?

3.Что такое хаббловский радиус Вселенной?

8.3. Судьба Вселенной

По известной средней плотности вещества Вселенной можно предсказать ее судьбу. Однако определить точно плотность Вселенной не удается. Пока известны лишь сценарии изменения состояния Вселенной при различных значениях плотности вещества. Глядя на звездное небо, нельзя сказать, что Вселенная однородна. На самом деле она однородна. Это заключение можно сделать, если наблюдать распределение массы вещества в большом

89

объеме пространства. Например, куб со стороной 100 млн. парсек даст нам одно и то же количество галактик и их скоплений примерно в любом месте Вселенной. Таким образом, средняя плотность вещества во Вселенной одна и та же в любом достаточно большом объеме.

Известно, что при расширении газа происходит его охлаждение и уменьшение плотности. В связи с этим обстоятельством следовало ожидать, что во Вселенной должно остаться излучение, характерное для остывающей Вселенной. Действительно, когда плотность вещества снизилась до 10−22г/см3

итемпература понизилась примерно до 3×103 К, стало происходить объединение электронов с протонами и ядрами атомов гелия. Именно на этой стадии во Вселенной началось образование атомов, преимущественно водорода

игелия. Вещество, которое состояло в основном из атомов водорода и гелия, отделилось от электромагнитного излучения и стало прозрачным.

Излучение того периода, так называемое реликтовое излучение, должно было сохраниться до наших дней. Такую идею высказал в конце 40-х го-

дов ХХ века американский физик-теоретик Георгий Гамов (1904-1968). От излучения звезд и галактик оно должно было отличаться видом спектра и одинаковой интенсивностью во всех направлениях космического пространства. Реликтовое излучение действительно обнаружили в 1965 г. американские радиоастрономы А. Пензас и Р. Уилсон. Максимум в спектре реликтового излучения приходится на миллиметровую область радиоволн, а его температура оказалась равной 2,73 К, что близко к предсказанной Гамовым величине. Такой экспериментальный факт означал, что первоначально действительно существовала «горячая» Вселенная.

После начала расширения «горячей» Вселенной возможны два направления эволюции, зависящие, как уже указывалось, только от средней плотности вещества. Если средняя плотность вещества Вселенной ниже некоторого критического значения, то её расширение будет продолжаться вечно. Если же плотность вещества выше критической плотности, расширение рано или поздно прекратится и сменится сжатием. Точный ответ на вопрос о том, в каком направлении будет эволюционировать Вселенная, пока не известен. Ясно, что на данном этапе она находится в неравновесном состоянии.

Теоретические расчеты показывают, что в самом начале расширения, когда температура была невероятно высока (больше 1028 К), Вселенная могла находиться в особом состоянии. Это состояние характеризовалось тем, что она расширялась с ускорением, а энергия в единице объема оставалась по-

стоянной. Такую стадию назвали инфляционной стадией Вселенной [24, с. 606]. Подобное состояние материи предполагает отрицательное давление. Отрицательное давление допускает современная теория элементарных частиц. Предполагается существование некоторого необычного поля со странными физическими свойствами.

Стадия сверхбыстрого инфляционного расширения охватывала крошечный промежуток времени. Она завершилась примерно к моменту

90

t » 10−36 c. Считается, что настоящее «рождение» элементарных частиц материи в том виде, в каком мы их знаем сейчас, произошло как раз по окончании инфляционной стадии и было вызвано распадом гипотетического поля. При его распаде образовались элементарные частицы.

Гипотеза инфляционной Вселенной отвечает на целый ряд важных вопросов космологии, которые до недавнего времени считались необъяснимыми парадоксами. В частности, эта гипотеза отвечает на вопрос о причине расширения Вселенной. Если в своей истории Вселенная действительно прошла через эпоху, когда существовало большое отрицательное давление, то гравитация должна была вызвать не притяжение, а взаимное отталкивание материальных частиц. В это мгновение Вселенная начала быстро, взрывоподобно расширяться («большой взрыв»). Модель инфляционной Вселенной пока лишь гипотеза. Даже косвенная проверка её положений требует таких приборов, которые в настоящее время просто ещё не созданы. Однако идея ускоренного расширения Вселенной на самых ранних стадиях её эволюции прочно вошла в совремённую космологию.

Вопросы для проверки знаний

1.Объясните, почему Вселенную считают однородной.

2.Что такое реликтовое излучение и какова длина волны и температура такого излучения?

3.Что такое инфляционная Вселенная?

4.Что называют «большим взрывом»?

8.4. Эволюция Вселенной

До сих пор остается открытым вопрос о том, что существовало до начала расширения Вселенной. В последнее десятилетие ХХ века развитие космологии и физики элементарных частиц позволило теоретически рассмотреть самый начальный, «сверхплотный» период расширения Вселенной [24, с. 606]. Вслед за первым инфляционным периодом, длившимся 10−36 с, уже в первую секунду температура и давление во Вселенной стали быстро уменьшаться. За это время температура понизилась с 1028 К до 1010 К, и с веществом перестали взаимодействовать всепроникающие нейтрино.

Спустя несколько секунд началась эпоха первичного нуклеосинтеза, когда температура резко упала и из элементарных частиц стали образовываться ядра водорода, гелия. Эпоха первичного нуклеосинтеза продолжалась приблизительно 3 минуты. За это время состав Вселенной изменился. Она стала протонно-гелиевой, состоящей приблизительно на 25% из ядер гелия и на 75% из ядер атомов водорода. После трехминутной эпохи нуклеосинтеза продолжалось спокойное расширение и остывание Вселенной в течение примерно миллиона лет. Унылое и однообразное расширение нарушилось процессом рекомбинации-объединением электронов и ядер в атомы водорода и гелия. В период рекомбинации температура расширяющейся Вселенной упала до 3×103 К.