скачать книгу бесплатно
Виртуальные частицы вакуума «бьют», например, из глубин Земли через разломы коры и изменяют силу тяжести. Каждая элементарная частица окружена виртуальным облаком всех остальных частиц и содержит их в себе: каждая «состоит» из всех остальных. Однако виртуальные частицы не являются составной частью взаимодействующих элементарных частиц. От виртуальных частиц не остается следа в частицах, появившихся при взаимодействии порождении, хотя они участвуют в нем. Объективность процессов в микромире раскрывается изучением электромагнитных полей, зарядовой поляризации вакуума, гравитационных полей, продольно упорядоченных по спину фотонов. Фотон – волна-частица непрерывно движущаяся со скоростью 300 000 км /сек. Он распространяется как волна, а излучается и поглощается как частица. Фотон – частица, так как замкнут по контуру электромагнитным моментом, и локализуется в пространстве. Его колебания относительно геометрического центра придают ему волновые свойства. Фотон движется прямолинейно, одновременно вращается и колеблется, формирует кинетический момент – спин, чем удерживается на прямолинейной траектории. Фотоны – переносчики волн электромагнитного взаимодействия электронов. Физики полагают, что фотонные состояния возникают из вакуума при помощи операторов рождения с t k a. Фотонная «нить» расщепляется, нити сцепляются (эффект интерференции). Квантовая физика изучает процессы обмена электронов фотонами. Можно предположить, что в микромире фотоны чем-то отличаются друг от друга. Не отличающиеся были бы «не интересны» друг другу. Испуская «свои» фотоны, электроны вбирают в себя «чужие» фотоны, поглощают их, обмениваются фотонами друг с другом. («Сам» электрон – это левоспиральный фотон, замкнутый «кольцами», частица – волна.) Квантово-полевая теория электронов и фотонов описывает взаимодействия электромагнитных полей и электрически заряженных частиц. Взаимодействие двух электронов происходит в результате обмена виртуальными фотонами. Виртуальный фотон первого электрона «устремляется» ко второму электрону, а тот одновременно «посылает» свой фотон к первому электрону. Вокруг протона и нейтрона имеется сложное поле сил. Такое поле наглядно можно представить как виртуальное облако, своеобразную мезонную «шубу». Это «облако» существенно определяет свойства протона и нейтрона, поскольку мезоны входят в структуру этих элементарных частиц. Виртуальное облако электронно-протонного поля и нейтрино вносят свой вклад в свойства протона и нейтрона. Протон и нейтрон «обязаны» своим существованием всем остальным частицам. Принцип – «все состоит из всего» – принцип ядерной демократии справедлив для сильно взаимодействующих частиц. Свойства протона и нейтрона тождественны в отношении ядерного взаимодействия. Эти частицы – два различных состояния одной и той же частицы. Одна заряженная частица (протон), другая – нейтральная (нейтрон) составляют изотопический дуплет, в котором различаются проекции изотопического спина в некоем «внутреннем» изотопическом пространстве. «Возникновение – исчезновение» фотонов, порождение фотонами электронно-позитронной пары, аннигиляция этой пары потребовали развития представления о квантово-волновом поле как системе с бесконечным числом степеней свободы, квантовых волн (или частиц) возбуждения и поглощения возбуждения. Переносчиками взаимодействия служат восемь «цветных» самодействующих глюонов – квантов сильного взаимодействия. Адроны при высоких энергиях взаимодействуют друг с другом путем обмена комплексом виртуальных частиц. Каждый акт поглощения и испускания виртуальных частиц невозможен без нарушения связи между импульсом и энергией.
Целый ряд физических эффектов объясняется коллективными взаимодействиями реальных частиц с виртуальными частицами. Более того, согласно современным космологическим теориям, происхождение Вселенной обязано гигантской флуктуации энергии квантового вакуума. Он состоит из электрических диаполей, из положительных и отрицательных «элементарных» зарядов, окруженных магнитным (массовым) континуумом. В физическом вакууме непрерывно происходит самопроизвольное рождение и уничтожение виртуальных частиц с массой электрона (материализованных порцией энергии) за промежуток времени порядка 10
секунды как следствие квантовых флуктуаций в соответствии с соотношениями неопределенности. Время их существования настолько мало, что ни с одной элементарной частицей они не успевают обменяться энергией и существуют как вакуумный «туман», как «облачко» вокруг более крупных частиц, оказывая реальное воздействие на частицы. Флуктуации энергии квантового вакуума имеют бесконечно широкий диапазон частот. Сложные структуры квантового вакуума – та первооснова, которая определяет фундаментальные свойства нашего мира в целом. Он – наинизшее энергетическое состояние всех полей – потенциальное бытие с высокой степенью хаотичности и неопределенности. В нем нет реальных частиц: появляющиеся в нем частицы (электроны и позитроны) тотчас аннигилируют, а потому о них говорят как о не реальных, а виртуальных (могущих проявиться) частицах. Индивидуально эти частицы не проявляют себя, но как системный ансамбль заметно влияют на различные свойства материи. Вакуумный виртуальный «туман» – совершенно реальный феномен. Можно подсчитать энергию гравитационного взаимодействия виртуальных частиц, обуславливающую отличную от нуля плотность энергии в вакууме. Разделив величину плотности энергии на секунду в квадрате, получим плотность вакуумной «жидкости». Вакуум виртуально содержит все возможные частицы и состояния, которые могут из него, как из «ничего», рождаться. В квантовом поле виртуальные частицы существуют в наинизшем энергетическом состоянии. Сами они выступают «вторичным» возбужденным состоянием вакуума. Виртуальные частицы – совершенно реальные физические феномены.
Взаимодействия элементарных частиц в квантовой теории предстают как обмен промежуточными (виртуальными) частицами, переносящими взаимодействие. Учитывается, что в процессе рождения виртуальных частиц не выполняется закон сохранения энергии, а имеет место неопределенность энергии «Дельта Е» в состоянии виртуальных частиц. Виртуальная частица не находится в возбужденном состоянии (возрастания «склонности» к взаимодействию) и обязательно должна поглотиться в другой вершине взаимодействия. Исходят из допущения строгого сохранения энергии в каждом акте рождения или поглощения виртуальных частиц.
Для того чтобы нарисовать в красках всю сложную картину взаимосвязанности частиц в микромире, полей и структур протона, отображая определенным цветом «облака» тех или иных элементарных частиц, потребовалась бы вся палитра художника. Самое удивительное в этой своеобразной ситуации то, что часть бесконечно больше целого! В каждое из полей входят все остальные. Входят все элементы друг в друга в смысле взаимопорождений виртуальных потенций. Истолковать эту особенность микромира можно лишь единственным способом, а именно: «Существование данной элементарной частицы – это лишь момент бесконечных превращений на шкале больших вселенских перемен». Эти перемены в процессе порождения включают в себя виртуальный момент «развертывания – свертывания» и «свертывания – развертывания». Виртуальные частицы как процессы характеризуются особым статусом существования в режиме постоянного «биения». Они имеют квантовое состояние: спин, электрический и барионовый заряд. Но они существуют крайне кратковременно в промежуточных ситуациях «порождения» крупных частиц и (как посредники) оказываются «переносчиками» их взаимодействий, частицами связи «крупных» частиц в моменты их преобразования. У физических виртуальных частиц имеется самоактивность, самоорганизованность, способность связывать взаимодействующие изменяющиеся объекты («крупные» частицы). Виртуальная частица как бы «выбрасывается» полем («свертком» поля) и тут же поглощаются другим «свертком» поля. А тот в свою очередь выбрасывает свою виртуальную частицу, поглощающающуюся первым «свертком» поля. Происходит «взаимообмен» виртуальными частицами при порождении полем элементарных частиц. При столкновении микрочастиц возникают промежуточные короткоживущие состояния микросистемы. Процесс «рождения и уничтожения» (возникновения и исчезновения) виртуальных частиц выступает переносчиком взаимодействия, элементом механизма обеспечения перехода микросистемы из одного состояния в другое. Виртуальные частицы, проявляясь, действуют в промежуточных, переходных (имеющих крайне малую длительность) состояниях возникновения нового (элементарных частиц). Они «включают» взаимодействие более «крупных» и более долго живущих частиц. Как переносчики взаимодействий элементарных частиц они оказываются своего рода «клеем», не позволяющим материи распадаться на части. Радиус слабого взаимодействия чрезвычайно мал, поэтому его переносчиками являются частицы с большой массой покоя, а время жизни их чрезвычайно коротко – всего лишь около 10
секунды. За виртуальное физическое пространство принимается пространство, определяемое размерами протонов и нейтронов 0,9 х 10
м. и сеточкой с ячейками 1,2 х 10
м. Структура и энергетика его практически не изучена. Пространство природы за пределами разрешения электронного микрокосмоса не изучено и является ареной спекуляции тех физиков, которые «открывают» то частицы пространства, то частицы вакуума и теоретически описывают даже частицы правакуума. (М.А.Марков)
Полагают, что в невидимой, виртуальной части пространства проявляются иные свойства, в ней нет течения времени как такового. Есть только Время – Универсум и элементарные хрононы, отличные от хрононов протон-нейтронного пространства. В квантовой механике понятие волновой функции имеет вероятностный смысл, а основные закономерности мира атомных явлений изучаются статистически. «Сцепленные» виртуальными частицами взаимодействующие элементарные частицы ведут себя строго «согласованно»: изменение состояния одной приводит к мгновенному изменению другой, сколь далеко бы она ни находилась от первой, так как их «разделенность» – иллюзия. (Д. Бом). Виртуальность присуща всему спектру возможных состояний элементов структуры микрочастиц, описываемых не конкретными числами, а волновой функцией, характеризующей закон распределения вероятностей возможных значений каких-либо физических величин. Субстанциональное вещество и энергетическое поле принадлежат одной и той же физической реальности. Но идея виртуальности указывает на особый тип взаимоотношений между разнородными объектами реальности, располагая их на разных иерархических уровнях и определяя специфические отношения между ними. Объекты виртуального уровня порождаются объектами нижележащего уровня. Несмотря на свой статус порожденных частиц, они взаимодействуют с объектами порождающей реальности как онтологически равноправные. Совокупность виртуальных объектов образует физическую виртуальную реальность. Виртуальные объекты существуют только актуально, «здесь и теперь», пока происходят процессы порождения. С окончанием процесса виртуальные объекты «исчезают» с этого энергетического уровня. К ним не применимы привычные понятия «прошлое» и «будущее», «раньше» и «позже».
Особенность виртуальных частиц в том, что они появляются в процессе взаимодействия «элементарных» частиц. Но нельзя сказать, что они есть, хотя бы потенциально, в этих частицах. Они существуют только актуально, то есть здесь и теперь, выполняют свою функцию связывания, передатчика, «установителя» взаимодействия элементарных частиц, а после этого «гаснут», как будто их никогда и не было. Виртуальные частицы фигурируют в начальных и конечных моментах взаимодействия. Физическая виртуальность проявляется как «клокотание» вакуума, устойчивая неравновесность кратко живущих особого класса частиц в момент промежуточного состояния взаимодействия микросистемы, когда в ней что-то возникая, переходит из прежнего в новое состояние, а прежнее теряет себя, растворяясь в возникшем.
Онтологическая сущность виртуальных физических частиц заключается в том, что они, возникают (в вакууме) на своем, глубинном уровне бытия. «Всплывают», появляются на миг на следующем уровне (элементарных частиц), «гаснут», «укрепив» взаимодействие преобразующихся элементарных частиц, способствуют активным взаимоотношениям взаимопревращения частиц и опускаются, «возвращаются» на свой уровень. Или существуют «невидимо» на уровне элементарных частиц, окружая их виртуальным облаком, виртуальной «шубой», «туманом». Бытие виртуальных частиц имеет свои объективные особенности. Они лишь кратковременно «видимы» на энергетическом уровне крупных частиц в момент их взаимодействия. Виртуальные частицы существуют как промежуточные, имеющие малую длительность проявления «состояния – процесса». Они выступают системой посредников, устанавливающих взаимодействие при нарушении равновесия взаимодействующих противоположностей и возникновения нового явления. Физики наряду с анализом переноса электронных свойств виртуальными частицами изучают явления, связанные с тяжелыми частицами, переноса энергии в полностью ионизированной плазме с несколькими сортами ионов, что имеет отношение к диффузии примесей поперек магнитного поля в различных системах магнитного удержания многокомпонентной плазмы. Такие явления переноса как электропроводность, вязкость, теплопроводимость вскрывают поведение этого вида плазмы и требуют учета внутренних степеней свободы молекул.
Анализ виртуальных объектов микромира как посредников дает возможность выделить у них общие существенные свойства физической виртуальности:
1. существовать системой посредников включения взаимодействия «крупных» частиц, но быть для чувств человека не воспринимаемой,
2. устанавливать взаимосвязь, переносить энергию, информацию, быть посредником взаимодействующих реальных объектов,
3. у них краткое время жизни – время установления взаимодействия,
4. существование в переходных состояниях взаимодействия возникновения нового, прежде не бывшего.
Виртуальность – тотальный феномен всех уровней организации материи, влияющий на свойства процессов возникновения новых систем. В микромире во всех явлениях переноса взаимодействия виртуальные частицы проявляют свою виртуальность.
ХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ВЕЩЕСТВА И ЕГО ВИРТУАЛЬНОСТЬ. Каковы истоки химической эволюции? Астрофизики и космологи считают, что в самом большом фрагменте Вселенной – «темной материи», составляющей 95% ее массы, нет того движения, изменения, различия, неоднородностей, которые характерны для меньшей части – «видимого» мира «светлой материи». На «темную энергию», которую чаще именуют космическим вакуумом, неизвестно как воздействует вещественный фрагмент Вселенной, имеющий порядка 3 % всей мировой энергии. Полагают, что сам космический вакуум воздействует на все фрагменты Вселенной, заставляя ее расширяться, причем с ускорением. (ВФ. № 3, 2010, с. 10) Вероятно, из «темной материи» по неоткрытым причинам появляются элементарные частицы вещества: протоны, нейтроны, электроны. Некоторые из них при определенных (пока не известных) условиях могут, утратив все свои свойства, обратно вернуться в нее, кануть в вакуумную бездну.
Проблема возникновения и усложнения вещества в ходе эволюции космических тел (звезд, галактик, туманностей) сложилась в XIX веке в результате открытий физиков, космологов, химиков. Изучаются физические состояния в определенном диапазоне величин, но остаются неизвестными уровни с величинами «выше» и «ниже» известных. Нет убедительных гипотез переходов из одного состояния в другое. В специфических законах физики и химии не раскрыто их общее эволюционное содержание, неизвестен единый для них закон развития. Непрерывное изменение (при сохранении материи и энергии) мы воспринимаем как возникновение нового. Глубинные уровни материи неизвестны. Ни теория относительности, ни квантовая механика не дают ответа, почему возникло вещество. А.А. Сахаров предположил, что скорости элементарных частиц немного различаются, процессы их разбегания идут быстрее, чем их взаимная аннигиляция. В результате возник перевес в пользу появления вещества.
Физическая реальность – конвертирующее поле волновой природы. В нем рождаются вещество и антивещество. При конвергенции двух вихревых систем плотность энергии увеличивается, и одновременно уменьшаются размеры локализации энергии. Открытие законов конвертирующего поля позволит получить ответ на вопрос: Как происходит появление дискретного вещества из непрерывного, недискретного вакуума? Предельно энергонасыщенные конвертирующие поля являются началом «вещественного» уровня организации материи в виде пары частиц электрона и позитрона (протона). Открытие суперфизической реальности приведет к пересмотру сущности физической, химической, биологической форм материи, их супервзаимодействия и внутренней активности, становления в пространстве волновых форм существования материи. А. Эддингтон писал, что «когда мы принимаем, что некоторая часть содержит вещество, мы познаем присущую миру в этой области кривизну. Не следует воспринимать вещество как нечто постороннее гравитационному полю, вызывающее в нем возмущение. Возмущение и есть вещество». (519. 189) А.И. Арлычев предлагает формальную и субстратную модель эволюции Вселенной. В ней появление вещества трактуется как результат взаимодействия электромагнитного и слабого полей. В акте отношения двух разнородных полей происходит метаморфоза с их виртуальными носителями. Виртуальная единица электромагнитного поля электрон – позитрон (е
и е+) и виртуальная единица слабого поля нейтрино – антинейтрино, вступая во взаимодействие друг с другом порождают новый субстрат. Это становится возможным благодаря физической разнохарактерности колебательных процессов полей – вибраторного колебания в электромагнитном поле и осциляторного (прерывистого, мерцающего) в слабом поле. В результате происходит перегруппировка компонентов в виртуальном носителе. Электрон (е
) как бы вбирает в себя антинейтрино, а позитрон (е+) – нейтрино. Подобный «отбор» обусловлен отношением зарядов: электрических – у электрона и позитрона и лептонного у нейтрино и антинейтрино. Вновь появившийся субстрат весьма необычен по своей физической природе. Он занимает промежуточное положение между полем и веществом, ибо в полной мере еще не стал частицей, но его уже нельзя считать виртуальной частицей поля. Это неопределенное состояние назвали «кварк». Кварки замечательны тем, что у них изначально возникает такое фундаментальное свойство актуального вещества как масса, указывающая на появление субстрата состояния покоя. При этом кварки совершенно неустойчивы и потому не могут самостоятельно существовать. Этим они принципиально отличаются от полевых субстрат, которые, находясь в положении непрерывного виртуального процесса, абсолютно устойчивы и именно потому составляют исходный фундамент всего мирового субстрата.
Согласно теории горячей расширяющейся Вселенной химическая материя возникала в два этапа. На рекомбинационном этапе образовались атомы двух элементов: водорода и гелия в соотношении 7 к 3 по массе и 90,3% и 9,7% по числу атомов. Примерно через 1 млн. лет от начала расширения Вселенной газ становился прозрачным для излучения, а плотность его энергии из-за расширения оказывалась недостаточной для поддержания ионизации. Прежде однородные водородный и гелиевый газы теряли устойчивость, росла флуктуация, формировались скопления звезд, галактик. Дальнейшая химическая эволюция шла как по линии усложнения структуры, так и образования незамкнутых повторяющихся систем. Устойчивое взаимодействие атомного ядра и электрической оболочки обусловило возникновение химических систем. Химические связи ведут к дивергенции – закономерному чередованию свойств и возникновению химической эволюции. В химических взаимосвязях (обратимых реакций) происходит обратное превращение: вещество, синтезируемое из нескольких других, распадается на эти самые вещества в этих же пропорциях – действует закон химического сохранения. В неживой природе самосохранение держится на авторегуляции процессов самовосстановления отношений со средой взаимодействия. Закон всемирного тяготения «сочетается» с законом всемирного отталкивания. На физическом уровне вещество рассматривается с точки зрения массы и энергии. На химическом уровне оно рассматривается с точки зрения валентности – способности создавать связи-реакции с «избирательной активностью веществ, то есть их способности взаимодействовать и усложняться по ходу химических реакций. Эволюционный процесс на химическом уровне – бесчисленное множество реакций синтеза и распада, усложнения состава веществ, теряющих прежние свойства и приобретающих новые свойства.
Мир вещества химически един для известной нам Вселенной. В ее составе: водорода 90%, гелия 9%, 0,1% кислорода, 0,06 % углерода, 0,01 % азота, 0,005% магния, 0.004 железа, 0,002 серы и «незначительные» доли других веществ.
Современные достижения химиков выражаются в способности пространственно фиксировать, перемещать и распознавать одиночные атомы и молекулы, измерять почти все их существенные свойства. Поэтому возникла возможность манипулировать одиночными молекулами в технологии нанооптики и наноэлектроники. Предполагают, что к 2025 году возникнет новая молекулярная техника, а к 2035 году квантовые компьютеры, в которых логические связи между элементами будут осуществляться логическими вентелями (основными элементами логической обработки данных) и «умными» молекулами. Появятся материалы со сверхвысокой магнитной памятью. Проблемы химической науки (превращения веществ, когда воздействие одних веществ на другие приводит к появлению других веществ) все более тесно связываются с идеями эволюции, развития, изменчивости состояний, непрерывности связей и переходов одного качественного состояния вещества в другое, с идеями преемственности и отрицания, учета бесконечного числа степеней соединений молекул. Эволюционные идеи «звучат» в периодической системе химических элементов, в саморазвитии химических систем, неорганических молекул, открытых автокаталических химических реакциях. Развивается теория переходного состояния или активированного комплекса, где новые связи начинают образовываться одновременно с ослаблением и разрывом старых связей, которые не исчезают полностью, поскольку преобразуются. Химическая эволюция раскрывает ход усложнения вещества и роль в нем виртуальности катализаторов, ферментов, генов.
ВИРТУАЛЬНОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ. Природа химических связей едина и имеет электрическую основу. Химические процессы обусловлены обменно-спиновым взаимодействием электронов атомов, участвующих в образовании химических связей (ионной, ковалентной, металлической, межмолекулярной). Полный перенос электронов от одного атома к другому приводит к образованию трехмерной решетки из заряженных частиц. Химическое вещество обладает массой покоя на основе связи атомов в молекуле – простейшей частице вещества в процессе химических преобразований.
Проблема усложнения веществ в ходе химической эволюции приводит к парадоксу возникновения «прибавочного» содержания системы, которого не было в предыдущем состоянии. Это выражают формулой: H = S + h. Где H – новое, более сложное. S – более простое состояние до реакции. h – приращение сложности в ходе изменения S. Откуда появилось h – то, которого никогда раньше не было? Участвует ли в этом виртуальность? Может быть она, активизируясь вдруг, способствует h возникнуть из преобразованного старого? Или само старое содержит в себе нечто «добавочное»? В.В. Орлов полагает, что «добавочное» содержится в свойствах самой материи как нечто изначальное. Оно «берется» из возможности бесконечного усложнения материи, возникает в ее изменениях, в ее переходах от возможного к действительному, в переходах от одного уровня к другому.
Химики занимаются получением разнообразных веществ на основе изменения межатомных связей. Они выяснили, что простейшие реакции протекают крайне редко. Взаимодействующие молекулы «идут» обходным путем, образуя ряд неустойчивых, легко вступающих в новые реакции частиц, которые названы свободными радикалами. Эти радикалы создают длинную цепь различных превращений. Реакция идет ступенчатыми звеньями. Радикалы возникают спонтанно (таков и признак виртуальности). Их трудно получить по заранее «строго» составленной программе.
ВИРТУАЛЬНОСТЬ КАТАЛИЗАТОРА КАК ПОСРЕДНИКА. В химической эволюции велика роль катализаторов – малых комплексов некоторых химических веществ (каталистических систем атомов), под действием которых ускоряются химические реакции в природе (ныне их производят искусственно и широко используют в промышленности). Каталические системы обладают селективностью и стабильностью. Природа химического вещества насыщена бинарностью – «действием» ускорителей и замедлителей реакций. Ускорителям процессов противостоят замедлители, катализаторам – ингибиторы (лат. inhibere – сдерживать, останавливать). Ингибиторы замедляют и прекращают химическую реакцию, тормозят, сдерживают активность катализаторов.
До наступления определенных химических реакций некоторые свойства веществ существуют «скрытно» и проявляются лишь в момент взаимодействия с другим веществом, а после взаимодействия перестают участвовать в реакциях. Такой оказывается роль некоторых катализаторов, виртуальности их посредничества, Катализатор – вещество, изменяющее скорость химической реакции путем участия в ней, но в конце реакции оно оказывается как бы прежним в своем неизменном виде и количестве, так как успело измениться, «израсходоваться» (повлияв на взаимодействие) и вновь восстановиться, оказаться тем, что было до реакции. Катализатор претерпевает циклические превращения, открывает новый путь изменению, превращению исходных веществ в новые, увеличивает скорость образования нового химического продукта. Французские химики Н. Клеман и Ш. Б. Дезорш в 1806 году катализом ускорили процесс получения серной кислоты, добавив газообразную двуокись азота к смеси двуокиси серы, воздуха и водяных паров. Двуокись азота оказалась переносчиком молекулы кислорода, ускорившего химическую реакцию.
Автокатализ ускоряет транспортировку частиц и энергии в процессе их самосборки в неравновесных условиях с образованием новых структурных элементов. Катализатор увеличивает степень компенсации энергии разрыва связей в реагирующих веществах за счет промежуточного химического воздействия реактивов с ним. Установлена связь между свойствами катализатора и скоростью каталического превращения с учетом воздействия среды на катализатор. Г.К. Боресков выявил постоянство каталической активности веществ одинакового химического состава и структуры независимое от способа их приготовления. Химические реакции – совокупность межатомных соединений и их превращений, происходящих с разрывом одних атомных связей и образованием других – способ химического существования и развития, превращения некоторого конечного числа реагирующих субстратов в процессах синтеза и распада. Субстраты переходят в новое состояние при помощи каталического посредника – другого субстрата. В химическом развитии новое качество выступает как паритетный результат двух и более химических субстратов. Происходит химический отбор, самосборка (субстратный синтез) в соответствующей среде. В химической эволюции химические элементы усложняются нелинейно.
Илья Пригожин и Манфред Эйген – два Нобелевских лауреата по химии, первопроходцы в изучении самоорганизующихся химических систем доказали, что химические сети открывают путь к спонтанному образованию упорядоченных форм. (349. 47) Запуск любого окислительного процесса в системе (содержащей элементы, необходимые для его протекания) требует импульса высокой энергии. Его дает детонатор, вызывающий «мерцающее пламя» преобразования и поддержания реакции. Катализ – самоподдерживайщийся, самоорганизованый химический процесс на границе с живым веществом. Но что инициирует включение действия катализатора? Вероятно виртуальность катализатора «включает» эту «способность» химических элементов взаимодействовать, вызывая возникновение новых химических свойств новых элементов с их новыми взаимосвязями.
В ходе эволюции химическое становится настолько сложным, что не может не подготовить сложное вещество для появления биологической формы материи. Оказалось, что в процессах жизни лежат каталические реакции, на химическом уровне они представлены изолированными химическими цепочками, тогда как на биологическом уровне – это целый комплекс таких цепочек, связанных в целостную, относительно автономную систему – живую особь. Саморазвитие, усложнение химического вещества с его каталическими системами привело к переходу химической эволюции в биологическую эволюцию.
Существует принципиальное отличие химического вещества и биологического. Если химические реакции обратимы, то в биологических системах существуют необратимые процессы: белок живого организма при определенной температуре «умирает» – превращается в вещество. Атомы взаимозаменимы, организмы – нет, поскольку смертны. Их существование и «возобновление» самообеспечено генетическим кодом.
ПРЕВРАЩЕНИЕ НЕЖИВОГО ВЕЩЕСТВА В ЖИВОЕ СУЩЕСТВО. Химическая эволюция на планете Земля подошла 3,7 млрд. лет тому назад к появлению сложного химического субстрата, замкнутого на себя, приобретшего автономность и устойчивость, способного к саморазвитию. Достигший определенной сложности субстрат превратился в живую материю. Химический процесс стал жизненным самосохраняющимся процессом. В нуклеиновых кислотах – важнейшем компоненте живой материи – благодаря их структуре происходило накопление информационного содержания в сжатой, кодированной форме. В процессе самоорганизации предбиологических химических систем шел самоотбор элементов, необходимых для возникновения жизни и ее функционированию. Из 118 (126?) химических элементов многие принимают участие в жизнедеятельности организма, а шесть – углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера (обладающие наивысшим потенциалом в химической эволюции) – составляют основу живых клеток, составляя 97,4% живого вещества. Натрий, калий, кальций, магний железо, цинк, алюминий, хлор, медь, кобальт, бор составляют остальные 2,6 %. Возникновение жизни на планете Земля – один из возможных вариантов химической эволюции Вселенной – при оптимальном многообразии химических связей на планете Земля проходил на основе углеродных соединений. (На других планетах такой основой мог быть другой химический элемент, а не углерод.)
Подобно тому, как кристалл самособирается из атомов, «присоединяя» их к себе из насыщенного раствора, процесс эволюции содержал своего рода самосборку разных блоков веществ из окружающей среды. Весь ансамбль форм живого укоренен в свойствах физического вакуума и задается одновременно множеством решений некоего биологического аналога фундаментальных физических уравнений. И это происходило задолго до того, как реальный процесс предбиологической эволюции мог начаться. Процесс эволюции представляет собой не простое превращение одних видов в другие путем хаотических мутаций, а прохождение «проб», «ошибок», шаг за шагом, испытаний вариантов возможностей и параллельно с этим растекание по многомерному полю допустимых вариаций в плоскости одного эволюционного этажа. Эволюция – это не только возникновение (и исчезновение) новых форм, но и последовательность заполнения вакаций, выявление новых возможностей у элементов уже существующего этапа. История Космоса единый, хотя и чрезвычайно неравномерный процесс самовозникновения усложняющихся форм материи.
Физические процессы образования атомных ядер в физическом вакууме проходили внутри «старых» звезд. (Химическое вещество в буквальном смысле есть «пепел» таких звезд – долгожителей.) До того, как появилось наше Солнце, несколько поколений тяжелых звезд прошли свой жизненный цикл, превратив первоначальный водород в основные химические кирпичики жизни. Физические процессы образования элементов – органогенов «направлены» на возникновение химической материи, предопределяют субстрат, структуру, свойства и законы химического поведения органогенов. Физическая связь химических реакций определяется количественным соотношением атомов разных элементов. Р. Дикке считал, что для того, чтобы появились строительные блоки органогенов – химических элементов тяжелее водорода – углерод, азот и кислород должны оказаться рассеянными по галактике в результате завершения цикла эволюции звезд хотя бы одного поколения. Ф. Хойл открыл, что ядра углерода синтезируются в звездах в результате почти одновременного столкновения трех ядер гелия. Пылевые облака, из которых образуются звезды, и планеты на 98% состоят из водорода и гелия. Но в остальных 2% входящих в состав органических соединений элементы (углерод, водород, кислород, азот) составляют более 90%. При образовании планет большую роль играет пылевая компонента. Органические частицы вместе с газом оседают в диске, где из-за гравитационной неустойчивости формируются сгустки размером в несколько метров в диаметре, и это в основном органика. Здесь возникают условия для астрокатализа, образуется мир РНК, который является предшественником жизни. (Вестник РАН, июнь 2012, С. 572.) Изучаются экзопланеты в галактике М 31 туманности Андромеды с массой равной 2 массам Земли.
Герберт Спенсер писал, что исследователями мало – помалу заполнялась пропасть между неорганическим и органическим веществом. Более пяти тысяч сложных органических соединений ныне производят химики из неорганических веществ. Изучается биохимическая доклеточная эволюция макромолекул – гиперциклов и возникновение мембран. Природа «строит» химические объекты, опираясь на преобразование молекулярной и надмолекулярной структур, предваряющих законы развития живого: наследственность, изменчивость, естественный отбор.
Переход химической эволюции к биохимической и биологической эволюции выразился в усложнении структуры систем. Взаимосвязь «одиночных» атомов привела к простым молекулам (комплексам атомов) Они сгруппировались и перешли в сложные макромолекулы (самовоспроизводящихся белков) и ультрамолекулярные системы (пробионтам), затем в одноклеточные организмы, способные совершать «направленные» действия. Возник биологический катализатор, действующий как сила ускоряющая (и направляющая?) биологическое развитие. Возникновением молекул – центральным событием в химической эволюции – управляют энергия и спин (угловой момент движения электронов и ядер, поскольку электрон и ядро – квантовые волчки).
ОЖИВЛЕНИЕ КОСНОЙ МАТЕРИИ. ЖИЗНЬ. Вселенной 13,8 млрд. лет, галактике «Млечный путь» – 13 млрд. лет. Возраст Солнца 4,6 млрд. лет, возраст планеты Земля около 4,5 млрд. лет. Жизнь на ней зародилась не позднее 3,7 млрд. лет. В первичной атмосфере не было кислорода, но были водяные пары, водород, углекислый газ, сера, азот и температура тропиков. Появление жизни относят ко времени самого первого охлаждения планеты Земля с условиями «подходящих» температур для набора комплексов группирующихся веществ. Жизнь «пряталась» в квантовой неопределенности и «готовила» себя в химическом предклеточном состоянии, дожидаясь «подходящей» обстановки для своего самовозникновения. Земля оказалась «подходящей» планетой, насыщаемой энергией «подходящей» звезды – Солнца. Она располагалась на «подходящем» для жизни расстоянии от звезды – не слишком близко, но и не далеко. (Не выяснена роль собственной радиоактивности планеты и подвижки земных плит в процессах перехода вещества в существо.)
Исследователи Космической станции установили, что семена некоторых растений, лишайников и микробов в условиях открытого космоса не разрушаются. Бактериальные споры выживают только в местах, защищенных от ультрафиолетового излучения Солнца. Аминокислоты и пептиды разрушаются под воздействием солнечного ультрафиолета. Следы микроорганизмов найдены в метеорите с Марса и делается заключение, что, возможно, на нем была жизнь.
СОЛНЦЕ. К.Я. Кондратьев и И.П. Федченко в работе «Влияние спектра солнечной радиации на эволюцию биосферы» отмечают сходство химического состава солнечной и земной атмосферы, исключение составляет водород, которого на Солнце значительно больше, чем на Земле. Поскольку Земля с начала своего существования находилась в сфере непосредственного воздействия Солнца, то интенсивность и спектральный состав солнечной радиации предопределил строение органических веществ. В период биохимической эволюции, когда в атмосфере планеты не было большого количества свободного кислорода, и, следовательно, не мог образоваться озоновый экран, защищающий поверхность от ультрафиолетовых излучений в области длин волн короче 300 мм, эта область спектра солнечного излучения поставляла энергию для синтеза биохимических соединений. Из химических веществ (Н
О, СО, СО
, СН
О, НСN и др.), присутствующих в атмосфере, литосфере и также в ближайшем космосе образовались различные соединения, составившие в дальнейшем основу полимеров. Лучистая энергия Солнца, пройдя через атмосферу Земли, преобразуется. На пути от внешней границы атмосферы на земной поверхности планеты идет поглощение и рассеяние лучистой энергии, причем ослабление солнечной радиации в атмосфере зависит от длины волны. Образование протоклеток и молекул, способных поглощать и преобразовать солнечную энергию, открыло путь для усложнения их структур. На этой стадии эволюции химические соединения включали в себе углерод, водород, кислород и, вероятно, серу. Вступление в игру азота (скорее всего, в виде аммония NH
) сделало возможным резкое возрастание сложности молекул, поскольку азот необходим для реализации двух отличительных черт клеточной жизни – катализа и хранения информации.
Совокупность факторов, позволяющих возникнуть жизни на Земле, ученые называют жизнепригодностью. Она определяется массой планеты, ее составом, орбитальными характеристиками и параметрами звезды, вокруг которой вращается. Для того чтобы на планете Земля образовались океаны, моря, реки, озера, горы необходимо было, чтобы множество факторов сошлись в едином целом, и было «достаточным» расстояние до звезды, у которой был определенный «запас» водорода, превращающийся в гелий.
ВОДА. Жизнь невозможна без воды. На планете Земля оказалась вода первичного океана со всеми необходимыми для появления жизни химическими веществами. В эволюции геологических систем планеты вода непрерывно растворяет горные породы, накапливает в себе химические элементы, формирует новые связи между ними. Вода «обеспечивает» единство неживого и живого. (В.И. Вернадский) О появлении воды на Земле существует две гипотезы. Первая состоит в том, что соединения водорода с кислородом накапливались в период остывающей горячей планеты. Вторая состоит в том, что вода может иметь не планетное происхождение. Вода обнаружена в виде спектральных линий излучения Солнца и с ним попадала на Землю. Молекулы воды находятся во внутреннем пространстве «нашей» звезды. Возможно, вода попадала на Землю при бомбардировке триллионами ядер комет на 80 % состоящих из воды. На Земле вода находится в жидком, твердом, газообразном, ионном состоянии. Обнаружилось и пятое ее состояние – канальное: нейтронного рассеяния в условиях ограниченной среды (расстояний ядра атома), использования энергии связей.
Вода выступает катализатором многих химических реакций. Химическая активность воды удивительна. Зарождение жизни, возможно, произошло в бескислородной водной среде. Кислород из-за высокой окислительной способности первоначально был ядовит для протоорганизмов, у которых отсутствовали защитные биохимические системы. Протоорганизмы по способу питания являлись гетеротрофами, использовали в пищу органические соединения абиотического происхождения водоемов раннего археозоя (первичного химического бульона) океанских лагун. В них и произошел 3.7 млрд. лет назад переход усложняющихся аминокислот в органеллы – цианобактерии. (Их «родственниками» являются сине-зеленые водоросли.) Цианобактерии были способны к фотосинтезу – усвоению энергии солнечного света для «своих» химических реакций, в процессе которых часть воды разлагается и выделяет в атмосферу кислород. Это радикально изменило содержание химического состава земной атмосферы и позволило жизни довольно быстро распространяться по всей поверхности планеты.
Вода – составная часть живых организмов. Любой живой организм содержит не менее 60 – 65 % воды, а у некоторых организмов воды 98%. Человеческий организм на 70 % состоит из воды, и она содержится во всех его 100 миллиардах клеток. Все его ткани насыщены водой. Ее в коже 65 %, в мышцах 60 %, в головном мозгу 71%. Даже кости наполовину состоят из воды. Поэтому человека можно считать рожденным водной планетой? При весе в 70 кг организм человека состоит из 44 кг кислорода, 14 кг углерода, 7 кг водорода, 2 кг азота. В нем 1 кг кальция, 700 г фосфора, 170 г калия, 140 г серы, по 70 г натрия и хлора, 30 г магния, 3 г железа, а также менее 1 г меди, марганца, йода и других веществ. В течение 5 – 7 лет происходит смена всех атомов человеческого организма.
УГЛЕРОД – фундамент живого организма. Земные организмы основаны на углероде. Атомы углерода могут формировать сразу четыре связи и образовывать цепочки и кольца, что объясняет разнообразие органических молекул. Они «просты» у предбиологических образований. Связи усложняются у вирусов, у бактерий, которые преобладали на планете первые 3 млрд. лет и были на ней единственными живыми организмами. Существует несколько конкурирующих вариантов понимания начала биологического развития. Проблемой остаются «начальные» истоки, неизвестны условия, невозвратимо исчезнувшие на планете миллиарды лет назад, когда произошло «оживление» сложных химических образований – органел. Признаются две стадии в возникновении жизни. Первая: химическая эволюция через биохимическое реакции привела органическое вещество к живой клетке. (Автотрофные образования создают органическое вещество из неорганического вещества.) Вторая: неизвестно как возникла «первая» живая клетка, но ее потомки развиваются в разных направлениях, порождая многообразие жизни на Земле. Жизнь – самосохраняющиеся и самовоспроизводящиеся химические процессы органического вещества. Происходило усложнение и упорядоченность молекул и атомов неорганической материи. Принцип дифференциации выразился в образовании новых видов жизни и в освоении ими различных экологических ниш. Для каждого элемента периодической системы существует «свой» вид бактерий, химически преобразующий его. Бактерии генерировали энергию, ассимилировали неорганическую среду и углерод. Переход от неживого к живому облегчался тем, что в одном и том же химическом бульоне одновременно появился комплекс химических молекул (системы доклеточного уровня – нуклеиновые кислоты и др.) белки с углеродистыми скелетами, присоединяющие химические элементы, нужные для жизни.
В эволюционной химии изучаются молекулярные ансамбли, высокоорганизованные надмолекулярные структуры со способностью молекулярного распознавания химической информации, селективным связыванием, взаимодействием рецепт – субстрат, молекулярным катализом, трансмембранным переносом. Это приводит их к самоорганизации, программированию самосборки в ходе становления биологических объектов. Примером этого являются ключевые для жизни белковые структуры.
ПРЕВРАЩЕНИЕ НЕЖИВОГО ВЕЩЕСТВА В ЖИВОЕ СУЩЕСТВО. Теория биохимической эволюции строится на идее возникновения органического вещества из неорганического вещества и усложнении его самоорганизации в переходе в живой организм. «Живые системы не являются живыми ниже молекулярного уровня» (Н. Винер) По В.И. Вернадскому появление жизни – результат целостного эволюционного процесса физических, геохимических, биологических изменений в ходе космической эволюции. Жизнь – это вечная смена. Этим она отличается от всего неживого. Но и в неживом веществе – вечная смена, но с иным ритмом, масштабом, временем изменений и последствий.
Проблема процесса оживления косной материи не решена. К ее решению приближает гипотеза предбиологической эволюции соединений на углеродной основе, заложенной в структуре атомов. Многообразие молекул (состоящих из атомов) восходят к одной общей для них форме. Степень различия между двумя молекулами показывает их «удаление» от своего общего «предка» в процессе эволюции. Английский биолог и химик Руперт Шелдрейк в книге «Новая наука жизни» (1986 г.) высказал убеждение, что жизнь не может быть сведена к химическим реакциям сложных молекул, а живые организмы – это не просто сложные биологические машины. Формы, развитие и поведение организмов определяются «морфологическими полями», которые в настоящее время не могут быть обнаружены на Земле – слишком изменились на ней условия физические, химические и прабиологические.
КАТАЛИЗАТОР – ПОСРЕДНИК. Катализ играл большую роль в переходе химических систем в биологические, «поддерживая» поступление новых и удаление использованных химических реагентов при самоорганизации открытых систем. Катализатор обладает созидательным потенциалом. (Некоторые вещества могут быть и замедлителем, тормозом изменения.) М.И. Штеренберг разделяет гипотезу саморазвития катализаторов в неживой природе. Он полагает, что свойства, считающиеся спецификой жизни, существуют в неживой природе, такие как матрицирование через образование спиралей подобных ДНК, неорганических катализаторов и коротких пептидов – аминокислотных цепочек, способных к матрицированию пептидно – нуклеатидных комплексов. Эти состояния – моменты перехода неживого к живому. На основе катализа дается теоретическое обоснование самым общим представлениям об условиях, возможности, направленности и причинах химической добиологической эволюции. (512. 28) Теория эволюционного катализа описывает саморазвитие открытых каталических систем и приводит к выводу, что возникновение жизни является естественным результатом и продуктом химической эволюции каталических систем. Каталические реакции – это важнейшие процессы химии живого. В современных клетках они управляют ферментами, но на ранних стадиях эволюции сложных молекул еще не существовало. Их появление привело к быстрому росту молекулярной сложности, поскольку они служат связующим звеном, посредником между разными реакциями, образуя химические цепи. В них вступают в силу законы нелинейной динамики. Каталические реакции значительно увеличили число случайных событий, что привело к развертыванию полномасштабной дарвинской конкуренции за выживание, постоянно подталкивающей протоклетки к увеличению сложности, удалению от равновесия и, в конце концов, к переходу к жизни.
Этапы эволюции биохимических систем А.В. Рыжков связывает с катализом:
1. на ранних стадиях катализ отсутствует. Высокие температуры и радиация дают энергию, необходимую для активизации химических взаимодействий;
2. при температуре менее 5000 К происходят первые проявления катализа. Далее роль катализаторов возрастает по мере того, как природные условия становились все менее экстремальными. Но общее значение катализа вплоть до образования достаточно сложных органических молекул еще не может быть высоким;
3. после достижения некоторого набора неорганических и органических соединений, роль катализа начинает резко возрастать. Набор активных соединений происходит в природе из тех продуктов, которые получились с относительно большим числом химических путей и обладали широким каталистическим спектром;
4. в ходе дальнейшей эволюции сохранялись структуры, способствующие резкому повышению активности и селективности действия каталистических групп;
5. следующим моментом, описывающим химические и биологические линии эволюции, является развитие полимерных структур типа РНК и ДНК, каталических матриц, на которых осуществляется воспроизведение себе подобных структур. (372. 21)
БЕЛКИ. При определенных условиях на планете жизнь возникала «оживлением» добелковых, допротеиновых форм химического вещества. Химический процесс самосовершенствующихся в самоорганизующихся «оживающих» аминокислот привел к появлению органических веществ, а вслед за этим к превращению неживого белкового вещества в живой организм. Тепловой фон, создаваемый под воздействием красного и инфракрасного излучения Солнца, воздействовал на химические процессы усложнения – возникновения живых белков – «первоначал» и основ жизни. Прямые и обратные связи белков со средой обеспечивали эволюционные сдвиги в их структуре. «Жизнь – способ существования белковых тел». (Ф. Энгельс)
Молекула белка состоит из сотни аминокислотных «остатков» в виде 10 в 130 степени различных последовательностей 20 типов аминокислот. Простым (цельным, не составным) считается то, что неразложимо на части, на элементы. Но имеется ли в природе что-то простое, и так ли «просты» самые простейшие? Такой (простейший) организм как кишечная палочка (вид бактерии) через каждые 20 минут «разделяется» надвое и производит белок со скоростью 1000 молекул в секунду. Молекула белка состоит приблизительно из 1000 аминокислот, определенным образом располагающихся в пространстве молекулярной конструкции. Бактерия перерабатывает не менее 1000 битов информации в секунду, «берет» нужный ей строительный материал из окружающей среды.
Диапазон физико – географических сред, в которых могли появиться на Земле первые живые организмы, достаточно велик – от наземных условий с восстановительной или нейтральной атмосферой через прибрежную, приливно – отливную зону с ее теплыми водами «первичных» океанов до относительно глубоководных горячих гидро терм. Биологи – эволюционисты исходят из идеи самопроизвольного возникновения «живого» химического вещества на первобытной Земле. Они предполагают, что истоки жизни возникали в неустойчивом, сложном по химическому составу, киселеобразном растворе («бульоне») разнородного неорганического материала, где образуются сложные углеводородные молекулы, из которых в ходе их преобразования возникают простейшие организмы. (Следов, «остатков» первичного «бульона» не обнаружено.) В наше время на дне океана, в районе разломов, где из недр планеты выбрасывается раскаленная магма, на глубине тысяч метров обнаружены микроорганизмы. Выясняется влияние магмы Земли на появление химических веществ, склонных к цепным реакциям, прямым и обратным связям.
Мировая наука не отвергает концепцию А.И. Опарина, что при определенных условиях в водной среде создались благоприятные условия для образования углеродистых соединений. Водная оболочка органических молекул отделяла их от окружающего раствора. При этом разнообразные молекулы объединялись или просто перемешивались, образуя особые комплексы. Их усложнение привело к появлению коацерватов – мельчайших коллоидальных соединений – капсул, обогащаемых растворенными веществами. Эти комплексы были способны поглощать другие молекулы и в том числе катализаторы. Коацерваты могли увеличиваться (расти), дробиться на части (размножаться), осуществлять обмен молекулами со средой. Далее проявил себя естественный отбор. Коацерваты послужили исходной матрицей для последующего образования белковых соединений клетки. В 1953 г. биохимики С. Миллер и Г. Юри доказали, что один из кирпичиков жизни – аминокислоты могут быть получены путем пропускания электрического разряда через воду, в которой растворены газы «первобытной» атмосферы Земли (метан, аммиак и водород). В 2003 г. были повторены эти опыты и получены те же результаты. Таким образом, научная теория зарождения жизни на Земле отводит разряду молний основополагающую роль в преобразовании косного вещества в «живое» вещество. При пропускании коротких импульсов электрического тока в оболочке (мембране) бактерий появляются поры, через которые внутрь бактерий могут проходить фрагменты ДНК других бактерий, запуская один из механизмов эволюции живого.
Процесс возникновения и развития жизни проходил на основе объективных физико-химических законов. Предположительно выделяют следующие этапы:
1. синтез низкомолекулярных органических соединений из газов первичной атмосферы планеты;
2. полимеризация мономеров с образованием цепей белков и нуклеиновых кислот;
3. образование фазово-обособленных систем органических веществ, отделенных от внешней среды мембранами;
4. возникновение простейших клеток, обладающих свойствами живого, репродуктивным аппаратом, гарантирующим передачу дочерним клеткам химических и метаболических свойств родительских клеток.
Три первых этапа химической предбиологической эволюции сменяются четвертым – биологическим. Жизнь, согласно сегодняшним представлениям, возникает как следствие самоорганизации и усложнения материи. На предбиологическом этапе возникает углерод, способный вступать в соединения с самим собой. Образуются молекулы – базовые химические компоненты жизни: протеины – аминокислоты (белки) как составные части будущей клетки и нуклеиновые кислоты, содержащие в себе программу жизни и передающие генетическую информацию из поколения в поколение. Концепция эволюции биосферы на планете Земля включает этапы: 1) восстановительный, когда гетерографы накапливают органические соединений в водах первичного океана. 2) слабоокислительный – появление фотосинтеза и атмосферы. 3) появление организмов с кислородным дыханием.
Первоначальное молекулярное устройство клеток было простым, сходным с короткими белками без спиральных доменов как у термофилов. (Термофилы существуют в кратерах вулканов, в гейзерах, кипящих под давлением в несколько атмосфер и при температуре 180 градусов по Цельсию.) В наше время половина живых клеток на Земле – это клетки бактерий – живого «углерода».
КЛЕТКА – живая система «биологических» молекул, в которой идет сложный процесс самоорганизации химического (неживого «живого») вещества и аминокислот. Система клетки несравненно сложнее предбиологических образований. Она – симбиоз сосуществования органического и неорганического вещества, в ней локализуется синтез органических соединений. Она защищается от влияния окружающей среды и непосредственно взаимодействует с ней, извлекая из нее все необходимые химические элементы для органического синтеза. Зарождение жизни – абиогенез – опирается на две константы. Первая исходит из того, что клетка – элементарный живой организм, способный к самостоятельной жизнедеятельности. Вторая заключается в признании наличия базовой первоначальной биосферы – одноклеточных организмов самых разных видов и подвидов, у которых возникает существенный для жизни информационный фактор – раздражимость, саморегуляция и взаимодействие между организмами, организмами и средой. Колонии одноклеточных организмов при всем видовом разнообразии возникли с единым генетическим кодом 3 млрд. лет назад.
Предполагается, что все живые организмы происходят от одной единственной формы жизни, от которой они в той или иной степени унаследовали ряд признаков.
В «ничтожном» пространстве клетки скрыты основные характеристики живого: ресурсы наследственной информации, возможность структурной и функциональной самоорганизации, неуемная «жажда» активности, размножения и распространения. Сущность работы живой клетки сводится к механизму превращения химической формы движения материи в биологическую форму. В клетке одновременно осуществляются сотни и тысячи химических преобразований. Клетки состоят из одних и тех же химических элементов, которые образуют полисахариды, липиды, протеины, нуклеиновые кислоты и прочие важнейшие биовещества. Во всех клетках идут процессы с участием органелл. В клетках на атомарном уровне физические механизмы превращают энергию внешней среды в полезную для жизни работу. У всех клеток единый язык генетического кода. Ядро клетки хранит информацию о строении всего организма. Неопровержимым доказательством единства жизни служат сходные функции различных организмов, вызванные одними последовательностями аминокислот в протеинах, а также порядком нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Клетка – живая система, присущая растительному и животному мирам. Открытием клетки выявилось единство всего живого. 1 млрд. лет назад произошло разделение организмов на растения и животных по структуре и росту клеток.
Примитивные и недифференцированные клетки флуктационно отличались друг от друга. В них появились триггеры – биологические агенты, запускающие биолюменинсцентную реакцию. Продолжается изучение активаторов реакций в клетке. «Живые» органические молекулы производят как бы постоянное квантово – механическое «измерение» своего непосредственного будущего (в долях секунды) – своих ближайших (по времени) взаимодействий со всеми пространственными соседями. Но этого мига оказывалось вполне достаточно: за многие миллионы лет эволюции биологические системы сумели «надстроить» над этим простейшим молекулярным уровнем квантовых взаимодействий с «будущим» такую сложную и разветвленную систему других более высоких уровней организации живой материи, что это «измерение будущего» приобрело макроскопические размеры. В клетке идут процессы волновых коммуникаций. Открыт лизосом – он в клетке отвечает за разрушение и обновление ее состава.
Самопроизвольное зарождение жизни на планете Земля ознаменовалось возникновением клеточной организации – протокариот (микроорганизмов, приспособленных к самым разнообразным условиям существования), живущих первоначально на основе брожения и ассимиляции энергий абиогенных органических соединений. Им предшествовали вирусы – «простейшие» белковые, среди них возникли переходные виды от вещества к «существу». Вирусы – микроорганизмы, являющиеся и в наше время хозяевами на планете Земля. Они образуют биопленки – консорциумы, где вирусы ведут себя иначе, чем вне консорциумов. Поведение всех членов биопленки – единой генетической системы коллективного реагирования – результат эволюции. (Грибница высших грибов – комплекс биопленок в почве, без которых микроорганизмы не могут существовать.) До сих пор ученые не могут решить: вирусы – это живые существа или неживые объекты. Лауреат Нобелевской премии Уанделл Мередит Стенли отмечал, что в клетке вирус ведет себя как живое существо, а вне клетки он мертв как камень. Вирусы не обладают собственным обменом веществ, имеют очень ограниченное число ферментов. Для размножения они используют обмен веществ в клетке, ее ферменты и энергию. Вирусы ведут себя как внутриклеточные паразиты и не могут размножаться вне клеток тех организмов, в которых паразитируют. На молекулярном уровне фундаментальная роль в саморегуляции живого принадлежит регуляторным пептидам. Как микроорганизмы вирусы представляют собой фрагменты РНК и ДНК в белковой оболочке. Между крупными вирусами и бактериями находится промежуточное звено – каменные бактерии овоидной и призматической формы размером 0,2 – 0,5 микрон. Они покрыты каменной оболочкой карбона-апатита, обеспечивающей защиту от неблагоприятного влияния среды обитания. Эти бактерии «ответственны», например, за коррозию металлов.
Гигантский шаг на пути эволюции природы был связан с появлением основных биохимических процессов жизнедеятельности – фотосинтеза, дыхания, образования клеточной организации. Эти фундаментальные новшества, появившиеся еще на ранних этапах эволюции, оказались настолько удачными, что в основных чертах сохранились на всем протяжении последующего развития органического мира. Простейшая протоклетка питалась готовой органикой среды. Ее мембрана росла за счет включения подходящих молекул из внешней среды. В ходе эволюции структурно сложные виды не замещают более простые, а «вырастают» из них и «надстраиваются» над ними. Современная биота планеты Земля в одном синхронном срезе имеет весь спектр сложности организации Живого – от прокариотов до человека. Живой организм состоит из макромолекул – атомных компонентов, связанных между собой в длинные цепи. Свойства их зависят от характера «цепи» и от взаимодействий молекул друг с другом. Органоиды состоят из макромолекул и образуют ткани живых организмов. Макромир существует на основе микромира и не может от него обособиться.
А.Д. Королев в современной картине мира выделяет место виртуальной форме жизни. Он пишет, что виртуальная форма жизни не локализована в пространстве, не воспринимается, но определяет будущее организма. Она определяет цели экспансии, делает общение между организмами возможным, и сама актуализируется только при взаимодействии организмов друг с другом. Латентная форма жизни в отличие от виртуальной при достижении порога чувствительности потенциально доступна для восприятия. Она не определяет цель, а служит лишь для ее достижения. Восприятие копий не ведет к актуализации латентной формы жизни, поэтому особое внимание следует уделять непосредственному общению с природой и людьми. (201. 108) Виртуальная форма жизни опирается на такие активные «начала» как ферменты.
ФЕРМЕНТ. ЕГО ВИРТУАЛЬНОСТЬ КАК ПОСРЕДНИКА. Биохимики изучают ферменты – посредников в химических реакциях как биокатализаторов (белков с большими и сложными молекулами), ускоряющих химические реакции в организме. Иногда одна молекула фермента «способна» вызвать химические превращения тысяч молекул в секунду. Предполагают, что биологический катализатор действует как направляющая сила изменений. Живые клетки улавливают, сохраняют и передают энергию, заключенную в молекулах аденозантрафосфата (АТР), которые служат главным переносчиком химической энергии в клетках всех живых организмов. Клетка использует химическую энергию для процессов роста и биосинтеза своих компонентов, осматического переноса питательных веществ через мембрану клетки, а также механической работы сократительного и двигательного аппаратов. Биокатализ (ферментативный катализ) определяет жизнь на субклеточном (молекулярном) уровне.
Созидание и разрушение веществ в живой клетке протекают в строгой последовательности с помощью фермента, у которого активна не вся белковая молекула, а только центральный участок – коэнзим, ответственный за присоединение (связывание) субстрата и его превращения, а также регуляторные участки, расположенные по всей молекуле фермента и регулирующие его активность. Фермент «позволяет» атому в молекуле перейти из одного положения в другое и сразу готов проделать это с другой молекулой. Он имеет запас нужных ему атомов и возможность избавляться от ненужных атомов. В химической реакции фермент переносит атом водорода в своей ячейке («ящике»), высвобождает атом водорода в одной ячейке, а в другой связывает атомы. Фермент – белок, взаимодействующий с определенной молекулой клетки и «заставляющий» ее вступить в определенную химическую реакцию. Он влияет по очереди на множество молекул (расщепляя или соединяя 500 000 молекул в секунду). Фермент обслуживает сборку атомов внутри молекул. Он может ускорить реакцию в тысячи раз, и отдельная молекула фермента за секунду «обрабатывает» несколько тысяч молекул субстрата. Особенностью ферментов является организация ими «коллективных» действий. Ферментные комплексы напоминают завод, в каждом цехе которого протекают процессы, являющиеся частями единой технологии. Протеины перемещают химическое вещество в нужное место в нужное время. Каждый фермент регулирует определенную химическую реакцию благодаря определенной конфигурации своей молекулы и соответствия своего активного центра структуре субстрата. Он «распознает» только один определенный тип связи и ответственен за него.
Клетка функционирует как химическая машина только благодаря ферментам – катализаторам, способных ускорять различные химические реакции без сколько-нибудь заметного «потребления» самих ферментов. При этом растущие клетки могут одновременно синтезировать тысячи разных молекул белков и нуклеиновых кислот в таких количествах, которые требуются в текущий момент. Катализируемые ферментами метаболические реакции точно отрегулированы и производят лишь столько простых молекул разных видов, сколько необходимо для сборки строго заданного числа молекул нуклеиновых кислот, белков, липидов, полисахаров нужного вида. Более того, живые клетки способны регулировать синтез собственных катализаторов – ферментов. РНК, оставаясь, прежде всего информационной молекулой, способной к репродукции, выступает в качестве катализатора. Некоторые ферменты постоянно помогают добавлять молекулы. Другие удаляют молекулы, посылают их по разным путям метаболизма. Они транспортируют молекулы через клеточные мембраны, перемещают их между разными отделами клетки. ДНК могут передавать наследственную информацию только при наличии целого комплекса конструктивных материалов и специфических белковых молекул – ферментов. Биологи подчеркивают, что каждый организм непрерывно обновляет в себе вещества. В процессах метаболизма ферменты приводят молекулы в возбужденное состояние. Только возбужденные молекулы могут вступать в те реакции, которые делают живое живым, способным к развитию и поведению. Сами ферменты и катализаторы после реакции остаются в «прежнем» виде. Они не входят в состав продуктов реакции, а после нее их количество остается прежним. В ходе реакции их структура может временно измениться ввиду образования промежуточных соединений с субстратом. Отмечают, что ферменты и катализаторы не являются инициаторами реакции. Они ускоряют только те реакции, которые могут протекать самопроизвольно, но медленно. Ферменты не сдвигают химическое равновесие в обратимых реакциях, но способствуют его более быстрому достижению.
Процесс обмена веществ (метаболизм – «кипение» в обменном котле при сравнительно низкой температуре около +37 градусов по Цельсию) осуществляется при участии ферментов – белков, способствующих протеканию биохимических реакций. В клетке растений идут четыре реакции:
ферментационная – с побочным эффектом выделения углекислого газа,
гексомонофосфатная – с выделением водорода и углекислого газа и метаболического расщепления воды в физиологическом процессе, дающем клетке необходимую ей энергию,
фотофосфорилирования – с непосредственным использованием солнечной энергии для выработки фосфатов (и пигментов – хлорофиллов),
фотосинтеза – с поглощением солнечного света для синтеза глюкозы и выделением побочного продукта – кислорода.
Фотосинтез – поглощение двуокиси углерода из воздуха и использование солнечной энергии для превращения в углероды (крахмалы, сахара) происходит при помощи хлорофилла. Схема фотосинтеза: 6 СО
+ 6 Н
О + 674 кал, солнечный свет > С6 Н 12 О
+ 6 О
.
Живые системы можно сравнить с хорошо налаженным фабричным производством многочисленных химических превращений. Они великолепные пространственно временные организации с весьма неравномерным распределением биохимического материала. В них одни химические реакции «плавно» протекают в слабо неравновесных условиях, другие происходят «бурно». В ферментативных реакциях, связанных с работой генетического аппарата, выявлена роль магния. Магний молекулы хлорофилла в фотосинтезе участвует в трансформации световой энергии в химический потенциал растительной клетки. Магнием активируемые ферменты обеспечивают транскрипцию, трансляцию и репликацию генетического кода. Магний стимулирует, поддерживает геометрическую структуру двойной спирали ДНК, третичной структуры Т-РНК, влияет на каталитическую реакцию активности белка. Железо в молекуле гемоглобина определяет каталитическую активность фермента при связывании кислорода. Магний и железо как части каталитической активности центра фермента поддерживают геометрическую форму центра и пространственную ориентацию молекулы субстрата по отношению к активному центру. Это определяется электронной структурой атома металла, входящего в активный центр и его связью с атомами центра своими электронными орбитами. Магний и железо воздействуют на молекулу субстрата, изменяя ее электронную структуру таким образом, что она легче вступает в ферментативную реакцию. Они связывают фермент и субстрат при образовании ими промежуточного соединения, и стабилизирует это промежуточное соединение. Металлы, «цементируя» топологию фермента, не участвуют в поглощении радиации пигментными молекулами. (272. 526, 527) Химики создают энерго стимулирующие лекарства. Они собирают наноконтейнеры – «умные» молекулы с 8 ионами магния. Молекулы переносят к сосудам сердечной мышцы весь 25 Mg, который активирует сердце, когда среда становится кислой. При норме состояния сердечной мышцы эти ионы магния «дремлют».
ХЛОРОФИЛЛ И ГЕМОГЛОБИН – ПОСРЕДНИКИ. Хлорофилл (сложные эфирдискарбиновые кислоты) по химическому составу содержат С, О, Н, N, S, Fe, Cu, Z и др. Запись структурной формулы хлорофилла занимает целую страницу и предстает головастиком с плоской квадратной головой (хлорофилли) и длиннющим хвостом. В центре головы, словно глаз циклопа или алмаз в царской короне красуется атом магния. (Если в нем атом железа, то зеленый цвет растения меняется на красный цвет.) К. Тимирязев называл хлорофилл посредником между Солнцем и жизнью на нашей планете. Зеленое зерно хлорофилла – фокус, точка в мировом пространстве, в которую с одного конца втекает энергия Солнца, а с другого конца берут начало все проявления растительной жизни на Земле. Б.М. Козр – Поляновский в 20-е годы XX века вообще предложил считать хлорофилл отдельной жизнью, состоящей в симбиозе с растениями. Хлорофилл своими пластидами врастает в клетку, причем пластиды размножаются самостоятельно, а не от клетки. Хлорофилл – незаменимый первичный преобразователь самой низкоэнтропийной в природе энергии (силы взаимодействия) красных волн Солнца в полноценную (для животных и человека) растительную пищу. Он – антенна для уловления квантов света, который влияет на все биохимические процессы в организме человека. Химическая формула гемоглобина – красного пигмента крови и переносчика кислорода – практически аналогична формуле хлорофилла. (Еще один показатель близости растений и животных.) Этим тождеством природа показывает свое единство и необходимость человеку употреблять зеленые растения (содержащие хлорофилл) для укрепления здоровья. Клетки, которые «научились» фотосинтезу, стали превращаться в растения. Клетки, оказавшиеся неспособными к фотосинтезу, стали поедать растения и превратились в клетки животных. Между двумя «царствами» – растений и животных возникали переходные звенья, обладающее свойствами обоих. Например, эвглена зеленая двигается как животное, а питается как растение. Росянка – растение, а питается насекомыми. Предполагается, что в ходе эволюции существовали многие промежуточные переходные формы живых организмов. Они в основном утрачены, а сохранившиеся недостаточно изучены. Тайна воздействия промежуточных форм на возникновение новых форм остается не раскрытой, как и их виртуальность.
БИОСФЕРНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ. Возникновение жизни – скачок в эволюции материи, естественный этап ее развития, и Землю нельзя считать единственным космическим телом, на котором зародилась жизнь. Биосфера Земли – естественный результат биохимических изменений и включает «живое вещество» организмов. Их материальные и энергические составляющие находятся в непрерывном изменении. В состав биосферы входит косное неживое вещество (вода, атмосферные газы, горные породы), живые организмы, различающееся по своему генезису и строению. Третьим элементом биосферы являются косно – живые структуры (почвы, илы, поверхностные воды). Возникает подвижное равновесие взаимообмена и взаимовоздействия всех составляющих биосферы.
Биосферная эволюция неразрывно связана с планетарными процессами на Земле. Эпигенетическая теория эволюции исходит из возможности генетической ассимиляции модификаций, вызванных изменениями среды. Жизнь клеток формировала окружающую среду и самих себя, – писал В.И. Вернадский. Анаэробы способствовали появлению первых одноклеточных организмов фотосинтезирующих сине-зеленых водорослей, благодаря метаболизму которых в атмосфере возник свободный кислород. Присутствие свободного кислорода в атмосфере сделало возможным использование его в качестве высоко эффективного акцептора электронов в аэробном метаболизме и помогало развитию сложных зукариотических организмов – аэробов. Они были вынуждены уйти в ниши, где свободный кислород отсутствует. Эта особенность последовательной организации материи фиксирует время и направление преобразований. Жизнь на нашей планете зародилась 3,7 миллиарда лет тому назад. 800 млн. т.н. возникли одноклеточные организмы. Позднее появились многоклеточные. 550 млн. лет тому назад у организмов возникли твердый покров и скелет. 300 млн. лет появились рыбы. 65 млн. лет тому назад вымерли динозавры. 8 млн. т.н. появился общий предок человека и шимпанзе. Существовали промежуточные виды организмов в «переходах» от растений к животным. Полипы – промежуточные существа между растениями и животными. Грибы имеют свойства растения и животного. Переходные звенья имеются внутри отдельных видов животных и растений.
Эволюцию растений можно представить в виде движения реки, разделившейся на многочисленные протоки, то быстрые и стремительные, то медленные, суживающиеся и исчезающие или оставляющие старицы. При этом подобно тому, как в протоках и разветвлениях настоящей реки постоянно изменяются и количество уносимой воды, и быстрота ее движения, так изменялись и формы растений великой реки жизни: одни изменялись быстро, другие, надолго оставаясь почти без изменений. Возникновению новых типов и классов животных предшествовало появление новых классов высших растений, то есть в растительном царстве происходила как бы подготовка к жизнеобеспечению нового типа животных. Или иначе: изменение растительного мира «вело» к изменениям животного мира. Биологическая эволюция связана с изменением среды обитания вида. Изменение среды в наши дни на планете происходит настолько быстро, что исчезают многие виды. Геологические и палеонтологические исследования выявили, что отдельные виды растений и животных появлялись внезапно, сохраняли свои первоначальные структуры миллионы лет и исчезали, не перейдя в «следующий» вид. Причиной их исчезновения выступали резкие изменения среды существования (вулканическая деятельность на дне океанов и на суше, оледенение, землетрясения, засухи, эпидемии и т.д.). «Исчезновение» видов происходило с сокращением интервалов времени: 650 млн., 440 млн., 380 млн., 251 млн., 210 млн., 65 млн., 35 млн. и 10 тысяч лет тому назад. Английские и американские ученые пришли к выводу, что самая масштабная катастрофа на Земле произошла 251 млн. лет назад и привела к исчезновению 90% видов животных и растений. Катастрофа поставила точку в существовании одних видов и открыла путь для жизни других. Но до сих пор на Земле существуют стабильные формы, сохранившиеся без изменений многие миллионы лет, а некоторым микроорганизмам уже 2 млрд. лет. Приходится учитывать и тот факт, что 99,9 % ранее существовавших видов вымерло, и причины имеющегося разнообразия существующих видов определяются случайностью сложных взаимодействий. Есть основания полагать, что массовая смена видов могла произойти независимо от катастроф, которые как бы совпадают со временем, когда подготовлены все стимулы для скачка эволюции. «Знаете, как бывает: очень долго вызревает революционная ситуация, складывается по внутренним причинам потребность в изменении. А потом какой-то, пусть и незначительный, факт запускает механизм преобразования. Одни вымирают, но на их место приходят другие», – считает доктор биологических наук А. Пономаренко.
Проблема возникновения жизни остается не решенной. Живой организм существует по своим биологически законам, выступает структурой, осваивающей внешний мир, вступает в разнообразные взаимодействия с ним и другими организмами. Процесс органической эволюции предстает как: а) синтез органических соединений, б) синтез полимеров, в) развитие каталических функций у прабелковых и белковых молекул, г) самосборка микромолекул и образование мембран, д) организация и функционирование прокариотов, е) развитие эукариотов, ж) функционирование многоклеточных организмов, з) эволюция функций животных, и) антропосоциогенез. Жизнь определяют как прохождение моментов изменения состояний организмов: рождение, созревание, размножение, смерть. Выделяют внутренние свойства, качественные отличия (обмен веществ, идущих на физическом, химическом, механическом основании), выявляют генетические свойства наследственности (сохранение и передача сообщений, записанных в хромосомах «химическим алфавитом»).
ЧТО ОПРЕДЕЛЯЛО ХОД ЭВОЛЮЦИИ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ?
К 1859 году с появлением книги Ч. Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь» идеи эволюции оказались в центре внимания ученых и общественности. Дарвин рассматривал влияние окружающей среды на изменения организма, считал, что в основе биологического развития лежат случайные наследуемые вариации, постоянно проявляющиеся у отдельных особей и выступающие источником изменения вида. В книгах Дарвина нет гипотезы возникновения флоры и фауны на планете Земля, нет анализа эволюционных изменений организмов.
