Научная революция

1. Третья научная революция. Диалектизация естествознания

Начало процессу стихийной диалектизации естественных наук, составившему суть третьей революции в естествознании, положила работа немецкого ученого и философа Иммануила Канта (1724-1804) «Всеобщая естественная история и теория неба». В этом труде, опубликованном в 1755 году, была сделана попытка исторического объяснения происхождения Солнечной системы.

Гипотезу Канта принято именовать небулярной (от лат. nebula - туман) поскольку в ней утверждалось, что Солнце, планеты и их спутники возникли из некоторой первоначальной, бесформенной туманной массы, некогда равномерно заполнявшей мировое пространство. Кант пытался объяснить процесс возникновения Солнечной системы действием сил притяжения, которые присущи частицам материи, составлявшим эту огромную туманность. Под влиянием притяжения из этих частиц образовывались отдельные скопления, сгущения, становившиеся центрами притяжения. Из одного такого крупного центра притяжения образовалось Солнце, вокруг него расположились частицы в виде туманностей, которые начали двигаться по кругу. В круговых туманностях образовались зародыши планет, которые начали вращаться также вокруг своей оси. Солнце и планеты сначала разогрелись вследствие трения слагающих их частиц, затем начали остывать.

Хотя Кант в своей работе опирался на классическую механику ХVII века (подзаголовок его труда гласил: «Опыт об устройстве и механическом происхождении всего мироздания на основании ньютоновских законов»), он сумел создать развивающуюся картину мира, которая не соответствовала философии Ньютона, враждебной эволюции. Идеи Канта о возникновении и развитии небесных тел были несомненным завоеванием науки середины ХVШ века. Его космогоническая гипотеза пробила первую брешь в метафизическом взгляде на мир.

Однако научная общественность того времени не обратила должного внимания на гениальную идею Канта (тогда еще 30-летнего приват-доцента из Кенигсберга). Его труд, опубликованный первоначально без указания имени автора, дошел до публики в очень малом числе экземпляров (из-за банкротства издателя) и оставался практически неизвестным до конца XVIII века.

Более сорока лет спустя французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас (1749-1827), совершенно независимо от Канта и двигаясь своим путем, высказал идеи, развивавшие и дополнявшие кантовское космогоническое учение. В своем труде «Изложение системы мира», опубликованном в 1796 году, Лаплас предположил, что первоначально вокруг Солнца существовала газовая масса, нечто вроде атмосферы. Эта «атмосфера» была так велика, что простиралась за орбиты всех планет. Вся эта масса вращалась вместе с Солнцем (о причине вращения Лаплас не говорил). Затем, вследствие охлаждения, в плоскости солнечного экватора образовались газовые кольца, которые распались на несколько сфероидальных частей - зародышей будущих планет, вращающихся по направлению своего обращения вокруг Солнца. При дальнейшем охлаждении внутри каждой такой части образовалось ядро, и планеты перешли из газообразного в жидкое состояние, а затем начали затвердевать с поверхности.

Имена создателей двух рассмотренных гипотез были объединены, а сами гипотезы довольно долго (почти столетие) просуществовали в науке в обобщенном виде -- как космогоническая гипотеза Канта-Лапласа.

В XIX веке диалектическая идея развития распространилась на широкие области естествознания, в первую очередь на геологию и биологию.

В первой половине XIX века происходила острая борьба двух концепций - катастрофизма и эволюционизма, которые по-разному объясняли историю нашей планеты. Уровень развития науки этого периода делал уже невозможным сочетать библейское учение о кратковременности истории Земли с накопленными данными о смене геологических формаций и смене фаун, ископаемые остатки которых находились в земных слоях. Это несоответствие некоторые ученые пытались объяснить идеей о катастрофах, которые время от времени случались на нашей планете.

Именно такое объяснение было предложено французским естествоиспытателем Жоржем Кювье (1769-1832). В своей работе «Рассуждения о переворотах на поверхности Земли», опубликованной в 1812 году, Кювье утверждал, что каждый период в истории Земли завершался мировой катастрофой - поднятием и опусканием материков, наводнениями, разрывами слоев и т. д. В результате этих катастроф гибли животные и растения, и в новых условиях появились новые их виды. Поэтому, считал Кювье, современные геологические условия и представители живой природы совершенно не похожи на то, что было прежде. Причины катастроф и возникновение новых видов растительного и животного мира Кювье не объяснял.

Катастрофизму Кювье и его сторонников противостояло эволюционное учение, которое в области биологии отстаивал крупный французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк (1744-1829). В 1809 году вышла его работа «Философия зоологии». Ламарк видел в изменяющихся условиях окружающей среды движущую силу эволюции органического мира. Согласно Ламарку, изменения в окружающей среде вели к изменениям в потребностях животных, следствием чего было изменение их жизнедеятельности. В течение одного поколения, считал он, в случае перемен в функционировании того или иного органа появляются наследственные изменения в этом органе. При этом усиленное упражнение органов укрепляет их, а отсутствие упражнений - ослабляет. На этой основе возникают новые органы, а старые исчезают. Таким образом, Ламарк полагал, что приобретенные под влиянием внешней среды изменения в живых организмах становятся наследственными и служат причиной образования новых видов. Но передача по наследству этих приобретенных изменений ни Ламарком, ни кем-либо из его последователей доказана не была. Поэтому взгляды Ламарка на эволюцию живой природы не получили должного обоснования. Однако это не умаляет его заслуги как создателя первого в истории науки целостного, систематического эволюционного учения.

Для утверждения этого учения исключительно важную роль сыграл трехтомный труд «Основы геологии» английского естествоиспытателя Чарльза Лайеля (1797-1875). В этом труде, опубликованном в 1830-1833 годах, Лайель нанес сокрушительный удар по теории катастроф. Проведя анализ большого фактического материала, он показал, что все изменения, которые произошли в течение геологической истории, происходили под влиянием тех же факторов, которые действуют и в настоящее время. А потому для объяснения этих изменений совершенно не нужно прибегать к представлениям о грандиозных катастрофах. Необходимо допустить лишь очень длительный срок существования Земли.

Геологический эволюционизм оказал немалое влияние на дальнейшее совершенствование эволюционного учения в биологии. В предисловии к своей знаменитой книге «Происхождение видов в результате естественного отбора» Чарльз Роберт Дарвин (1809-1882) писал: «Тот, кто прочтет великий труд Чарльза Лайеля о принципах геологии и все-таки не усвоит, как непостижимо огромны были прошлые периоды времени, может сразу же закрыть эту книгу».

Главный труд Дарвина «Происхождение видов» был опубликован в 1859 году. В нем Дарвин, опираясь на огромный естественнонаучный материал из области палеонтологии, эмбриологии, сравнительной анатомии, географии животных и растений, изложил факты и причины биологической эволюции. Он показал, что вне саморазвития органический мир не существует и поэтому органическая эволюция не может прекратиться. Развитие - это условие существования вида, условие его приспособления к окружающей среде. Каждый вид, считал Дарвин, всегда находится на пути недостижимой гармонии с его жизненными условиями. Принципиально важной в учении Дарвина является теория естественного отбора. Согласно этой теории, виды, с их относительно целесообразной организацией возникли и возникают в результате отбора и накопления качеств, полезных для организмов в их борьбе за существование в данных условиях.

Наряду с фундаментальными работами, раскрывающими процесс эволюции, развития природы, появились новые естественнонаучные открытия, подтверждавшие наличие всеобщих связей в природе.

К числу этих открытий относится клеточная теория, созданная в 30-х годах XIX века. Ее авторами были ботаники Матиас Якоб Шлейден (1804-1881), установивший, что все растения состоят из клеток, и профессор, биолог Теодор Шванн (1810-1882), распространивший это учение на животный мир. В октябре 1838 года Шлейден и Шванн встретились и обменялись мнениями. После этого Шванн следующим образом сформулировал сделанное открытие: «Весь класс клеточных растений состоит только из клеток». Что касается животных, то их все «многообразные формы возникают также только из клеток, причем аналогичных клеткам растений». Открытием клеточного строения растений и животных была доказана связь, единство всего органического мира.

Еще более широкомасштабное единство, взаимосвязь в материальном мире были продемонстрированы благодаря открытию закона сохранения и превращения энергии. Этот закон имел значительно большую «сферу охвата», чем учение о клеточном строении животных и растений: последнее целиком и полностью принадлежит биологии, а закон сохранения и превращения энергии имеет универсальное значение, т. е. охватывает все науки о природе. К идее о превращении одной формы энергии в другую первоначально пришел немецкий врач Юлиус Роберт Майер (1814-1878) во время своего путешествия в Ост-Индию в 1840 году. Он обнаружил, что венозная кровь больных в тропиках была краснее, чем в Европе, и объяснил это явление более высоким содержанием кислорода в крови. Последнее, полагал Майер, обусловлено тем, что при высоких температурах в организме человека сгорает меньше пищи, поскольку тело в этих условиях требует меньше тепла, получаемого за счет питания. Поэтому в венозной крови остается больше кислорода. Таким образом, Майер фактически высказал мысль, что химическая энергия, содержащаяся в пище, превращается в теплоту (подобно тому, как это происходит с механической энергией мышц).

Только в 1842 году, после некоторых неудач, Майеру удалось опубликовать свою идею в статье «О количественном и качественном определении сил», а в 1845 году вышла его книга «Органическое движение в его связи с обменом веществ, вклад в естествознание». В этих работах Майер показал, что химическая, тепловая и механическая энергии могут превращаться друг в друга и являются равноценными.

Выводы Майера с недоверием были восприняты в научных кругах того времени как недостаточно обоснованные. Но опыты, проведенные одновременно и независимо от Майера английским исследователем Джеймсом Прескоттом Джоулем (1818-1889), подвели под идеи Майера прочную экспериментальную основу. Джоуль показал себя искусным и вдумчивым экспериментатором. На основе хорошо поставленного эксперимента он пришел к выводу, что теплоту можно создавать с помощью механической работы, используя магнитоэлектричество (электромагнитную индукцию), и эта теплота пропорциональна квадрату силы индуцированного тока. Вращая электромагнит индукционной машины с помощью падающего груза, Джоуль определил соотношение между работой этого груза и теплотой, выделяемой в цепи.

Результаты, полученные в экспериментах, привели Джоуля к следующему обобщенному выводу: «... Во всех случаях, когда затрачивается механическая сила, получается точное эквивалентное количество теплоты». В работе «О тепловом эффекте магниэлектричества и механическом эффекте теплоты» (1843 г.) Джоуль утверждал, что животная теплота возникает в результате химических превращений в организме, т.е. фактически делал те же выводы, к которым несколько ранее пришел Майер.

В первой половине 40-х годов XIX века и некоторые другие ученые претендовали на приоритет в открытии закона сохранения и превращения энергии. Например, в том же 1843 году датский инженер Людвиг Август Кольдинг (1815-1888) доложил в Королевском Копенгагенском обществе о результатах своих опытов по определению отношения между механической работой и теплотой, которые позволили считать его одним из сооткрывателей указанного закона.

В отстаивании данного закона и его широком признании в научном мире большую роль сыграл один из наиболее знаменитых физиков XIX века Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821-1894). Будучи, подобно Майеру, врачом, Гельмгольц так же, как и он, пришел от физиологии к закону сохранения энергии. Признавая приоритет Майера и Джоуля, Гельмгольц пошел дальше и увязал этот закон с принципом невозможности вечного двигателя. Доказательство сохранения и превращения энергии утверждало идею единства, взаимосвязанности материального мира. Вся природа отныне предстала как непрерывный процесс превращения универсального движения материи из одной формы в другую.

Свой вклад в диалектизацию естествознания внесли и некоторые открытия в химии. К числу таковых относится получение в 1828 году немецким химиком Фридрихом Вёлером (1800-1882) искусственного органического вещества - мочевины. Это открытие положило начало целому ряду синтезов органических соединений из исходных неорганических веществ. Антиметафизическая направленность формирующейся органической химии проявилась прежде всего в том, что эта отрасль науки положила начало разрушению представления об отсутствии связи, о полной независимости двух огромных сфер природы - неорганической и органической. Как отмечал Ф. Энгельс, «благодаря получению неорганическим путем таких химических соединений, которые до того времени порождались только в живом организме, было доказано, что законы химии имеют ту же силу для органических тел, как и для неорганических, и была заполнена значительная часть той якобы навеки непреодолимой пропасти между неорганической и органической природой...».

Создание в 40-х годах XIX века учения о гомологии, т. е. закономерном изменении свойств органических соединений в зависимости от их состава, также способствовало диалектизации естествознания, ибо укрепляло идею взаимосвязи и единства химических веществ.

Еще одним поистине эпохальным событием в химической науке, внесшим большой вклад в процесс диалектизации естествознания, стало открытие периодического закона химических элементов. 1 марта 1869 года выдающийся ученый-химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) разослал русским и иностранным химикам сообщение, которое он озаглавил «Опыт системы элементов, основанный на их атомном весе и химическом сходстве». В этом сообщении было изложено великое открытие Менделеева: существует закономерная связь между химическими элементами, которая заключается в том, что свойства элементов изменяются в периодической зависимости от их атомных весов. Качественные свойства элементов зависят от их количественных свойств, причем это отношение меняется периодически, скачками. Обнаружив эту закономерную связь, Менделеев расположил элементы в естественную систему, в зависимости от их родства.

В результате появилась также возможность предвидеть свойства ряда новых, еще не открытых элементов, для которых Д.И. Менделеев оставил в таблице пустые места. Первым элементом, из предсказанных Менделеевым, был элемент галлий, открытый в 1875 году. За этим последовали открытия и других элементов. В 1954 году был открыт «элемент 101», названный «менделеевиумом» в честь великого русского химика.

Из всего вышесказанного следует, что основополагающие принципы диалектики - принцип развития и принцип всеобщей взаимосвязи -- получили во второй половине XVIII и особенно в XIX веках мощное естественнонаучное обоснование.

2. Теории возникновения жизни

Теории, касающиеся возникновения Земли, да и всей Вселенной, разнообразны и далеко не достоверны. Согласно теории стационарного состояния, Вселенная существовала извечно. Согласно другим гипотезам, Вселенная возникла из сгустка нейтронов в результате Большого взрыва, родилась в одной из черных дыр или же была создана Творцом. Вопреки бытующим представлениям, наука не в состоянии опровергнуть идею о божественном сотворении первозданной Вселенной, так же как теологические взгляды не обязательно отвергают возможность того, что жизнь в процессе своего развития приобрела черты, объяснимые на основе законов природы.

Наиболее распространенными теориями возникновения жизни на Земле являются следующие:

1) жизнь была создана сверхъестественным существом в определенное время (креационизм);

2) жизнь возникала неоднократно из неживого вещества (самопроизвольное зарождение);

3) жизнь существовала всегда (теория стационарного состояния);

4) жизнь занесена на нашу планету извне (панспермия);

5) жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам (биохимическая эволюция).

2 1 Креационизм

Согласно этой теории, жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события в прошлом; ее придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений. В 1650 году архиепископ Ашер из г. Арма (Ирландия) вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н. э. и закончил свой труд 23 октября в 9 часов утра, создав человека. Ашер получил эту дату, сложив возраст всех людей, упоминающихся в библейской генеалогии, от Адама до Христа («кто кого родил»). С точки зрения арифметики, это разумно, однако при этом получается, что Адам жил в то время, когда, как показывают археологические находки, на Ближнем Востоке существовала хорошо развитая городская цивилизация.

Традиционное иудейско-христианское представление о сотворении мира, изложенное в Книге Бытия, вызывало и продолжает вызывать споры. Хотя все христиане признают, что Библия -- это завет Господа людям, по вопросу о длине «дня», упоминающегося в Книге Бытия, существуют разногласия. Некоторые считают, что мир и все населяющие его организмы были созданы за шесть дней продолжительностью по 24 часа. Они отвергают любые другие точки зрения и целиком полагаются на вдохновение, созерцание и божественное откровение. Другие христиане не относятся к Библии как к научной книге и считают, что в Книге Бытия изложено в понятной для людей всех времен форме теологическое откровение о сотворении всех живых существ всемогущим Творцом. Для них описание сотворения живых существ относится к ответу, скорее, на вопрос «почему», а не «каким образом». Если наука в поисках истины широко использует наблюдение и эксперимент, то богословие постигает истину через божественное откровение и веру.

2.2 Самопроизвольное (спонтанное) зарождение

Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала. Аристотель (384--322 гг. до н. э.), которого часто провозглашают основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения жизни. На основе собственных наблюдений он развивал эту теорию дальше, связывая все организмы в непрерывный ряд -- «лестницу природы».

«Ибо природа совершает переход от безжизненных объектов к животным с такой плавной последовательностью, поместив между ними существа, которые живут, не будучи при этом животными, что между соседними группами, благодаря их тесной близости, едва можно заметить различия» (Аристотель).

Этим утверждением Аристотель укрепил более ранние высказывания Эмпедокла об органической эволюции. Согласно гипотезе Аристотеля о спонтанном зарождении, определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Аристотель был прав, считая, что это активное начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно полагал, что оно присутствует также в солнечном свете, тине и гниющем мясе.

«Таковы факты - живое может возникать не только путем спаривания животных, но и разложением почвы. Так же обстоит дело и у растений: некоторые развиваются из семян, а другие как бы самозарождаются под действием всей природы, возникая из разлагающейся земли или определенных частей растений» (Аристотель).

С распространением христианства теория спонтанного зарождения жизни оказалась не в чести: ее признали лишь те, кто верил в колдовство и поклонялся нечистой силе, но эта идея все продолжала существовать где-то на заднем плане в течение еще многих веков.

Ван Гельмонт (1577-1644), весьма знаменитый и удачливый ученый, описал эксперимент, в котором он за три недели якобы создал мышей. Для этого нужны были грязная рубашка, темный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом в процессе зарождения мыши Гельмонт считал человеческий пот.

В 1688 году итальянский биолог и врач Франческо Реди, живший во Флоренции, подошел к проблеме возникновения жизни более строго и подверг сомнению теорию спонтанного зарождения. Реди установил, что маленькие белые червячки, появляющиеся на гниющем мясе, -- это личинки мух. Проведя ряд экспериментов, он получил данные, подтверждающие мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза).

«Убежденность была бы тщетной, если бы ее нельзя было подтвердить экспериментом. Поэтому в середине июля я взял четыре больших сосуда с широким горлом, поместил в один из них змею, в другой -- немного рыбы, в третий -- угрей из Арно, в четвертый -- кусок молочной телятины, плотно закрыл их и запечатал. Затем я поместил то же самое в четыре других сосуда, оставив их открытыми... Вскоре мясо и рыба в незапечатанных сосудах зачервили; можно было видеть, как мухи свободно залетают в сосуды и вылетают из них. Но в запечатанных сосудах я не видел ни одного червяка, хотя прошло много дней, после того как в них была положена дохлая рыба» (Реди).

Эти эксперименты, однако, не привели к отказу от идеи самозарождения, и хотя эта идея несколько отошла на задний план, она продолжала оставаться главной теорией в неклерикальной среде.

В то время как эксперименты Реди, казалось бы, опровергли спонтанное зарождение мух, первые микроскопические исследования Антона ван Левенгука усилили эту теорию применительно к микроорганизмам. Сам Левен-гук не вступал в споры между сторонниками биогенеза и спонтанного зарождения, однако его наблюдения под микроскопом давали пищу обеим теориям и в конце концов побудили других ученых поставить эксперименты для решения вопроса о возникновении жизни путем спонтанного зарождения.

В 1765 году Ладзаро Спалланцани провел следующий опыт: подвергнув мясные и овощные отвары кипячению в течение нескольких часов, он сразу же их запечатал, после чего снял с огня. Исследовав жидкости через несколько дней, Спалланцани не обнаружил в них никаких признаков жизни. Из этого он сделал вывод, что высокая температура уничтожила все формы живых существ, и что без них ничто живое уже не могло возникнуть.

В 1860 году проблемой происхождения жизни занялся Луи Пастер. К этому времени он уже многое сделал в области микробиологии и сумел разрешить проблемы, угрожавшие шелководству и виноделию. Он показал также, что бактерии вездесущи и что неживые материалы легко могут быть заражены живыми существами, если их не стерилизовать должным образом.

В результате ряда экспериментов, в основе которых лежали методы Спалланцани, Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения.

Однако подтверждение теории биогенеза породило другую проблему. Коль скоро для возникновения живого организма необходим другой живой организм, то откуда же взялся самый первый живой организм? Только теория стационарного состояния не требует ответа на этот вопрос, а во всех других теориях подразумевается, что на какой-то стадии истории жизни произошел переход от неживого к живому. Было ли это первичным самозарождением?

2.3 Теория стационарного состояния

Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень мало; виды также существовали всегда.

Оценки возраста Земли сильно варьировали -- от примерно 6 000 лет по расчетам архиепископа Ашера до 5000 10⁶ лет по современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада. Более совершенные методы датирования дают все более высокие оценки возраста Земли, что позволяет сторонникам теории стационарного состояния полагать, что Земля существовала всегда. Согласно этой теории, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности - либо изменение численности, либо вымирание.

Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб -- латимерию. По палеонтологическим данным кистеперые вымерли в конце мелового периода 70 млн лет назад. Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в районе Мадагаскара были найдены живые представители кистеперых. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми останками, можно сделать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее немногочисленные сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте. Так, например, внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определенном пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков. Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, и она наиболее подробно разработана именно в этом направлении.

2.4 Теория панспермии

Эта теория не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а выдвигает идею о ее внезапном происхождении. Поэтому ее нельзя считать теорией возникновения жизни как таковой; она просто переносит проблему возникновения жизни в какое-то другое место Вселенной.

Теория панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время и в разных частях Галактики или Вселенной. Для обоснования этой теории используются многократные появления НЛО (неопознанных летающих объектов), наскальные изображения предметов, похожих на ракеты и «космонавтов», а также (пока еще пишем - не подтвержденные) сообщения о встречах с инопланетянами. Советские и американские исследования в космосе позволяют считать, что вероятность обнаружить жизнь в пределах нашей Солнечной системы ничтожна, однако они не дают никаких сведений о возможной жизни вне этой системы. При изучении материала метеоритов и комет в них были обнаружены многие «предшественники живого» - такие вещества, как циано-гены, синильная кислота и органические соединения, которые, возможно, сыграли роль «семян», падавших на голую землю. Появился ряд сообщений о нахождении в метеоритах объектов, напоминающих примитивные формы жизни, однако доводы в пользу их биологической природы пока не кажутся ученым убедительными.

2.5 Биохимическая эволюция

Среди астрономов, геологов и биологов принято считать, что возраст Земли составляет примерно 4,5-5 млрд. лет.

По мнению многих биологов, в далеком прошлом состояние нашей планеты было мало похоже на нынешнее: по всей вероятности, температура ее поверхности была очень высокой (4 000-8 000 градусов по Цельсию). По мере того как Земля остывала, углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовывали земную кору; поверхность планеты была, вероятно, голой и неровной, так как на ней в результате вулканической активности, непрерывных подвижек коры и сжатия, вызванного охлаждением, происходило образование складок и разрывов.

Полагают, что в те времена атмосфера была совершенно не такой, как теперь. Легкие газы - водород, гелий, азот, кислород и аргон - уходили из атмосферы, так как гравитационное поле нашей еще недостаточно плотной планеты не могло их удержать. Однако другие соединения, содержащие (среди прочих) эти элементы, должны были удерживаться: к ним относятся вода, аммиак, двуокись углерода и метан. До тех пор, пока температура Земли не упала ниже 100 градусов по Цельсию, вся вода, вероятно, находилась в парообразном состоянии. Атмосфера была, по-видимому, «восстановительной», о чем свидетельствует наличие в самых древних породах Земли металлов в восстановительной форме, таких как двухвалентное железо. Более молодые горные породы содержат металлы в окисленной форме, например, трехвалентное железо. Отсутствие в атмосфере кислорода было, вероятно, условием для возникновения жизни; лабораторные опыты показывают, что, как это ни парадоксально, органические вещества (основа живых организмов) гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере, богатой кислородом.

В 1923 г. А.Л. Опарин высказал мнение, что атмосфера первичной Земли была не такой, как сейчас. Исходя из теоретических соображений, он полагал, что органические вещества, возможно, углеводороды, могли создаваться в океане из более простых соединений; энергию для этих реакций синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнечная радиация (главным образом ультрафиолетовая), падавшая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. По мнению Опарина, разнообразие находившихся в океане простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался тот «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь. Эта идея была не нова. В 1871 г. схожую мысль высказал Дарвин: «Часто говорят, что все необходимые для создания живого организма условия, которые могли когда-то существовать, имеются и в настоящее время, но если (ох, какое это большое «если») представить себе, что в каком-то небольшом теплом пруду, содержащем всевозможные аммонийные и фосфорные соли, при наличии света, тепла, электричества и т. п. образовался бы химическим путем белок, готовый претерпеть еще более сложные превращения, то в наши дни такой материал непрерывно пожирался бы или поглощался, чего не могло случиться до того, как появились живые существа».

В 1953 г. Стэнли Миллер в ряде экспериментов моделировал условия, предположительно существовавшие на первобытной Земле. В созданной им установке, снабженной источником энергии, ему удалось синтезировать многие вещества, имеющие важное биологическое значение, в том числе ряд аминокислот, аденин и простые сахара, такие как рибоза. После этого Орджел в Институте Солка в сходном эксперименте синтезировал нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты).

Позднее возникло предположение, что в первичной атмосфере в относительно высокой концентрации содержалась двуокись углерода. Недавние эксперименты, проведенные с использованием установки Миллера, в которую, однако, поместили смесь СО₂ и Н₂О и только следовые количества других газов, дали такие же результаты, какие получил Миллер. Теория Опарина завоевала широкое признание, но она оставляет нерешенными проблемы, связанные с переходом от сложных органических веществ к простым живым организмам. Именно в этом аспекте теория биохимической эволюции предлагает общую схему, приемлемую для большинства современных биологов. Однако они не пришли к единому мнению о деталях этого процесса.

Опарин полагал, что решающая роль в превращениях неживого в живое принадлежала белкам. Благодаря амфотерности белковых молекул, они способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов - притягивают к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от всей массы воды, в которой они суспендированы (водной фазы), и образовывать своего рода эмульсию. Слияние таких комплексов друг с другом приводит к отделению коллоидов от водной среды - процесс, называемый коацервацией (от лат. - сгусток, куча). Богатые коллоидами коацерваты, возможно, были способны обмениваться с окружающей средой веществами и избирательно накапливать различные соединения, в особенности кристаллоиды. Коллоидный состав данного коацервата, очевидно, зависел от состава среды. Разнообразие состава «бульона» в разных местах вело к различиям в химическом составе коацерватов и поставляло сырье для «биохимического естественного отбора».

Предполагается, что в самих коацерватах входящие в их состав вещества вступали в дальнейшие химические реакции; при этом происходило поглощение коацерватами ионов металлов и образование ферментов. На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы липидов (сложные углеводы), что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват предсуществующей молекулы, способности к самовоспроизведению и внутренней перестройке покрытого липидной оболочкой коацервата могла возникнуть примитивная клетка. Увеличение размеров коацерватов и их фрагментация, возможно, вели к образованию идентичных коацерватов, которые могли поглощать больше компонентов среды, так что этот процесс мог продолжаться. Такая продолжительная последовательность событий должна была привести к возникновению примитивного самовоспроизводящего гетеротрофного организма, питавшегося органическими веществами первичного «бульона».

Хотя эту гипотезу происхождения признают очень многие ученые, астроном Чандра Викрамасингх недавно высказал мнение, что мысль о возникновении живого в результате описанных выше случайных взаимодействий молекул «столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над местной свалкой, может привести к сборке Боинга-747». Самое трудное для этой теории - объяснить появление способности живых систем к самовоспроизведению. Гипотезы по этому вопросу пока малоубедительны.

Существенным недостатком старых гипотез о возникновении жизни на Земле, и в частности гипотезы академика А.И. Опарина, является то, что они не опираются на современную молекулярную биологию. Впрочем, это вполне естественно, так как механизм передачи наследственных признаков, и в частности роль ДНК, стал в известной степени ясным только сравнительно недавно.

Как произошел качественный скачок от неживого к живому, гипотеза А.И. Опарина совершенно не объясняет. Только привлечение основных представлений современной молекулярной биологии, а также кибернетики, может помочь решению этой важнейшей, основной проблемы. Некоторые пути ее решения уже намечаются. Важным вопросом является возможность синтеза ДНК в естественных условиях «первобытной» Земли.

Итак, центральной проблемой происхождения жизни на Земле является реконструкция эволюции механизма наследственности. Жизнь возникла только тогда, когда начал действовать механизм репликации. Любая сколь угодно сложная комбинация аминокислот и других сложных органических соединений - это еще не живой организм. Ведь последний, даже в простейших случаях - это отлично налаженный механизм, способный к репликации. Можно, конечно, предположить, что при каких-то исключительно благоприятных обстоятельствах где-то на Земле возникла некая «праДНК», которая и послужила началом всему живому на Земле. Вряд ли, однако, это так, если гипотетическая «праДНК» была вполне подобна современной. Дело в том, что современная ДНК сама по себе совершенно беспомощна. Она может функционировать только при наличии белков-ферментов. Думать, что чисто случайно, путем «перетряхивания» отдельных белков - многоатомных молекул - могли возникнуть такая сложнейшая машина как «праДНК» и нужный для ее функционирования комплекс белков-ферментов, - это значит верить в чудеса. Куда, например, более вероятно предположить, что какая-нибудь мартышка, беспорядочно барабаня по клавиатуре пишущей машинки, случайно напечатает, например, 66-й сонет Шекспира.

Английский биолог Ф. Крик, расшифровавший код ДНК и получивший за это Нобелевскую премию, считает, что «если это не фантазия, то Мыслящее Существо (Homo Sapiens) служит только орудием, упаковкой, неким космобусом для распространяющегося Истинного Разума, скрывающегося в разумной и победоносной крупинке рибонуклеиновой кислоты. Это ДНК творит цивилизацию! Наше тело и разум вместе с их физическими и духовными «усилителями» - это только орудия того (занесенного, очевидно, несколько миллионов лет назад на нашу Землю) зародыша, который имеет задачу овладеть нашей Галактикой или нашей частью Вселенной. А в дальнейшем будущем - встреча с теми, которые его занесли на нашу Землю». Однако это только «фантастическая гипотеза». Речь в этой гипотезе идет о внеземных существах, сеющих семена жизни в различных частях Вселенной, чтобы в конечном счете господствовать над ней. Доводом в пользу этой довольно фантастической гипотезы служит наличие в белке молибдена в количестве непропорционально большем, чем имеется его на Земле, что может свидетельствовать о космическом генезисе ДНК и жизни на нашей планете. При таком подходе человек является в определенном смысле искусственным знаком, запрограммированным космическим сообщением, доказывающим возможность жизни в космосе.

Мы еще раз должны подчеркнуть, что центральная проблема возникновения жизни на Земле - объяснение качественного скачка от «неживого» к «живому» - все еще далека от ясности. Недаром один из основоположников современной молекулярной биологии профессор Крик на Бюраканском симпозиуме в сентябре 1971 года сказал: «Мы не видим пути от первичного бульона до естественного отбора. Можно прийти к выводу, что происхождение жизни - чудо, но это свидетельствует только о нашем незнании».

В связи с возможностью синтеза живого вещества (не обязательно разумного) из неживого возникает большое количество острых проблем. Так, И.С. Шкловский пишет, что «коль скоро не существует принципиального различия между жизнью естественной и жизнью искусственной, нельзя исключить возможность того, что жизнь на некоторых планетах может иметь искусственное происхождение. Небезынтересно в порядке гипотезы обсудить возможность занесения живых спор и микроорганизмов во время посещения безжизненной планеты недостаточно стерилизованным инопланетным космическим кораблем. Можно также высказать гипотезу гораздо более радикального свойства: жизнь на некоторых планетах могла возникнуть как результат сознательного эксперимента высокоорганизованных космонавтов, некогда посетивших эти планеты, которые в те времена были безжизненны. Можно даже предположить, что подобное «насаждение жизни», так сказать, «в плановом порядке» является нормальной практикой высокоразвитых цивилизаций, разбросанных в просторах Вселенной. Вместо того, чтобы пассивно ожидать «естественного», самопроизвольного возникновения жизни на подходящей планете -- процесса, возможно, весьма маловероятного, высокоразвитые галактические цивилизации как бы планомерно сеют посевы жизни во Вселенной... Если это так, то вероятность обитаемости планетных систем в Галактике может быть увеличена на много порядков. Наконец, чтобы быть последовательным, нужно еще учитывать возможность заселения планет, на которых существуют подходящие условия, разумными существами - искусственными или естественными».

В интервале времени между 4,6 и 3,83 млрд лет назад на Земле возможны были два события:

1) химическая эволюция привела к спонтанному зарождению жизни;

2) на нашей планете жизнь возникла благодаря панспермии; семена жизни проросли при благоприятных физических условиях.

Английские астрономы Ф. Хойл и Ч. Викрамасингх приводят аргументы в пользу второго события. Прежде всего против первого события свидетельствует проблема возникновения присущего жизни объема информации, которая специфична в качественном отношении и характеризуется астрономическими числами в количественном отношении. Действительно, хорошо известно, что имеется порядка 1 000-2 000 ферментов, играющих центральную роль в жизнедеятельности организмов, начиная с простых микроорганизмов и кончая человеком. Расчеты показывают, что вероятность получить, например, сто ферментов равна 20¹⁰⁰⁰, а это превышает число атомов, содержащихся во всех звездах Вселенной. Поэтому первое событие оказывается невозможным, представляется более вероятной возможность осуществления второго.

Следующим соображением служит факт прекрасного соответствия общего элементарного состава комет содержанию элементов живой материи. Кроме того, кометы содержат воду и органическое вещество, являющееся превосходной питательной средой для некоторых видов микроорганизмов. Исследования комет показали, что в них неопределенно долго могут сохраняться почти все формы микроорганизмов, известных в настоящее время на Земле. Согласно гипотезе Ф. Хойла и Ч. Викрамасингха, наша планета ежегодно получает более 10¹⁸ спор как остаток кометного материала, рассеянного в Солнечной системе. Таким образом, именно кометы принесли на Землю органические молекулы, способствовавшие возникновению на ней жизни. Более того, к нам до сих пор продолжают поступать из космоса живые организмы в виде бактерий и вирусов. Необходимо отметить, что данная гипотеза не пользуется большой популярностью среди представителей мира науки.

В настоящее время Ф. Хойл и Ч. Викрамасингх исходят из существования Высшего разума, который является частью космоса. В качестве основополагающего тезиса берется положение о том, что жизнь, как на Земле, так и вообще где-либо во Вселенной не может возникнуть случайно. Чтобы объяснить накопленные факты в различных научных дисциплинах, начиная с космологии и кончая биологией, необходимо выбрать один из альтернативных вариантов: либо жизнь представляет собой акт преднамеренного творения, либо для вечной и безграничной Вселенной характерно неизменное постоянство картин жизни. Принятие первого варианта приводит современные космологические представления к отождествлению с библейскими истинами и вносит акт творения в царство эмпирической науки. Ф. Хойл и Ч. Викрамасингх не приемлют представления о Творце, находящемся вне Вселенной, где когда-то вполне естественным путем возник Высший разум, который значительно превосходит человеческий и который сотворил жизнь.

В то же время в XX в. получает мощное развитие и хорошее эмпирическое и теоретическое обоснование возрожденная на новом уровне доктрина о спонтанном возникновении жизни из неживой материи, причем существуют многочисленные варианты абиогенеза. Эта химическая концепция происхождения жизни не может не считаться с тем фундаментальным положением, что генезис жизни представляет собой закономерный этап в общем развитии Вселенной. Круг вопросов, связанных с идеей о космическом характере жизни, получил серьезное обоснование в трудах В.И. Вернадского и занимает одно из центральных мест в современной науке. В своих «Философских мыслях натуралиста» наш соотечественник подчеркивает, что если в самых различных философских системах вопрос о космической природе жизни ставился и ставится многократно, то сейчас он должен быть поставлен и в науке. И действительно, многие научные дисциплины -космология, астрофизика, космохимия, планетология, биофизика и другие -- дают основания для вывода о том, что жизнь представляет собой результат естественной эволюции Вселенной, что живые структуры многочисленными нитями связаны с ближайшим и дальним космосом, что нет необходимости прибегать к помощи сверхъестественного разума в объяснении происхождения жизни.

3. Понятие симметрии

Симметрия как философская категория означает процесс существования и становления тождественных моментов в определенных условиях и определенных отношениях между различными и противоположными состояниями явлений мира. Это означает, что, изучая симметрию каких-либо систем, необходимо рассматривать их поведение при различных преобразованиях. То есть из всей совокупности преобразований выделяются такие, которые оставляют неизменными, инвариантными некоторые функции, соответствующие рассматриваемым системам. Самым емким, удобным и простым языком для выражения симметрий оказался математический язык. Математическая теория, рассматривающая такие преобразования или совокупности преобразований, называется математиками теорией групп. Корни идеи теории групп восходят к работам великих математиков П. Руффини (1765-1822), Н. Абеля (1802-1829) и Эвариста Галуа (1811-1832). Одной из центральных задач классической алгебры того времени была задача о нахождении корней алгебраического уравнения n-степени по известным коэффициентам, входящим в это уравнение. Руффини, а впоследствии Абель и Галуа доказали неразрешимость в радикалах общего алгебраического уравнения пятой и более степени. Так что проблема общего изучения закона образования корней из известных коэффициентов не была решена, несмотря на многочисленные усилия математиков. Результат был получен Эваристом Галуа лишь на основе введения абстрактных понятий более высокой степени общности, на основе создания совершенно новой алгебраической теории, развившейся впоследствии в теорию групп. Интерес к теории групп со стороны Феликса Клейна передался норвежскому математику М. Ли, который и явился создателем математического аппарата теории групп (групп Ли) и их инвариантов, ставшего важнейшим инструментом современной теоретической физики.

3.1 Калибровочные симметрии

При создании общей теории относительности Эйнштейн обнаружил, что попытки включения тяготения в специальную теорию относительности (СТО) наталкиваются на серьезные трудности, связанные с тем, что в этом случае не работает глобальная Лоренц-инвариантность. Поставив во главу угла задачу распространения принципа инвариантности применительно к любым системам отсчета, в том числе и к неинерциальным, Эйнштейн приходит к выводу, что Лоренц-инвариантность не является более глобальным свойством, но в то же время продолжает играть центральную роль в теории в качестве локальной инвариантности. А это означает, что, если галилеево пространство максимально однородно, то в общей теории относительности такого рода однородность существует локально, в бесконечно малом, то есть здесь должна существовать возможность свободного изменения масштаба от одной точки пространства к другой, что означает кривизну траектории, отклонение ее от прямой линии. Условие выполнения инвариантности физических законов относительно локальных преобразований требует введения гравитационного поля, роль которого состоит в компенсации эффектов, связанных с этим изменением масштаба или, как говорят, вызванных калибровкой от точки к точке.

Термин «калибровка» вошел в физику из жаргона железнодорожников, употребляемый в значении перехода с узкой колеи на широкую. Под калибровкой, по аналогии с железнодорожной терминологией, первоначально понималось именно изменение уровня или масштаба. В СТО законы физики не изменяются относительно переноса (или сдвига) при калибровке расстояния. То есть траектории движения остаются прямолинейными, пространственный сдвиг оказывается одинаковым у всех точек пространства. Иначе говоря, здесь работают глобальные калибровочные преобразования. В общей теории относительности инвариантность физических законов достигается только относительно локальных калибровочных преобразований. При этом в общей теории относительности обнаруживается совершенно новый подход к природе физических взаимодействий, что в существенной степени расширило смысл самого понятия «калибровочное преобразование», возведя его в принцип, который лежит в основе всего фундамента современной физики. Калибровочный принцип называют динамическим нововведением в общей теории относительности. Нововведением является тот факт, что гравитационное поле здесь не постулируется, а выводится как результат инвариантности лагранжиана теории относительно группы локальных калибровочных преобразований. То есть требование инвариантности порождает определенный конкретный вид взаимодействия. А это уже принципиально новый подход в физике. Благодаря ему современная физика отошла от исторической традиции, согласно которой заранее давалась форма взаимодействий, установленная экспериментально и теоретически описанная некоторыми умными физиками. Форма взаимодействия более не постулируется, а выводится как результат инвариантности относительно групп определенных локальных преобразований, как способы, которыми в природе должно компенсироваться локальное калибровочное преобразование. И неважно, какие виды симметрий (калибровочные в прямом смысле или другие) обусловливают эти взаимодействия. В каждом случае теории, в которых работает этот принцип, называют калибровочными. Иными словами, калибровочная инвариантность позволяет ответить на вопрос: «Почему и зачем в природе существуют такого рода взаимодействия?»

Для обеспечения инвариантности относительно локальных калибровочных преобразований в различных пространствах (в каждом конкретном случае) производят замену обычных производных ковариантными (впервые введены в общей теории относительности) путем добавления таких слагаемых, которые позволяют построить лагранжиан, инвариантный одновременно или по отдельности относительно калибровочных преобразований во всех соответствующих внутренних пространствах частиц. Калибровочный принцип оказался важным инструментом теоретической физики, это основной принцип, на котором строится единая теория всех взаимодействий в физике. Но представляется, что этот принцип выходит далеко за рамки собственно физики и может стать мощным методологическим регулятивом при решении ряда проблем социального и экономического характера. Очевидно, что такие принципы, как социальная справедливость, равенство, устойчивый уровень жизни населения и др. и могут быть поставлены в соответствии с категорией симметрии. А это говорит о том, что путь к достижению этих идеалов может стать в том числе и математическим. Лагранжев формализм, использованный в экономике, мог бы стать мощнейшим фактором в регулировании денежной системы, контроле за монопольными отраслями производства и др. Важно и то, что лагранжев подход, ставящий во главу угла обеспечение конкретных видов симметрии, с изменением ситуации позволяет строить лагранжиан путем замены обычных производных ковариантными производными, отличающимися от первоначальных. Это указывает на мобильность и перспективность калибровочного подхода