Эволюция вселенной. О роли дейтерия в молекулярной эволюции

ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Вселенная бесконечна во времени и пространстве. Каждая частичка вселенной имеет свое начало и конец, как во времени, так и в пространстве, но вся Вселенная бесконечна и вечна так, как она является вечно самодвижущейся материей. Вселенная - это всё существующее. От мельчайших пылинок и атомов до огромных скоплений вещества звездных миров и звездных систем. Поэтому не будет ошибкой сказать, что любая наука так или иначе изучает Вселенную, точнее, тем или иначе её стороны. Химия изучает мир молекул, физика - мир атомов и элементарных частиц, биология - явления живой природы. Но существует научная дисциплина, объектом исследования которой служит сама вселенная или «Вселенная как целое». Это особая отрасль астрономии так называемая космология. Космология - учение о Вселенной в целом, включающая в себя теорию всей охваченной астрономическими наблюдениями области, как части Вселенной, кстати не следует смешивать понятия Вселенной в целом и «наблюдаемой» (видимой) Вселенной. Во втором случае речь идет речь идет лишь о той ограниченной области пространства, которая доступна современным методам научных исследований. С развитием кибернетики в различных областях научных исследованиях приобрели большую популярность методики моделирования. Сущность этого метода состоит в том, что вместо того или иного реального объекта изучается его модель, более или менее точно повторяющая оригинал или его наиболее важные и существенные особенности. Модель не обязательно вещественная копия объекта.

Построение приближенных моделей различных явлений помогает нам всё глубже познавать окружающий мир. Так, например, на протяжении длительного времени астрономы занимались изучением однородной и изотропной Вселенной, в которой все физические явления протекают одинаковым образом и все законы остаются неизменными для любых областей и в любых направлениях. Изучались так же модели, в которых к этим двум условиям добавлялось третье, - неизменность картины мира. Это означает, что в какую бы эпоху мы не созерцали мир, он всегда должен выглядеть в общих чертах одинаково. Эти во многом условные и схематические модели помогли осветить некоторые важные стороны окружающего нас мира. Но! Как бы сложна ни была та или иная теоретическая модель, какие бы многообразные факты она ни учитывала, любая модель - это еще не само явление, а только более или менее точная его копия, так сказать образ реального мира. Поэтому все результаты полученные с помощью моделей Вселенной, необходимо обязательно проверить путем сравнения с реальностью. Нельзя отождествлять само явление с моделью. Нельзя без тщательной проверки, приписывать природе те свойства, которыми обладает модель. Ни одна из моделей не может претендовать на роль точного «слепка» Вселенной. Это говорит о необходимости углубленной разработки моделей неоднородной и неизотропной Вселенной. Звезды во Вселенной объединены в гигантские Звездные системы, называемые галактиками. Звездная система, в составе которой, как рядовая звезда находится наше Солнце, называется Галактикой. Число звезд в галактике порядка 10¹² (триллиона). Млечный путь, светлая серебристая полоса звезд опоясывает всё небо, составляя основную часть нашей Галактики. Млечный путь наиболее ярок в созвездии Стрельца, где находятся самые мощные облака звезд. Наименее ярок он в противоположной части неба. Из этого нетрудно вывести заключение, что солнечная система не находится в центре Галактики, который от нас виден в направлении созвездия Стрельца. Чем дальше от плоскости Млечного Пути, тем меньше там слабых звезд и тем менее далеко в этих направлениях тянется звездная система. В общем, наша Галактика занимает пространство, напоминающее линзу или чечевицу, если смотреть на нее сбоку. Размеры Галактики были намечены по расположению звезд, которые видны на больших расстояниях. Это цефеиды и горячие гиганты. Диаметр Галактики примерно равен 3000 пк (Парсек (пк) - расстояние, с которым большая полуось земной орбиты, перпендикулярная лучу зрения, видна под углом в 1» . 1 Парсек = 3,26 светового года = 206265 а. е. = 3*10¹³ км.) или 100000 световых лет (световой год - расстояние пройденное светом в течение года) , но четкой границы у нее нет, потому что звездная плотность постепенно сходит на нет. В центре галактики расположено ядро диаметром 1000-2000 пк - гигантское уплотненное скопление звезд. Оно находится от нас на расстоянии почти 10000 пк (30000 световых лет) в направлении созвездия Стрельца, но почти целиком скрыто плотной завесой облаков, что препятствует визуальным и фотографическим обычным наблюдениям этого интереснейшего объекта Галактики. В состав ядра входит много красных гигантов и короткопериодических цефеид. Звезды верхней части главной последовательности а особенно сверхгиганты и классические цефеиды, составляют более молодые население. Оно располагается дальше от центра и образует сравнительно тонкий слой или диск. Среди звезд этого диска находится пылевая материя и облака газа. Субкарлики и гиганты образуют вокруг ядра и диска Галактики сферическую систему. Масса нашей галактики оценивается сейчас разными способами, равна 2*10¹¹ масс Солнца (масса Солнца равна 2*10³⁰ кг.) причем 1/1000 ее заключена в межзвездном газе и пыли. Масса Галактики в Андромеде почти такова же, а масса Галактики в Треугольнике оценивается в 20 раз меньше. Поперечник нашей галактики составляет 100000 световых лет. Путем кропотливой работы московский астрономом В. В. Кукарин в 1944 г. нашел указания на спиральную структуру галактики, причем оказалось, что мы живем между двумя спиральными ветвями, бедном звездами.

В некоторых местах на небе в телескоп, а кое где даже невооруженным глазом можно различить тесные группы звезд, связанные взаимным тяготением, или звездные скопления. Существует два вида звездных скоплений: рассеянные и шаровые. Рассеянные скопления состоят обычно из десятков или сотен звезд главной последовательности и сверхгигантов со слабой концентрацией к центру. Шаровые же скопления состоят обычно из десятков или сотен звезд главной последовательности и красных гигантов. Иногда они содержат короткопериодические цефеиды. Размер рассеянных скоплений - несколько парсек. Пример их скопления Глады и Плеяды в созвездии Тельца. Размер шаровых скоплений с сильной концентрацией звезд к центру - десяток парсек. Известно более 100 шаровых и сотни рассеянных скоплений, но в Галактике последних должно быть десятки тысяч.

Кроме звезд в состав Галактики входит еще рассеянная материя, чрезвычайно рассеянное вещество, состоящее из межзвездного газа и пыли. Оно образует туманности. Туманности бывают диффузными (клочковатой формы) и планетарными. Светлые они от того, что их освещают близлежащие звезды. Пример: газопылевая туманность в созвездии Ориона и темная пылевая туманность Конская голова. Расстояние до туманности в созвездии Ориона равно 500 пк, диаметр центральной части туманности - 6 пк, масса приблизительно в 100 раз больше массы Солнца. Во Вселенной нет ничего единственного и неповторимого в том смысле, что в ней нет такого тела, такого явления, основные и общие свойства которого не были бы повторены в другом теле, другими явлениями.

Внешний вид галактик чрезвычайно разнообразен, и некоторые из них очень живописны. Эдвин Пауэлла Хаббл (1889-1953), выдающийся американский астроном - наблюдатель, избрал самый простой метод классификации галактик по внешнему виду, и нужно сказать, что хотя в последствии другими выдающимися исследователями были внесены разумные предположения по классификации, первоначальная система, выведенная Хабблом, по прежнему остаётся основой классификации галактик.

Хаббл предложил разделить все галактики на 3 вида:

· 1. Эллиптические - обозначаемые Е (elliptical);

· 2. Спиральные (Spiral);

· 3. Неправильные - обозначаемые I (irregular).

Эллиптические галактики внешне невыразительные. Они имеют вид гладких эллипсов или кругов с постепенным круговым уменьшением яркости от центра к периферии. Ни каких дополнительных частей у них нет, потому что Эллиптические галактики состоят из второго типа звездного населения. Они построены из звезд красных и желтых гигантов, красных и желтых карликов и некоторого количества белых звезд не очень высокой светлости. Отсутствуют бело-голубые сверхгиганты и гиганты, группировки которых можно наблюдать в виде ярких сгустков, придающих структурность системе, нет пылевой материи которая, в тех галактиках где она имеется, создаёт темные полосы, оттеняющие форму звездной системы.

Внешне эллиптические галактики отличаются друг от друга в основном одной чертой - большим или меньшим сжатием (NGG и 636, NGC 4406, NGC 3115 и др.) С несколько однообразными эллиптическими галактиками контрастируют спиральные галактики являющиеся может быть даже самыми живописными объектами во Вселенной. У эллиптических галактик внешний вид говорит о статичности, стационарности Спиральные галактики наоборот являют собой пример динамики формы. Их красивые ветви, выходящие из центрального ядра и как бы теряющие очертания за пределами галактики, указывает на мощное стремительное движение. Поражает также многообразие форм и рисунков ветвей. Как правило, у галактики имеются две спиральные ветви, берущие начало в противоположных точках ядра, развивающимися сходным симметричным образом и теряющая в противоположных областях периферии, галактики. Однако известны примеры большего, чем двух числа спиральных ветвей в галактике. В других случаях спирали две, но они неравны - одна значительно более развита чем вторая. Примеры спиральных галактик: М31, NGC 3898, NGC 1302, NGC 6384, NGC 1232 и др.

Перечисленные мною до сих пор типы галактик характеризовались симметричностью форм определенным характером рисунка. Но встречаются большое число галактик неправильной формы. Без какой-либо закономерности структурного строения. Хаббл дал им обозначение от английского слова irregular - неправильные.

Неправильная форма у галактики может быть, в следствии того, что она не успела принять правильной формы из-за малой плотности в ней материи или из-за молодого возраста. Есть и другая возможность: галактика может стать неправильной в следствии искажения формы в результате взаимодействия с другой галактикой. По видимому эти оба случая встречаются среди неправильных галактик и может быть с этим связанно разделение неправильных галактик на 2 подтипа.

Подтип II характеризуется сравнительно высокой поверхностью, яркостью и сложностью неправильной структуры (NGM 25744, NGC 5204). Французский астроном Вакулер в некоторых галактиках этого подтипа, например Магеллановых облаках, обнаружил признаки спиральной разрушенной структуры.

Неправильные галактики другого подтипа обозначаемого III, отличаются очень низкой поверхностью и яркостью. Эта черта выделяет их из среды галактик всех других типов. В то же время она препятствует обнаружению этих галактик, вследствие чего удалось выявить только несколько галактик подтипа III расположенных сравнительно близко (галактика в созвездии Льва.).

Только 3 галактики можно наблюдать невооруженным глазом, Большое Магелланово облако, Малое Магелланово облако и туманность Андромеды. В таблицы приведены данные о десяти ярчайших галактиках неба. (БМО, ММО - Большое Магелланово облако и Малое Магелланово облако.). Не вращающаяся звездная система по истечении некоторого срока должна принять форму шара. Такой вывод следует из теоретических исследований. Он подтверждается на примере шаровых скоплений, которые вращаются и имеют шарообразную форму. Если же звездная система сплюснута, то это означает, что она вращается. Следовательно, должны вращаться и эллиптические галактики, за исключением тех, из них, которые шарообразны, не имеют сжатия. Вращение происходит вокруг оси, которая перпендикулярна главной плоскости симметрии. Галактика сжата вдоль оси своего вращения. Впервые вращение галактик обнаружил в 1914 г. американский астроном Слайфер.

Особый интерес представляют галактики с резко повышенной светимостью. Их принято называть радиогалактиками. Наиболее выдающаяся галактика Лебедь. Это слабая двойная галактика с чрезвычайно тесно расположенными друг к другу компонентами, являющимися мощнейшим дискретным источником. Объекты подобные галактике Лебедь безусловно очень редки в метагалактике, но Лебедь не единственный объект подобного рода во Вселенной. Они должны находиться на громадном расстоянии друг от друга (более 200Мпс).

Поток проходящего от них радиоизлучения в виду большого расстояния слабее, чем от источника Лебедь. Несколько ярких галактик, входящих в каталог NGC, также отнести к разряду радиогалактик, потому что их радиоизлучение аналогично сильное, хотя оно значительно уступает по энергии световому. Из этих галактик NGC 1273, NGC 5128, NGC 4782 и NGC 6186 являются двойными. Одиночные NGC 2623 и NGC 4486. Когда английские и австралийские астрономы, применив интерференционный метод в 1963 г. определили с большой точностью положения значительного числа дискретных источников радиоизлучения, они одновременно определили и другие угловые размеры некоторого числа радиоисточников. Диаметры большинства из них исчислялись минутами или десятками секунд дуги, но у 5 источников, а именно у 3С48,3С147,3С196,3С273 и 3С286, размеры оказались меньше секунды дуги.

Но поток их радиоизлучения не уступали потки радиоизлучения других фирм дискретных источников, превосходящих их по площади излучения в десятки тысяч раз. Эти звездоподобные источники радиоизлучения были названы квадрами. Сейчас их открыто более 1000. Блеск квадра не остается постоянным. Массы квадров достигают миллиона солнечных масс. Источник энергии квадров до сих пор не ясен. Есть предположения, что квадры - это исключительно активные ядра очень далеких галактик. Теоретическое моделирование имеет важное значение так же и для выяснения прошлого и будущего наблюдаемой Вселенной. В 1922 г. А.А. Фридман занялся разработкой оригинальной теоретической модели Вселенной. Он предположил, что средняя плотность не является постоянно, а меняется с течением времени. Фридман пришел к выводу, что любая достаточно большая часть Вселенной, равномерно заполняемая материя не может находится в состоянии равновесия: она должна либо расширяться, либо сжиматься. Еще в 1917 г. В.М. Слайдер обнаружил «красное смещение» спектральных линий в спектрах далёких галактик. Подобное смещение наблюдается тогда, когда источник света удаляется от наблюдателя. В 1929 г. Э. Хаббл объяснил это явление взаимным разбеганием этих звездных систем. Явление «красного смещения» наблюдается в спектрах почти всех галактик, кроме ближайших (нескольких) . И чем дальше от нас галактика, тем больше сдвиг линий в её спектре, т.е. все звездные системы удаляются от нас с огромными скоростями в сотни, тысячи десятки тысяч километров в секунду, более далекие галактики обладают и большими скоростями. А после того, как эффект «красного смещения» был обнаружен и в радиодиапазоне, то не осталось, никаких сомнений в том, что наблюдаемая Вселенная расширяется. В настоящее время известны галактики, удаляющиеся от нас со скоростью 0,46 скорости света. А сверхзвезды и квазары - 0,85 скорости света. Но почему они движутся, расширяются? На галактики постоянно действует какая-то сила. В отдаленном прошлом материя в нашей области Вселенной находилась в сверхплотном состоянии. Затем произошел «взрыв», в результате которого и началось расширение. Чтобы выяснить дальнейшую судьбу метагалактики, необходимо оценить среднюю плотность межзвездного газа. Если она выше 10 протонов на 1м3, то общее гравитационное поле метагалактики достаточно велико, чтобы постепенно остановить расширение. И оно смещается сжатием.

Возникли два мнения по поводу состояния Метагалактики до начала расширения. Согласно одному из них первоначальное вещество метагалактики состояло из «холодной» смеси протонов, т.е. ядер атомов водорода, электронов и нейтронов. Согласно второй, температура была очень велика, а плотность излучения даже превосходила плотность вещества. Но после открытия в 1965 г. реликтового излучения A. Пензиасом и Р. Вилсоном предпочтение было отдано второй теории. После была представлена попытка представить ход событий на первых стадиях расширения Метагалактики: через 1с после начала расширения сверхплотной исходной плазмы плотность вещества снизилась до 500 кг/см³, а t=10¹³ Со. В течение следующих 100с плотность снизилась до 50 г/см² температура упала. Объединились протоны и нейтроны => ядра гелия. При t=4000^о, это продолжалось несколько сотен тысяч лет. Затем, после того, как образовались атомы водорода, началось постепенное формирование горячих водородных облаков, из которых образовались галактики и звезды. Однако в процессе расширения могли сохраниться сгустки сверхплотного до звездного вещества, а в процессе их распада образовались звезды и галактики. Не исключено, что действовали оба механизма. Понятие Метагалактика не является вполне ясным. Оно сформировалось на основании аналогии со звездами. Наблюдения показывают, что галактики, подобно звездам, группирующиеся в рассеянные и шаровые скопления, также объединяются в группы и скопления различной численности. Вся охваченная современными методами астрономических наблюдений часть Вселенной называется Метагалактикой (или нашей Вселенной) . В Метагалактике пространство между галактиками заполнено чрезвычайно разряженным межгалактическим газом, пронизывается космическими лучами, в нем существуют магнитные и гравитационные поля, и возможно невидимые массы веществ.

От наиболее удаленных метагалактических объектов свет идет до нас много миллионов лет. Но все-таки нет оснований утверждать, что метагалактика это вся вселенная. Возможно существуют др., пока не известные нам метагалактики. В 1929 г. Хаббл открыл замечательную закономерность которая была названная «законом Хаббла» или «закон красного смещения»: линии галактик смещенных к красному концу, причем смещение тем больше, чем дальше находится галактика.

Объяснив красные смещения эффектом Доплера. Ученые пришли к выводу о том, что расстояние между нашей и другими галактиками непрерывно увеличивается. Хотя безусловно галактики не разлетаются во все стороны от нашей галактики, которая не занимает никакого особого положения в метагалактике, а происходит взаимное удаление всех галактик. Следовательно, Метагалактика не стационарна.

Открытие расширения метагалактики свидетельствует о том, что в прошлом метагалактика была не такой как сейчас и иной станет в будущем, т.е. метагалактика эволюционирует. По красному смещению определены скорости удаления галактик. У многих галактик они очень велики, соизмеримы со скоростью света. Самым большими скоростями (более 250 000 км/с) обладают некоторые квазары, которые считаются самыми удаленными от нас объектами Метагалактики. Мы живем в расширяющейся Метагалактики; расширение метагалактики проявляется только на уровне скоплений и сверхскоплений галактик. Метагалактика имеет одну особенность: не существует центра, от которого разбегаются галактики. Удалось вычислить промежуток времени с начала расширения метагалактики.

Промежуток расширения равен 20-13 млрд. лет. Расширение метагалактики является самым грандиозным из известных в настоящие время явлений природы. Это открытие произвело коренное изменение во взглядах философов и ученых. Ведь некоторые философы ставили знак равенства между метагалактикой и вселенной, и пытались доказать, что расширение метагалактики подтверждает религиозное представление о божественности происхождения вселенной. Но Вселенной известны естественные процессы, по всей вероятности это взрывы. Есть предположение, что расширение метагалактики также началось с явления напоминающего. Колоссальный взрыв вещества, обладающего огромной температурой и плотностью.

Расчеты, выполненные астрофизиками, свидетельствуют о том, что после начала расширения вещество метагалактики имело высокую температуру и состояло из элементарных частиц (нуклонов) и их античастиц. По мере расширения изменилась не только температура и плотность вещества, но и состав входивших в него частиц, т.е. многие частицы и античастицы манипулировали, порождая при этом электромагнитные кванты, излучения которые в современной нам метагалактики оказалось больше, чем атомов, из которых состоят звезды, планеты, диффузная материя.

Эта теория называется теорией «горячей Вселенной» чтобы сверхплотное вещество превратилось в вещество с близкой плотностью к плотности воды. Через несколько часов плотность почти сравнялась с плотностью нашего воздуха, а сейчас, по истечении миллиардов лет оценка средней плотности вещества в метагалактике приводит к значению порядка 10-28 кг/м³.

Но все эти данные удалось получить только с помощью уникального сложного оборудования позволяющего расширить границы Вселенной. До сих пор человечество совершенствует его, изобретали все более гениальные приборы, но еще на заре цивилизации, когда пытливый человеческий ум обратился к заоблачным высотам, великие философы мыслили свое представление о Вселенной, как о чем-то бесконечном. Древнегреческий философ Анаксимандр (VI в. до н.э.) ввел представление о некой единой беспредельности, не обладавшей ни какими привычными наблюдениями, качествами, первооснове всего - апейроне.

Стихии мыслились сначала как полуматериальные, полубожественные, одухотворенные субстанции. Представление чистоматериальной основе всего сущего в древнегреческой основе достигли своей вершины в учении атомистов Левкиппа и Демокрита (V-IV в. в. до н.э.) о Вселенной, состоящей из бескачественных атомов и пустоты. Древнегреческим философам принадлежит ряд гениальных догадок об устройстве Вселенной. Анаксимандр высказал идею изолированности Земли, в пространстве. Эйлалай первым описал пифагорейскую систему мира, где Земля как и Солнце обращались вокруг некоего «гигантского огня» . Шарообразность Земли утверждал другой пифагореец Парменид (VI-V в. в. до н.э.) Гераклит Понтийский (V-IV в до н.э.) утверждал так же ее вращение вокруг своей оси и донес до греков еще более древнюю идею египтян о том, что само солнце может служить центром вращение некоторых планет (Венера, Меркурий).

Французский философ и ученый, физик, математик, физиолог Рене Декарт (1596-1650) создал теорию о эволюционной вихревой модели Вселенной на основе гелиоцентрализма. В своей модели он рассматривал небесные тела и их системы в их развитии. Для XVII в. в. его идея была необыкновенно смелой. По Декарту, все небесные тела образовывались в результате вихревых движений, происходивших в однородной в начале, мировой материи. Совершенно одинаковые материальные частицы, находясь в непрерывном движении и взаимодействии, меняли свою форму и размеры, что привело к наблюдаемому нами богатому разнообразию природы.

Солнечная система согласно Декарту, представляет собой один из таких вихрей мировой материи. Планеты не имеют собственного движения - они движутся, увлекаемые мировым вихрем. Декарт внес и новую идею для объяснения тяжести: он считал, что в вихрях, возникающих вокруг планет частицы давят друг на друга и тем вызывают явление тяжести (например на Земле). Таким образом Декарт, первым стал рассматривать тяжесть не как врожденное, а как производное качество тел. Великий немецкий ученый, философ Иммануил Кант (1724-1804) создал первую универсальную концепцию эволюционирующей Вселенной, обогатив картину ее ровной структуры и представлял Вселенную бесконечной в особом смысле. Он обосновал возможности и значительную вероятность возникновение такой Вселенной исключительно под действием механических сил притяжения и отталкивания и попытался выяснить дальнейшую судьбу этой Вселенной на всех ее масштабных уровнях - начиная с планетной системных и кончая миром туманности.

Эйнштейн совершил радикальную научную революцию, введя свою теорию относительности. Это было сравнительно просто, как и всё гениальное. Ему не пришлось предварительно открыть новые явления, установить количественные закономерности. Он лишь дал принципиально новое объяснение. Эйнштейн раскрыл более глубокий смысл установленных зависимостей, эффектов уже связанных в некую физико-математическую систему (в виде постулатов Пуанкаре) . Заменив в данном случае теорию абсолютности пространства и времени идей их относительности «Пуанкаре» , которую теперь уже не связывали с идеей абсолютного в пространстве, абсолютной системы отсчета. Такой переворот снимал основное противоречие, создававшее кризисную ситуацию, в теоретическом осмыслении действия. Более того, открылся путь для дальнейшего проникновения в свойства и законы окружающего мира, настолько глубоко, что сам Эйнштейн не сразу осознал степень революционности своей идеи.

В статье от 30.06.1905 г., заложившей основы специальной теории относительности Эйнштейн, обобщая принципы относительности Галилея, провозгласил равноправие всех инерциальных систем отсчета не только в механических, но также электромагнитных явлений. Специальная или частная теория относительности Эйнштейна явилась результатом обобщения механики Галилея и электродинамики Максвелла Лоренца. Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения близких к скорости света.

Впервые принципиально новые космогологические следствия общей теории относительности раскрыл выдающийся советский математик и физик - теоретик Александр Фридман (1888-1925 гг.). Выступив в 1922-24 гг. он раскритиковал выводы Эйнштейна о том, что Вселенная конечна и имеет форму четырехмерного цилиндра. Эйнштейн сделал свой вывод исходя из предположения о стационарности Вселенной, но Фридман показал необоснованность его исходного постулата. Фридман привел две модели Вселенной. Вскоре эти модели нашли удивительно точное подтверждение в непосредственных наблюдениях движений далёких галактик в эффекте «красного смещения» в их спектрах. Этим Фридман доказал, что вещество во Вселенной не может находится в покое. Своими выводами Фридман теоретически способствовал открытию необходимости глобальной эволюции Вселенной.

Существует несколько теории эволюции: Теория пульсирующей Вселенной утверждает, что наш мир произошел в результате гигантского взрыва. Но расширение вселенной не будет продолжаться вечно, т.к. его остановит гравитация. По этой теории наша Вселенная расширяется в течении 18 млрд. лет со времени взрыва. В будущем расширение полностью замедлится и произойдет остановка, а затем она начнёт сжиматься до тех пор пока вещество опять не сожмется и произойдет новый взрыв.

Теория стационарного взрыва: согласно ей Вселенная не имеет ни начала, ни конца. Она все время прибывает в одном и том же состоянии. Постоянно идет образование нового водоворота, чтобы возместить вещество удаляющимися галактиками. Вот по этой причине Вселенная всегда одинакова, но если Вселенная, начало которой положил взрыв будет расширяться до бесконечности, то она постепенно охладится и совсем угаснет. Но пока ни одна из этих теорий не доказана, т.к. на данный момент не существует ни каких точных доказательств хотя бы одной из них. Открытие многообразных процессов эволюции в различных системах и телах, составляющих Вселенную, позволило изучить закономерности космической эволюции на основе наблюдательных данных и теоретических расчетов.

В качестве одной из важнейших задач рассматривается определение возраста космических объектов и их систем. Поскольку в большинстве случаев трудно решить, что нужно считать и понимать под «моментом рождения» тела или системы, то устанавливая возраст характеристики имеют ввиду две оценки: 1. Время, в течении которого система уже находится в наблюдаемом состоянии. 2. Полное время жизни данной системы от момента её появления. Очевидно, что вторая характеристика может быть получена только на основе теоретических расчетов. Обычно первую из высказанных величин называют возрастом, а вторую - временем жизни. Факт взаимного удаления галактик, составляющих метагалактики свидетельствует о том, что некоторое время тому назад она находилась в качественно ином состоянии и была более плотной. Наиболее вероятное значение постоянной Хаббла (коэффициента пропорциональности, связывающего скорости удаления внегалактических объектов и расстояние до них составляющее 60 км/сек - мегапарсек), приводит к значению времени расширения метагалактики до современного состояния 17 млрд. лет.

Из всех вышеперечисленных и тех доказательств, которые не вошли в мой реферат из-за своей громоздкости и математически-физической сложности можно с уверенностью сделать вывод: Вселенная эволюционирует, бурные процессы происходили в прошлом, происходят сейчас и будут происходить в будущем. Проблема жизни в космосе - одна из наиболее увлекательных и популярных проблем в науке о Вселенной, которая с давних пор волнует не только ученых, но и всех людей. Еще Дж. Бруно и М. Ломоносов высказывали предположение о множественности обитаемых миров. Изучение жизни во Вселенной - одна из сложнейших задач, с которой когда-либо встречалось человечество. Речь идет о явлении, с которым сталкивалось человечество. Речь идет о явлении, с которым людям по существу еще не приходилось непосредственно сталкиваться. Все данные о жизни вне Земли, носят чисто гипотетический характер. Поэтому глубоким исследованиям биологических закономерностей и космических явлений занимается научная дисциплина - «экзобиология».

О РОЛИ ДЕЙТЕРИЯ В МОЛЕКУЛЯРНОЙ ЭВОЛЮЦИИ

Учёные считают, что Вселенная, сформировавшаяся в результате «Большого взрыва» несколько десятков миллиардов лет тому назад, была значительно горячее и плотнее, чем сейчас и состояла, в основном, из двух элементов - водорода и гелия. Дейтерий сформировался в последующие мгновения эволюции Вселенной в результате столкновения свободного нейтрона и протона при температурах миллион градусов Цельсия. А ещё позже два атома дейтерия сформировали дейтерон и вошли в состав в ядро гелия, который состоит из двух протонов и двух нейтронов.

Таким образом, дейтерий может служить своеобразным индикатором эволюции Вселенной, поскольку количество дейтерия в мире постоянно. Вплоть до настоящего времени считалось, что в процессе формирования гелия израсходовались почти все дейтероны, и лишь 10 тысяч дейтеронов остались неизрасходованными. Исходя из этого количества дейтерия в мире, природная распространённость дейтерия составляла по расчётам не более 0.015% (от общего числа всех атомов водорода).

Совсем недавно проводя наблюдения Млечного Пути, американские учёные обнаружили что дейтерия - тяжёлого водорода - содержится в нём значительно больше, чем об этом говорили данные предыдущих исследований. По мнению астронома Джеффри Лински (Jeffrey L. Linsky) из университета Колорадо (University of Colorado), руководившего исследованием, эта новая информация может радикальным образом изменить теоретические положения о формировании звёзд и галактик.

Тяжёлый водород «прятался» от телескопов за скоплениями межзвёздной пыли и часто был недоступен для наблюдений в силу своей непрозрачности.

Астрономы использовали данные ультрафиолетового телескопа FUSE (Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer). Дейтерий создаёт характерное свечение в ультрафиолетовом диапазоне, благодаря которому разглядеть тяжёлый водород удалось именно с помощью FUSE.

До настоящего времени считалось, что природная распространённость дейтерия составляет не более 0.015% (от общего числа всех атомов водорода). Это количество зависит как от природы вещества, так и от общего количества материи, сформированной в ходе эволюции Вселенной. Теперь очевидно, что дейтерия в природе намного больше, чем предполагалось раннее.

Но с чем это может быть связано? Источником дейтерия во Вселенной являются вспышки сверхновых и термоядерные процессы, идущие внутри звёзд. Возможно, этим объясняется тот факт, что мировое количество дейтерия повышается в период глобальных потеплений и изменений климата. Однако дейтерий довольно быстро разрушается в этих звёздах.

Дело в том, что наряду с водородом в первые мгновения после Большого взрыва образовалось и огромное количество его изотопа дейтерия. Исходя из предыдущих наблюдений, учёные постановили, что больше трети первоначально образованного дейтерия потратилось на создание звёзд. Однако, оказывается, что дейтерия в Млечном Пути намного больше, чем предполагали ранее. В частности, на звездообразование потрачена не треть, а всего 15% изотопа и он распределён неравномерно.

В частности, эти данные могут говорить о том, что для формирования звёзд требовалось значительно меньше водорода, превратившегося затем в гелий. Так же это может оказаться существенным основанием для пересмотра теории эволюции галактик и звёзд.

Если это так, то необходимо также пересмотреть теорию молекулярной эволюции и эволюции жизни на нашей планете, поскольку жизнь напрямую связана с водой и зарождалась в ней. Но была ли это обычная вода? Ещё 10 лет тому назад автор этой статьи, будучи аспирантом Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова в группе академика РАМН В.И. Швеца выдвинул смелое предположение, что первичный «первобытный бульон», в котором зарождалась жизнь в виде первых коорцерватов, был насыщен тяжёлой водой вследствии того, что в атмосфере Земли не было защитного озонового слоя и вулканические геотермальные и электрические процессы в горячей атмосфере, насыщенной водой могли привести к обогащению гидросферы тяжёлой водой. Но тогда мало кто из учёных увлёкся этой идеей, хоть и напрямую никто не отвёрг её. И только сейчас стало очевидным, что учёные пренебрегали дейтерием в своих расчётах.

Если это так, то необходимо заново пересмотреть эволюцию всего живого на нашей планете, чтобы смоделировать и предсказать дейтерированные формы жизни. Тем более, что их можно легко создать в современных условиях - макромолекулы ДНК, белков, липидов и сахаров - вот те главные компоненты для конструирования дейтерированных мембран и изучения гидрофобных взаимодействий между дейтерированными молекулами. Отдельный вопрос - генетика дейтерированных клеток и изучение распределения наследственного аппарата, а также физиология, цитология и морфология клетки при росте на тяжёлой воде.

Модели дейтерированных систем довольно легко прогнозировать и конструировать в лабораторных условиях. Нами были получены адаптированные к тяжёлой воде штаммы бактерий, относящиеся к различным таксономическим группам. Характерной особенностью объектов являлось то, что весь биологический материал клетки вместо природного водорода содержал дейтерий.

Дейтерированные клетки адаптированных к максимальной концентрации тяжёлой воды в среде - весьма удобные объекты для исследования. В процессе роста клеток на тяжёлой воде в них синтезируются макромолекулы, в которых атомы водорода в углеродном скелете полностью замещены на дейтерий. Такие дейтерированные макромолекулы претерпевают структурно-адаптационные модификации, необходимые для нормального функционирования клетки в тяжёлой воде. Но эти изменения не единственны; физиология, морфология, цитология клетки, а также генетический аппарат клетки также подвергается воздействию и модификации в тяжёлой воде. Присутствие дейтерия в биологических системах приводит к изменениям структуры и свойствам жизненно-важных макромолекул таких как дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и белки. При этом различают первичные и вторичные изотопные эффекты дейтерия в зависимости от того, какое положение занимает атом дейтерия в молекуле. Наиболее важными для структуры макромолекулы связи являются водородные (дейтериевые) связи. Они формируются между соседними атомами дейтерия (водорода) и гетероатомами кислорода, углерода, азота, серы и т.д. и играют главную роль в определении структуры макромолекулярных цепей и как эти структуры взаимодействуют с другими соседними макромолекулярными структурами, а также с тяжелой водной окружающей среды. Другое важное свойство определяется самой пространственной структурой тяжёлой воды, которая имеет тенденцию сближать гидрофобные группы макромолекулы, чтобы минимизировать их эффект на водородную (дейтериевую) связь в присутствии молекул тяжёлой воды. Конформация двойной спирали макромолекулы ДНК и макромолекул белков изменяются в присутствии тяжёлой воды так, чтобы макромолекулы обычных белков, помещённые в тяжелую воду имеют более устойчивую пространственную структуру за счёт вторичных изотопных эффектов тяжёлой воды. Вероятно, именно поэтому тяжёлая вода проявляет стабилизирующий эффект на пространственную структуру спирали макромолекул посредством формирования многочисленных непостоянных маложивущих легкообмениваемых на водород (дейтерий) водородных связей с карбоксильными, карбонильными, гидроксильными, сульфидными и амино группами макромолекул. В то время как ковалентные связи атома дейтерия с углеродом С-2Н могут синтезироваться в молекулах только de nоvo, т.е. в процессе биосинтеза. И эти связи приводят к дестабилизации дейтерированных молекул. Серьезное изменение в биохимии клетки связано в её способности делиться в присутствии тяжёлой воды. Тяжёлая вода замедляет скорость деления клетки (митоз) в стадии профазы и особенно этот эффект выражен для быстро делящихся клеток. Этот эффект пропорционален концентрации тяжёлой воды в среде.

Вероятно, клетка реализует лабильные адаптивные механизмы, которые способствуют функциональной реорганизации работы жизненно-важных систем в тяжёлой воде. Так, например, нормальному биосинтезу и функционированию в тяжёлой воде таких биологически активных соединений, как нуклеиновые кислоты и белки способствует поддержание их структуры посредством формирования водородных (дейтериевых) связей в молекулах. Связи, сформированные атомами дейтерия различаются по прочности и энергии от аналогичных водородных связей. Различия в нуклеарной массе атома водорода и дейтерия косвенно могут служить причиной различий в синтезах нуклеиновых кислот, которые могут приводить в свою очередь к структурным различиям и, следовательно, к функциональным изменениям в клетке.

Ферментативные функции и структура синтезируемых белков также изменяются при росте клеток на тяжёлой воде, что может отразиться на процессах метаболизма и деления клетки. Некоторые исследователи сообщают, что после обратного изотопного (1Н-2H)-обмена ферменты не прекращают своей функции, но изменения в результате изотопного замещения за счет первичного и вторичного изотопных эффектов, а также действие тяжёлой воды как растворителя (большая структурированность и вязкость по сравнению с обычной водой) приводили к изменению скоростей и специфичности ферментативных реакций в тяжёлой воде.

В общих чертах, при попадании клетки в дейтерированную среду из неё не только исчезает протонированная вода за счет реакции обмена вода-тяжёлая вода, но и происходит очень быстрый изотопный (1Н-2H)-обмен в гидроксильных, карбоксильных, сульфгидрильных и аминогруппах всех органических соединений, включая нуклеиновые кислоты, липиды, белки и сахара. Известно, что в этих условиях только С-Н связь не подвергается изотопному обмену и вследствие этого только соединения со связями типа С-2H могут синтезироваться de novo.

Возможно эффекты, наблюдаемые при адаптации к тяжёлой воде связаны с образованием в тяжёлой воде конформаций молекул с иными структурно-динамическими свойствами, чем конформаций, образованных с участием водорода, и поэтому имеющих другую активность и биологические свойства. Так, по теории абсолютных скоростей разрыв С2H-связей может происходить быстрее, чем СH-связей, подвижность иона 2H+ меньше, чем подвижность Н+, константа ионизации тяжёлой воды несколько меньше константы ионизации обычной воды. С точки зрения физиологии, наиболее чувствительными к замене Н+ на 2H+ могут оказаться аппарат биосинтеза макромолекул и дыхательная цепь, т. е., именно те клеточные системы, которые используют высокую подвижность протонов и высокую скорость разрыва водородных связей.

Учёным предстоит ещё много работы в этом направлении. Но первый шаг уже сделан - мы научились получать клетки различных микроорганизмов, адаптированные к росту на максимальной тяжёлой воде, которые будучи полностью дейтерированными являются уникальными объектами для изучения молекулярной эволюции.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мосин О.В., Карнаухова Е.Н., Пшеничникова А.Б., Складнев Д.А., Акимова О.Л. // Биотехнология. - 1993. - № 9. - С. 16-20.

2. Мосин О.В., Складнев Д.А., Егорова Т.А., Швец В.И. // Биоорганическая химия. - 1996. - Т. 22. - № 10-11. - С. 856-869.