Концепции современного естествознания

Атмосфера защищает нас не только от малых метеоров, но и от смертоносной космической радиации. Под действием солнечных лучей в атмосфере образуется озон (молекула которого состоит из трех атомов кислорода); он образует защитный слой от более коротковолнового излучения в дальней ультрафиолетовой области, представляющего опасность для всего живого. Если бы весь поток ультрафиолетового излучения достигал земной поверхности, то жизнь на Земле в какой-либо форме вообще не могла бы существовать, по крайней мере на суше. Атмосфера задерживает также многие частицы, опасные для жизни.

Развитие литосферы и рельефа. Наиболее характерная особенность строения рельефа и земной коры -- наличие материковых массивов и океанических впадин. Общая направленность структурного развития земной коры заключается в том, что на первичной базальтовой коре под влиянием действия геосинклинального процесса, т. е. образования линейных тектонических структур, стали возникать острова материковой коры. Этот процесс начался в архейскую эру. В результате действия геосинклинального процесса, включающего в себя складчатость и гранитизацию, происходила консолидация обширных областей земной коры. Она сопровождалась увеличением масс горных пород гранитного слоя материковой коры, возрастанием ее мощности над уровнем моря. С мезозойской эры начал развиваться процесс раскола материковой коры и раздвижения ее в стороны от образовавшихся рифтов. Это привело к дрейфу континентов. С появлением на Земле воды произошло скачкообразное возрастание темпа развития ее внешней области. Геотектонический процесс создания материков (геосинклинальный процесс) также мог развиваться только в условиях морских бассейнов.

В современных условиях наибольшая активность тектонической деятельности Земли проявляется через землетрясения, поэтому остановимся на них более подробно.

Землетрясения -- это одна из наиболее страшных природных катастроф, уносящая десятки и сотни тысяч человеческих жизней и вызывающая опустошительные разрушения на огромных пространствах. Седьмого декабря 1988 г. в Армении произошло мощное землетрясение, которое полностью стерло с лица Земли город Спитак. Тогда за несколько секунд погибло более двадцати пяти тысяч человек, а несколько сот тысяч получили ранения. Ашхабадское землетрясение в ночь с пятого на шестое октября 1948 г. унесло сто тысяч жизней. В Китае в 1920 г. погибло двести тысяч человек, в 1923 г. в Японии -- более ста тысяч. Примеров катастрофических землетрясений, повлекших за собой большие жертвы, очень много. Именно поэтому ученые многих стран предпринимают большие усилия в изучении природы землетрясений и их прогноза. К сожалению, предсказать место и время землетрясения, за исключением нескольких случаев, до сих пор еще не удается.

Любое землетрясение -- это мгновенное высвобождение энергии за счет образования разрыва горных пород, возникающего в некотором объеме, называемого очагом землетрясения, границы которого не могут быть определены достаточно строго и зависят от структуры и напряженно-деформированного состояния горных пород в данном конкретном месте. Деформация, происходящая скачкообразно, излучает упругие волны. Объем деформируемых пород играет важную роль, определяя силу сейсмического толчка и выделившуюся энергию.

Большие пространства земной коры или верхней мантии Земли, в которых происходят разрывы и возникают неупругие тектонические деформации, порождают сильные землетрясения: чем меньше объем очага, тем слабее сейсмические толчки. Гипоцентром, или фокусом, землетрясения называют условный центр очага на глубине, а эпицентром -- проекцию гипоцентра на поверхность Земли. Чаще всего очаги землетрясений сосредоточены в земной коре на глубине 10-30 км. Как правило, главному подземному сейсмическому удару предшествуют локальные толчки -- форшоки. Очаг землетрясения характеризуется интенсивностью сейсмического эффекта, выражаемого в баллах и магнитуде. В России используется 12-балльная шкала интенсивности. Согласно этой шкале принята следующая градация интенсивности землетрясений: I--III балла -- слабые, IV-V -- ощутимые, VI-VIII -- сильные (разрушаются ветхие постройки), VIII -- разрушительные (частично разрушаются прочные здания, падают фабричные трубы), IX -- опустошительные (разрушается большинство зданий), X -- уничтожающие (разрушаются мосты, возникают оползни и обвалы), XI -- катастрофические (разрушаются все сооружения, изменяется ландшафт), XII -- губительные катастрофы (вызывают изменения рельефа местности на обширной территории).

Сейсмические волны, распространяющиеся от очага землетрясения во все стороны, достигая поверхности Земли, могут быть зафиксированы специальными приборами -- сейсмографами, которые записывают ничтожные колебания грунта от землетрясений, происшедших даже на противоположной стороне земного шара. Ежегодно регистрируется более нескольких сот тысяч землетрясений, ощущаемых людьми, однако только около 100 землетрясений можно отнести к разрушительным. Эта непрерывная сейсмическая активность является следствием современных тектонических движений в самой поверхностной оболочке Земли -- литосфере.

Размещение землетрясений на земном шаре носит вполне закономерный характер и в целом хорошо объясняется теорией тектоники литосферных плит. Наибольшее количество землетрясений на земном шаре связано с границами плит, т. е. с такими законами, где плиты либо сталкиваются друг с другом, либо расходятся и наращиваются за счет образования новой океанической коры. У нас в стране к наиболее сейсмически активным регионам относятся Восточные Карпаты, Горный Крым, Кавказ, Копетдаг, Тянь-Шань Памир, Алтай, район озера Байкал и Дальний Восток, особенно Камчатка, Курильские острова и остров Сахалин, где двадцать восьмого мая 1995 г. произошло разрушительное нефтегорское землетрясение с магнитудой 7,5, а число погибших составило две тысячи человек.

Механизм землетрясений -- весьма сложный процесс, к пониманию которого сейсмологи только приближаются. Очаг сильного землетрясения представляет собой некоторое внезапное смещение в определенном объеме пород по относительно обширной плоскости разрыва, поэтому механизм землетрясения представляет собой кинематику движения в очаге.

Если землетрясение происходит в океане, над его эпицентром при внезапном вертикальном смещении дна во всей массе воды возникают своеобразные подводные волны, двигающиеся со скоростью 800 км/ч во все стороны от эпицентра. В открытом океане эти длинные волны практически неощутимы, но с приближением к пологому берегу, в заливах, бухтах высота волн многократно увеличивается, образуется крутая водяная стена высотой 10-15 м, а нередко и более, с колоссальной силой и грохотом обрушивающаяся на берег, сметая все на своем пути. Цунами 1996 г. на Японском побережье привело к гибели двадцати шести тысяч человек.

Прогноз землетрясений -- наиболее проблема, которой занимаются ученые во многих странах мира. Однако, несмотря на все усилия, этот вопрос еще далек от разрешения. Прогнозирование землетрясений включает в себя как выявление их предвестников, так и сейсмическое районирование, т. е. выделение областей, в которых можно ожидать землетрясение определенной балльности. Предсказание землетрясений состоит из долгосрочного прогноза на десятки лет, среднесрочного прогноза на несколько лет, краткосрочного на несколько недель или первые месяцы и объявление непосредственной сейсмической тревоги. Существует большое количество разнообразных предвестников землетрясений, начиная от собственно сейсмических, геофизических и кончая гидродинамическими и геохимическими. Например, сильные землетрясения в противоположность слабым в конкретном районе происходят через значительные промежутки времени, измеряемые десятками и сотнями лет, так как после разрядки напряжений необходимо время для их возрастания до новой критической величины. Иными словами, выявляется некоторая периодичность или сейсмический цикл, позволяющий давать хотя и очень приблизительный, но долгосрочный прогноз.

Сейсмические предвестники включают рассмотрение группирования роев землетрясений. Особый интерес в качестве предвестников представляют форшоки, предваряющие, как правило, основной сейсмический удар. В качестве геофизических предвестников используют точные измерения деформаций и наклонов земной поверхности с помощью специальных приборов -- деформаторов. Перед землетрясением скорость деформации резко возрастает. К предвестникам относится также изменение скоростей пробега продольных и поперечных сейсмических волн в очаговой области непосредственно перед землетрясением. То же относится и к вариациям магнитного поля, так как напряженное состояние пород влияет на колебания величины магнитного эффекта в магнитных минералах. Довольно надежны в качестве предвестников измерения колебания уровня подземных вод, поскольку любое сжатие в горных породах приводит к повышению этого уровня в скважинах и колодцах.

Но так же, как и тысячи лет назад, мы не в состоянии предвидеть, где, какой силы и главное когда произойдет очередной удар подземной стихии. В настоящее время степень предсказуемости долго- и среднесрочного прогноза имеет вероятность 0,7-0,8. Хуже обстоит дело с краткосрочными прогнозами, для которых пока не установлены значимые связи с предвестниками. Любой современный прогноз землетрясения носит вероятностный характер, и главная цель сейсмологии еще не достигнута.

Вулканы. Еще одним видом динамических процессов, происходящих в земной коре, являются вулканы. С древности огнедышащие горы в честь бога огня и кузнечного ремесла называют вулканами. Извержение вулкана обычно продолжается несколько дней, иногда -- несколько месяцев. После сильного извержения вулкан успокаивается на несколько лет и даже десятилетия. Вулканы, подверженные извержениям, называются действующими, а не подверженные -- потухшими. В настоящее время на Земле известно несколько сот действующих вулканов. На вершине вулкана образуются мощные ледники, которые при сильных извержениях тают, создавая стремительные потоки воды или грязи. Вулканы обычно имеют форму конуса со склонами, пологими у подошв и крутыми у вершин. Кратер вулкана имеет глубокую впадину с обрывистыми стенами и похож на гигантскую чашу. Дно кратера покрыто облаками крупных и мелких камней, а из трещин поднимаются струи газа и пара. Одни струи поднимаются спокойно, другие -- вырываются с шипением и свистом. Кратер наполняют удушливые газы, образующие облако на вершине вулкана. Так вулкан может спокойно крутиться месяцы и годы, пока не произойдет извержение.

Вулканологи предсказывают извержения вулканов, анализируя события предшествующие извержению. Обычно извержению предшествуют вулканические землетрясения, подземный гул, усиленное выделение паров и газов. На вершине вулкана сгущаются облака, а его склоны вспучиваются. Под давлением газов дно кратера взрывается. Вулкан грохочет и дрожит, по его жерлу поднимается бурлящая огненно-жидкая лава. Переливаясь через края, она устремляется по склонам, сжигая и уничтожая все на своем пути. Извержения вулканов происходят также на дне морей и океанов. При этом над водой поднимаются столбы пара, на поверхности воды появляется "каменная пена" -- пемза.

Причиной появления очагов вулканов и магмы считается тепло от радиоактивного распада элементов в мантии. Очаги магмы располагаются под земной корой, в верхней части мантии, на глубине не менее 50 км. Под сильным давлением выделяющихся газов магма, расправляя окружающие породы, прокладывает себе путь и образует жерло или канал вулкана. Освобождающиеся газы взрывами расчищают путь по жерлу, разламывая твердые породы и выбрасывая их куски на большую высоту. При этом магма выливается из кратера и уже как лава течет по склонам вулкана. Если магма не находит выхода на поверхность, то она затвердевает в трещинах земной коры. Иногда, внедряясь в трещины, магма поднимает поверхность земли куполом и застывает в форме купола.

Эволюция биосферы. Эволюция химических соединений, приведшая к зарождению жизни, началась с появления на Земле масс жидкой воды, т. е. с ранней геологической истории. Время образования предбиологических систем (коацерватов) продолжалось около 1 млрд лет. Самые старые ископаемые клетки образовались в архейский период развития Земли, продолжавшийся от 3,4 до 2 млрд лет назад. В протерозое, длившемся от 2 млрд лет до 600 млн лет назад, образовались наиболее старые из фотосинтезирующих растений. В конце протерозоя образовались различные организмы. Были обнаружены отпечатки 13 видов медузообразных, кишечно-полостных, некоторые виды червей и животных, не похожих на формы более позднего времени. Уже существовал биотический круговорот вещества и энергии. Зеленые растения, водоросли и фотосинтезирующие бактерии путем фотосинтеза поглощали из воздушной среды углекислый газ и воду, а выделяли из нее кислород. Общее уравнение фотосинтеза выражается так:

Таким образом, в процессе фотосинтеза атмосфера обогащается кислородом и теряет углекислый газ. Современный состав атмосферы (азот -- 78%, кислород -- около 21%, углекислый газ -- 0,031%) -- результат деятельности органического мира. При солнечном излучении в области спектра от 1000 до 2000 происходит реакция между атомом и молекулой кислорода с образованием озона:. Наибольшая концент-

рация озона находится на высоте 25 км над поверхностью Земли. Это так называемый озоновый слой, поглощающий излучение в диапазоне волн короче 3000 А.

Палеозойская эра (от 600 до 225 млн лет назад) -- это время древней жизни. В начале палеозоя суша представляла голую пустыню, а в море обильно развивались сине-зеленые и красные водоросли, а также представители всех типов животных организмов. В развитии биосфер выход растений на сушу -- настоящая революция. В условиях жаркого влажного климата происходило произрастание огромных древовидных растений, папоротников и отложения их в прибрежных осадках.

Мезозойская эра (от 225 до 70 млн лет назад) характеризуется дальнейшим развитием растительного и животного мира как на суше, так и на море. Произошло массовое распространение рептилий -- динозавров, черепах, древних крокодилов, ихтиозавров.

В кайнозойскую эру (от 70 млн лет назад) развивались млекопитающие.

Итак, начиная с древнейших времен до современной эпохи шло непрерывное развитие биосферы -- увеличение разнообразия живых форм и усложнение их организации. Жизнь, зародившись в море, захватила и сушу. На ранней стадии своего развития протоземля была окружена роем небольших спутников, радиусы которых достигали 100 км. Со временем из них на расстоянии около 10 земных радиусов сформировалась Луна. Одновременно в результате приливных воздействий начался процесс ее медленного удаления от Земли, который продолжается до сих пор и сопровождается уменьшением скорости вращения Земли вокруг своей оси.

Таким образом, хотя есть много трудностей в объяснении эволюции Солнечной системы, можно уверенно говорить о том, что планеты и Солнце образовались из одного газопылевого облака и что сами планеты сформировались из роя холодных и твердых тел.

13.4 Космос и Земля

естествознание эволюция познание

Земля -- колыбель человечества. Но нельзя же вечно жить в колыбели!

К. Э. Циолковский

Человечество всегда интересовалось тем, какое место занимают человек и Земля в окружающем мире. Понимали, что Земля как структурная единица мира связана с космосом и космос оказывает определенные воздействия на Землю. Но эта связь трактовалась по-разному. С древнейших времен влияние небесных тел на человека рассматривается в астрологии. Астрология возникла в те очень далекие времена, когда все явления окружающего мира: землетрясения, извержения вулканов, засухи, эпидемии--наши предки приписывали не законам природы, открытым много позднее Кеплером, Галилеем, Коперником, Ньютоном и другими учеными, а.воле таинственных божеств. К таким божествам они относили известные светила: Солнце, Луну, Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн. Воле этих же светил приписывались и изменения в судьбах конкретных людей. Успехи, удачи, обогащение и неожиданные болезни, нищета, потеря близких -- все это считалось "проделками" светил. Но от бед можно уберечься, если знать, как расположены к тебе звезды, что готовят они сегодня и в будущем. Именно это стремление уберечься от бед и привело к расцвету и столь долгой жизни астрологии.

Современное общество, как и в прошлом, относится к астрологии неоднозначно. В то время как серьезные ученые критикуют астрологов и астрологию, разбирая ее буквально "по косточкам", периодические издания полны гороскопов и предсказаний. Имена астрологов также известны сегодня, как имена популярных артистов. Книги по астрологии пользуются популярностью.

В чем же суть астрологии? Если это наука о взаимосвязи ритмов человека и космоса, наука, более прочих учитывающая диалектическое единство Человека и Вселенной, то и оценка должна быть соответствующей. Ведь отрицать это единство в наши дни просто невозможно. Однако в том-то и камень преткновения, что в течение тысячелетий в астрологии видели инструмент предсказаний и ключ к загадочной и пугающей книге судеб. И несмотря на все оговорки, отказаться от привычной роли пророчицы астрология не в силах и сегодня. Реальная астрология, существующая в истории, -- это учение о предсказании будущего на основе наблюдений звездного неба. Жизнь показывает, что именно сама логика познания, противоречия, взлеты и тупики обусловливают в немалой мере тот интерес к астрологии, который мы наблюдаем сегодня. Отрицая такую астрологию, вместе с тем наука признает неразрывную связь, единство Человека и Мира, их взаимосвязь и влияние Космоса на процессы, происходящие на Земле, в том числе на биосферу и человека. Рассмотрим некоторые из них.

Наиболее близким небесным телом к Земле является его спутник Луна. Давно подмечено и воздействие Луны на Землю и на все живое на нем. Разница в силах притяжения со стороны Луны различных участков земной поверхности вызывает изменение силы тяжести на земной поверхности и поэтому возникают во всех сферах Земли (гидросфере, литосфере, атмосфере) известные явления приливов и отливов. Естественно, эти изменения сказываются и на биосфере, и человеке. Особенно существенными они становятся во время новолуний и полнолуний, когда к лунным приливам и отливам прибавляются и солнечные.

Поскольку сила притяжения создает приливное ускорение, обращенная к Луне сторона Земли притягивается с силой, на 7% большей, чем центр Земли. Эта разность сил ведет к искажению формы Земли -- растягивает шар вдоль линии, соединяющей Луну и Землю. Энергия приливов превращается в тепловую, причем выделяемая мощность составляет около 3 * 1019 эрг. Влияние приливного трения не ограничивается историческим периодом; и оно действовало с древнейших геологических эпох. У некоторых ископаемых кораллов найдена кольцеобразная структура, подобная годичным кольцам роста деревьев, по которой можно проследить суточную и годичную скорость роста. Влияние сил притяжения Луны приводит к торможению вращения Земли, вследствие которого продолжительность земных суток медленно увеличивается. Было установлено, что 400 млн лет назад год длился 400 суток, следовательно, продолжительность суток была около 22 ч. Месячные кольца показали, что лунный месяц тогда был равен 21 суткам.

При изменении фаз Луны изменяется степень освещенности Земли со стороны Луны. Эти явления, естественно, оказывают какое-то влияние на биосферу и человека. Хотя Луна и не оказывает прямого воздействия на человеческую жизнь, она обогащает ее благодаря таким явлениям, как океанские приливы и затмения. А иногда, созерцая Луну, мы испытываем истинное вдохновение. Известные недельные ритмы явлений биосферы связаны с влиянием Луны и ее фазами. Видимо, обнаружив такие связи Луны и Земли, появляются различные астрологические прогнозы и гадания. В частности, еще в начале XVIII в. в Англии появился трактат, в котором говорилось о том, что приступы эпилепсии, астмы, истерики и головокружения могут быть связаны с различными фазами Луны.

Безусловно, наибольшее влияние на процессы, происходящие на Земле, оказывает Солнце. Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обязан Солнцу своим существованием. Солнце -- не только источник света и тепла, но и первоначальный источник многих других видов энергии (энергии нефти, угля, воды, ветра).

Издавна у разных народов Солнце было объектом поклонений. Его считали самым могущественным божеством. Культ непобедимого Солнца был одним из самых распространенных (Омон и Ра -- бог Солнца у египтян, Гелиос -- греческий бог Солнца, Аполлон -- бог Солнца у римлян, Митра -- у персов, Ярило -- у славян и т. д.). В честь Солнца воздвигали храмы, слагали гимны, приносили жертвы. Ушло религиозное поклонение дневному светилу. Сейчас ученые исследуют природу Солнца, выясняют его влияние на Землю, работают над проблемой применения практически неиссякаемой солнечной энергии. Из всей энергии, излучаемой Солнцем в космическое пространство, примерно одна двухмиллиардная часть достигает границы земной атмосферы. Около трети энергии солнечного излучения, падающего на Землю, отражается ею и рассеивается в космос. Много солнечной энергии идет на нагревание земной атмосферы, океанов и суши. От Солнца поверхность Земли получает более чем в 2000 раз больше энергии, чем она сама испускает, поэтому можно сказать -- вся биосфера Земли образована и существует за счет солнечной энергии.

Пионером изучения солнечно-земных связей является наш соотечественник А. Л. Чижевский. Солнце посылает на Землю свет и тепло; электромагнитные излучения от жесткого гамма-излучения до километровых радиоволн, потоки заряженных частиц; Солнце воздействует на Землю либо прямо, т. е. в виде переноса солнечной энергии к Земле, либо путем перераспределения уже накопленной энергии в магнитосфере, ионосфере и нейтральной атмосфере Земли. Общеизвестно, что основой жизнедеятельности биосферы на Земле являются суточные и годичные биоритмы, связанные с движением Солнца.

Комплекс нестационарных образований в атмосфере Солнца (пятна, факелы, протуберанцы, вспышки и др.) называется солнечной активностью. Солнечная активность имеет 11-летнюю цикличность. В годы максимума солнечной активности на Солнце много центров активности (возмущенное Солнце). В годы минимума центров активности мало (спокойное Солнце).

То, что Солнце -- основа возникновения и существования жизни на нашей планете, а также причина большинства протекающих на ней физических и химических процессов, -- тривиальная истина, привычная с незапамятных времен. Однако роль его гораздо значительнее и сложнее, нежели предполагалось ранее. Александру Леонидовичу Чижевскому удалось научно доказать, что для органического мира Земли существенна не только постоянно излучаемая Солнцем энергия, но и периодически возникающие изменения "солнцедеятельности", или солнечной активности. Наиболее ярко солнечная активность проявляется в виде солнечных пятен, образующихся на его поверхности. Во время минимума солнечной активности число пятен минимально, во время максимума достигает наибольшего значения. Как показали систематические наблюдения пятен, проводимые на протяжении многих десятилетий, в их проявлении на поверхности Солнца имеются определенные закономерности. В качестве меры пятнообразовательной деятельности Солнца используются числа Вольфа:

W = 10g + f,

где g -- число групп пятен, f -- общее число всех пятен, видимых на диске Солнца. Оказалось, что число пятен на Солнце изменяется приблизительно периодически с периодом около 11 лет. От Солнца к Земле идут потоки ионизированной плазмы и связанного с ней магнитного поля, называемые солнечным ветром, который по-существу является непрерывно расширяющейся внешней солнечной короной. Состав и параметры солнечного ветра коррелируют с солнечной активностью.

Активные процессы, происходящие на Солнце, в той или другой степени воздействуют на Землю, на состояние ее атмосферы, на ее магнитное поле и на ее биосферу, в частности на организм человека. Так, еще в XIX в. было замечено, что амплитуда суточных колебаний магнитного поля Земли изменяется от года к году в ритме с числом пятен на Солнце. Наблюдения показали, что спустя 1-2 суток после прохождения больших пятен или их групп через центральный меридиан Солнца возникают особенно сильные неправильные колебания величины магнитного поля Земли -- магнитные бури. И они, и полярные сияния связаны с движущимися от Солнца корпускулярными потоками.

Непосредственно во время вспышек, наблюдаемых в хромосфере, происходят нарушения радиосвязи, особенно на длинах волн от 15 до 60 м. Они обусловлены резким возрастанием ионизации в ионосфере под действием повышенного излучения Солнца в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах.

При исследовании поперечных срезов стволов деревьев было обнаружено, что толщина годичных колец в различные годы была неодинаковой, она ритмично повторялась. Было найдено, что в любом районе Земли рисунок расположения колец одинаков у всех деревьев. Были исследованы древесные отложения за последние 3000 лет. На основе этого были получены четко выраженные циклы роста, составляющие около 11 лет. Максимуму солнечной активности соответствуют широкие кольца, что указывает на благоприятные условия роста деревьев в этот период.

Изучение исторических документов показало, что имевшие место в прошлом вспышки чумы, холеры, скарлатины и дифтерии приходились преимущественно на годы максимумов активности Солнца. Современные статистические данные указывают на то, что количество случаев обострения сердечно-сосудистых заболеваний в момент появления на Солнце вспышки увеличивается в 3-5 раз. По-видимому, в ритме с солнечными явлениями изменяются некоторые функции человеческого организма. По некоторым данным, чем больше активность Солнца, тем меньше средняя концентрация соляной кислоты в желудке. В максимуме активности способность сыворотки крови растворять инородные частицы и микробы примерно на 30% меньше, чем в минимуме.

В результате и понижается барьер, которым организм защищает себя от болезнетворных микробов.

В целом влияние солнечной активности на человека происходит через возмущения магнитного поля Земли во время вспышек. Отмечается существенное влияние флуктуации солнечной активности и геомагнитной возмущенности на разнообразные, в том числе биологические процессы на Земле (динамика популяций, животных, эпидемий, количество сердечно-сосудистых кризисов и т. д.). Наиболее вероятной причиной таких связей являются низкочастотные колебания электромагнитного поля Земли. Под воздействием солнечной активности на Земле происходят прекращение радиосвязи, всплески шумового радиоизлучения, ионосферные и магнитные бури, полярные сияния, внезапные увеличения интенсивности космических лучей и т. д.

Надежно установлена связь солнечной активности с погодно-климатическими изменениями. Имеется цикл появления засухи с периодом около 22 лет. Не вызывает споров связь солнечной активности с частотой следования гроз. Если солнечная активность влияет на климат и погоду, то нет ничего удивительного, что важнейшие циклы солнечной активности просматриваются в показателях урожайности. Установлена закономерность: в Северном полушарии наибольшая урожайность приходится на годы максимума солнечной активности, в Южном полушарии -- наоборот, наиболее обильные урожаи собирают, как правило, в эпохи минимума.

Сколько-нибудь значительное увеличение интенсивности приземного ультрафиолетового излучения длиной волны около 290 нм смертельно опасно для подавляющего большинства организмов. Амплитуда этих модуляций составляет от 10 до 50% в зависимости от технической оснащенности сельского хозяйства данной страны. Синхронизация биологических процессов такого рода с вариациями солнечной активности возникает не из-за погодных изменений, а обязана своим происхождением непостоянству совсем другого экологического параметра -- электромагнитных фоновых полей. На низких (ниже 104 Гц) и сверхнизких (ниже 102 Гц) частотах, где напряженность полей достигает довольно значительных величин, электромагнитное излучение генерируется в верхней атмосфере -- магнитосфере. Эти процессы контролируются явлениями на Солнце, солнечной активностью (внешняя корона Солнца доходит до Земли). Получается, что упомянутые вариации могут отражать вариации солнечной активности. Эти колебания генерируются на самой границе магнитосферы. Организм проявляет очень высокую чувствительность к сверхнизкочастотным магнитным и электрическим полям малой напряженности. Сейчас не подлежит сомнению, что амплитудно-спектральные вариации низкочастотного электромагнитного фона приводят к биохимическим, физиологическим и т. п. изменениям в организмах -- от бактерий до человека.

При анализе европейской статистики смертности от чумы и холеры А. Л. Чижевским обнаружено, что они приурочены в основном к максимумам солнечной активности. Сейчас известны также статистические данные, указывающие на увеличение числа случаев осложнений при родах с возрастанием уровня геомагнитной возмущенности (степень выраженности такого явления усиливается с приближением к высоким широтам). В 11-летнем цикле солнечной активности частота следования естественных электромагнитных возмущений и их масштаба сильно различаются при переходе от максимума активности к минимуму. Возможно, поэтому организмы, чей эмбриональный период развития приходится на максимум и минимум солнечной активности, приобретают какие-то характерные особенности, определенные различия. Действительно, на протяжении двух последующих десятилетий накоплены данные, указывающие на существование некоторых конституциональных различий организма человека в зависимости от фазы 11-летнего цикла, на которую приходится дата его рождения. Выявленные различия охватывают широкий круг параметров. Например, некоторые показатели кровяного давления у школьников тем выше, чем выше был уровень солнечной активности в год их рождения. Дети, внутриутробное развитие которых проходило при более высоком уровне солнечной активности, в среднем более подвержены некоторым заболеваниям, и протекание определенных заболеваний у таких детей имеет примечательные особенности. Было замечено также, что риск заболевания шизофренией статистически коррелирует с уровнем солнечной активности в период внутриутробного развития.

Была также обнаружена закономерная циклическая повторяемость скачков в развитии науки, явно коррелирующая с солнечной активностью. Например, все эпохи повышенной солнечной активности, приходящиеся на период творческой жизни А. Эйнштейна, непосредственно отразились на ней. Это можно проследить как по его наиболее выдающимся достижениям 1905, 1916, 1927, 1938 и 1949 годов, так и по соответствующим циклическим вариациям статистических количественных показателей плодотворности этого гениального ученого.

А. Л. Чижевский установил несомненное влияние всплесков солнечной активности на массовое состояние и поведение людей, на происходящие время от времени всплески массовых безумств и психических расстройств. Таким образом, земная ноосфера оказывается непосредственно связанной со средним периодом циклически изменяющейся солнечной активности.

Число таких примеров можно легко увеличить. Мы ограничимся упоминанием о существовании специальных физиологических тестов, дающих существенно различные результаты при их применении в зависимости от того, родился ли испытуемый в годы максимума или минимума солнечной активности. Зависимость типологических характеристик организма человека от фазы 11-летнего цикла, на которую приходится период его эмбрионального развития, усиливается, акцентируется, когда магнитный момент Земли достигает минимума. В такие эпохи становятся существенными и другие циклы электромагнитных возмущений, накладывающиеся на "основной" 11-летний цикл: сезонные, недельные. В настоящее время зависимость физиологических, психологических и т. п. личностных характеристик человека от сезона его рождения (точнее, от сезона, на который приходятся критические периоды развития эмбриона) многими считается несуществующей. Это определенно неверно. Доказано, например, что риск заболевания шизофренией заметно выше для лиц, родившихся в интервале с января по апрель, и особенно в интервалах повышенной геомагнитной возмущенности. Определенные типологические характеристики организма человека зависят от того, в какую фазу солнечного 11-летнего цикла он родился. Поскольку фаза солнечного цикла может быть связана с определенными планетными конфигурациями, то эти типологические характеристики оказываются связанными также и с взаимным расположением планет. Соблазнительно предположить, что такая корреляционная связь была подмечена в древности и послужила идейной основой для развития древнейшей космической доктрины -- астрологии. Одним из первых, кто обратил внимание на эти возможные гносеологические корни возникновения астрологии, был А. Л. Чижевский. Но такое предположение о происхождении астрологии вызывает, конечно, целый ряд вопросов.

Таким образом, мы можем резюмировать следующее: вероятной причиной столь глубокого и прочного интереса древних к астрономическим наблюдениям Луны, Солнца и, видимо, планет было удовлетворение потребностей в прогнозе и изучении гармонии важнейших ритмов биосферы. Метод прогноза ясен. Из известной сейчас цепочки корреляционных связей (конфигурации планет -- солнечная активность -- проявления солнечной активности в биосфере и атмосфере) древние астрономы использовали два звена, сопоставляя непосредственно взаимное расположение планет с проявлениями солнечной активности в среде обитания.

Имеющиеся в настоящее время данные позволяют предполагать, что таким образом можно было в принципе прогнозировать урожайность, численность промыслового зверя, улов рыбы, эпидемии и эпизоотии, а также контролировать демографическую ситуацию в пределах 11-летнего цикла. Вероятно, тогда же была подмечена связь некоторых существенных типологических характеристик организма человека с фазой 11-летнего цикла, в которую он родился, т. е. с взаимным расположением планет. Упомянутые особенности, очевидно, зависят также от сезона рождения (т. е. от перемещения Солнца относительно звезд) и от околомесячной (околонедельной) ритмики, показателем которой могут служить лунные фазы. Эта эмпирическая связь, вероятно, послужила идейной основой для возникновения астрологии, хотя сейчас ясно, что все эти эффекты обусловлены солнечной активностью, чье воздействие на организм опосредствовано вариациями электромагнитного фона на низких и сверхнизких частотах.

ВЫВОДЫ

На определенной стадии эры вещества произошла фрагментация однородно распределенного вещества Вселенной. Согласно критерию Джинса, сгущения, возникшие в однородной среде, либо уплотняются под действием сил тяготения, либо рассасываются под действием газового давления. Критический размер сгущения и его масса по критерию Джинса зависят от соотношения температуры и плотности.

Структура галактики определяется начальными условиями ее образования. Другими словами, галактики рождаются либо как спиральные, либо как эллиптические, и в процессе эволюции тип галактики сохраняется. В настоящее время имеются уже довольно хорошо разработанные модели превращения огромного облака газа, сжимающегося в результате действия закона всемирного тяготения сперва в протогалактику, а потом в галактику.

Наша Галактика -- гигантская звездная система, состоящая из двухсот миллиардов звезд и представляющая собой диск с утолщением в центре -- гало. Считается, что она образовалась примерно 13 млрд лет назад. Среди звезд, или населения, есть звезды более молодые и более старые, причем молодые звезды сконцентрированы в достаточно тонком диске, а старое население Галактики почти равномерно занимает сферический объем с увеличивающейся концентрацией к центру.

Согласно концепции эволюции звезд, из газопылевых комплексов, наблюдаемых в виде туманностей, под действием тяготения образуются фрагменты, по форме напоминающие шар.

Этот шар постепенно вращается, уплотняется, разогревается изнутри -- образуется протозвезда. При достижении температур 8 млн К начнутся термоядерные реакции, прекращающие дальнейшее сжатие, и протозвезда станет звездой.

Скорость эволюции звезд зависит от их первоначальной массы. Состояние горячего белого карлика -- вероятное будущее звезды с массой, примерно равной солнечной -- до 1,2 Мс. Устойчивое состояние таких звезд длится примерно 9-10 млрд лет. После выгорания водорода в центре такой звезды образуется ядро из гелия, в оболочку которого перенесутся термоядерные реакции. Внешние оболочки начнут расширяться, и звезда превратится в красного гиганта. Его оболочка постепенно теряется в пространстве, а горячее ядро, сжимаясь, станет белым карликом. Большие звезды -- бело-голубые гиганты и сверхгиганты -- могут эволюционировать до 1 млрд лет. В их недрах температуры много больше солнечных, и там идут термоядерные реакции с образованием новых химических элементов. Звезды массами меньше двух солнечных могут потерять устойчивость на последних этапах эволюции и взорваться как сверхновые, обогатив пространство тяжелыми химическими элементами, а затем сжаться до состояния нейтронной звезды. Нейтронные звезды и черные дыры -- возможное будущее достаточно массивных звезд массами, превышающими солнечную более чем вдвое.

Современная наука предлагает картину рождения и развития Солнечной системы из холодного газопылевого комплекса -- протопланетного облака около 5 млрд лет назад. Исследования распространенности химических элементов на планетах показывают, что все планеты имеют единое происхождение и единый возраст.

В формировании Земли существенную роль играли тепло недр и процессы радиоактивного распада. Формирование земной коры происходило в течение длительного периода, который, по данным палеонтологии, разделен на эры, периоды, эпохи, века. Большую роль в эволюции Земли сыграло наличие гидросферы и появление органической жизни на ней.

Вопросы для контроля знаний

Какие причины приводят к фрагментации однородно распределенного вещества?

В чем заключается критерий Джинса в образовании галактик?

Чем подтверждается верность термоядерного источника солнечной энергии?

Объясните, почему судьба звезды оказалась в сильной зависимости от ее массы.

О чем говорит наличие тяжелых химических элементов в звездах?

Какие гипотезы происхождения планет вам известны? Какие закономерности движения планет Солнечной системы они объясняют?

Какие общие особенности планет Солнечной системы свидетельствуют о едином происхождении планет? Поясните распространенность химических элементов в Солнечной системе.

На какие этапы разделяют эволюцию Земли?

Поясните, как сформировались атмосфера, гидросфера и биосфера Земли?

Какие солнечно-земные связи вы знаете?

Какие процессы происходят при звездном нуклеосинтезе?

Как происходило образование ядер элементов, расположенных после железа в таблице Менделеева?

Можно ли считать Солнечную систему единственной планетной системой?

В чем проявляются тектонические процессы на Земле?

Где расположены континентальные плиты?

Почему среди планет земной группы только Земля является жизнеспособной планетой?

Какова природа земного магнетизма?

14. КОНЦЕПЦИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ

Гармоничное взаимодействие всего сущего не предопределено предписанием некоего отчужденного от него высшего начала, но проистекает из того, что все живые существа являются частями иерархии родственных единств, составляющих космическую систему, и повинуются они лишь внутренним велениям собственной природы.

Чжуан-цзы (III в. до н. э.)

14.1 Концепции происхождения жизни но Земле

Одним из наиболее трудных и в то же время актуальных и интересных в современном естествознании является вопрос о происхождении жизни. Жизнь -- одно из сложнейших, если не самое сложное явление природы. Для нее особенно характерны обмен веществ и самовоспроизведение, а особенности более высоких уровней ее организации обусловлены строением более низких уровней. Живые существа -- это естественные информационные системы, т. е. системы, существующие сами по себе, а не в результате построения или составленной кем-то программы.

Отличие живого от неживого заключается в нескольких фундаментальных направлениях: вещественном, структурном и функциональном планах его изучения. В вещественном плане в состав живого обязательно входят высокоупорядоченные макромолекулярные органические соединения, называемые биополимерами, -- белки, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). В структурном плане живое отличается от неживого клеточным строением. В функциональном плане для живых тел характерно воспроизводство самих себя, вернее самовоспроизводство.

Живые тела отличаются от неживых также наличием обмена веществ, способностью к росту и развитию, активной регуляцией своего состава и функций, способностью к движению, раздражимостью, приспособленностью к среде и т. д. Однако имеются переходные формы от нежизни к жизни. Например, вирусы вне клеток другого организма не обладают ни одним из атрибутов живого, хотя у них есть наследственный аппарат. Они могут расти и размножаться лишь в клетке организма-хозяина, используя его ферментные системы.

В современном естествознании существует пять основных концепций возникновения жизни: 1) креационизм -- божественное сотворение живого; 2) концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества; 3) концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда; 4) концепция панспермии -- внеземного происхождения жизни; 5) концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся естественно-научным законам.

Первая концепция является религиозной и к науке прямого отношения не имеет. Хотя к нему близка концепция, согласно которой жизнь создана высшим разумом, находящимся вне Вселенной. Основывается она на отрицании возможности объяснить генезис жизни естественными причинами и направлена против концепции химической, предбиологической эволюции. В качестве основополагающего тезиса в данных концепциях рассматривается положение о том, что жизнь как на Земле, так и вообще где-либо во Вселенной не может возникнуть случайно. Жизнь представляет собой акт преднамеренного творения, что приводит к отождествлению современных космологических представлений с религиозными истинами, и для вечной, безграничной Вселенной характерно неизменное постоянство картин жизни. Изложенная в ней временная и иерархическая последовательность событий содержит исходное представление об эволюции: первый день -- появление света, второй день -- звезд, третий день -- создание Земли, четвертый день -- Солнца и Луны, пятый день -- рыб в море и птиц в небе, шестой день -- создание человека и, наконец, седьмой день--день отдыха. В пользу данной концепции авторы приводят следующие аргументы: 1) белки, нуклеиновые кислоты и другие биологические соединения с их весьма сложной структурой могут быть созданы только живым существом, поскольку системы такой сложности не могут возникнуть в результате взаимодействия простых веществ в первичном океане; 2) в естественно-научном объяснении происхождения жизни необходимо исходить из положения, что жизнь уже была закодирована в структуре атомов.

В конце прошлого века были распространены "теории", согласно которым жизнь возникает в болотах, гниющей массе и тому подобных местах. Именно там из неживой материи возникают живые организмы -- личинки мухи и даже мыши. Вторую концепцию опроверг изучавший деятельность бактерий французский микробиолог XIX в. -- Луи Пастер. Третья концепция из-за своей оригинальности и умозаключительности всегда имела немного сторонников.

К началу XX в. в науке господствовали две последние концепции. Концепция панспермии, согласно которой жизнь была занесена на Землю извне, опиралась на обнаружение при изучении метеоритов и комет "предшественников живого" -- органических соединений, которые, возможно, сыграли роль "семян". Во второй половине прошлого века шведский ученый Сванте Ар-рениус выдвинул оригинальную гипотезу. По его мнению, жизнь возникла не на Земле, а была занесена на нее из космоса. Наша планета была "заражена" микроорганизмами, прибывшими из глубин Вселенной. Этот процесс Аррениус назвал панспермией. Гипотеза шведского ученого не получила поддержки его коллег. Никто не видел возможности для микроорганизмов длительно путешествовать в космическом пространстве, не погибая от губительных излучений. В свое время эту гипотезу обсуждали очень бурно. Его сторонниками были выдающиеся умы своего времени. Но были противники. Так, А. И. Опарин показал, что эта теория, строго говоря, ничего не дает. Во всяком случае, она не имеет никакого отношения к происхождению жизни, ибо даже если удастся доказать, что жизнь была занесена на нашу планету извне, то это не освобождает нас от необходимости объяснить, как же она возникла изначально. Теория панспермии позволяет разрешить лишь проблему происхождения земной жизни, одновременно увеличивая сложность основной проблемы во много раз.

В настоящее время возрождается старая идея панспермии. На международном симпозиуме "Поиски внеземной жизни", состоявшемся в Бостоне (США) в 1984 г., голландский ученый М. Гринберг сообщил, что в его экспериментах было показано, что в условиях вакуума и чрезвычайно низкой температуры, характерной для межзвездной среды, бактериальные споры могут противостоять радиации в течение нескольких тысяч лет. Этого, конечно, недостаточно, чтобы перенестись от звезды к звезде, но если "материнская" звезда проходит через пылевое облако, некоторые споры получают от его частиц дополнительную защиту и могут путешествовать миллионы лет.

У концепции появления жизни на Земле в историческом прошлом два варианта. Согласно одному, происхождение жизни -- результат случайного образования единичной "живой молекулы", в строении которой был заложен весь план дальнейшего развития живого. Согласно другой точке зрения, происхождение жизни -- результат закономерной эволюции материи.

Эта последняя концепция представляется наиболее научной, рассмотрим ее детально. Широко распространенной и экспериментально обоснованной является модель, получившая за рубежом название гипотезы Опарина-Холдейна -- по имени ученых, выдвинувших сходные гипотезы скорее всего независимо друг от друга. Общность развиваемых учеными взглядов состоит в принятии за исходные тезисы утверждения о том, что все необходимые для возникновения жизни биологически значимые органические соединения могут образоваться в абиогенных условиях, т. е. без участия живого, лишь на основе физико-химических закономерностей превращения веществ. Большинство современных специалистов также убеждено, что возникновение жизни в условиях первичной Земли есть результат естественной эволюции материи. Для изучения научной проблемы происхождения жизни необходимы прежде всего сведения о физико-химических условиях на ранней Земле. Такие данные связаны как с геологической эволюцией планеты, так и с эволюцией химических элементов Солнечной системы и солнечной активностью. Из большого числа химических элементов для жизни необходимы только 16, а водород, углерод, кислород и азот составляют почти 99% живой материи. В вещественном плане для становления жизни нужен прежде всего углерод. Жизнь на Земле основана на этом элементе, хотя в принципе можно предположить существование жизни и на кремниевой основе.

Уникальными свойствами обладает углерод, и наша жизнь называется углеродной или органической. Четырехвалентность углерода приводит к огромному числу его соединений, которыми занимается органическая химия. Углерод образует сложные молекулы, представляющие собой кольца и цепи, обеспечивающие разнообразие органических соединений. Аминокислоты -- важный для жизни класс органических соединений. В живых организмах они используются для синтеза белков, растения могут синтезировать их из простых веществ, а в животные организмы часть их должна поступать с пищей, поэтому их называют незаменимыми. Из четырех нуклеотидов построены и другие крупные молекулы -- нуклеиновые кислоты, тоже входящие в состав живой клетки. Кислород, водород и азот наряду с углеродом можно отнести к основам живого. Клетка состоит на 70% из кислорода, 17% углерода, 10% водорода, 3% азота. Все они принадлежат к наиболее устойчивым и распространенным на Земле химическим элементам. Они легко соединяются между собой, вступают в реакции и обладают малым атомным весом. Их соединения легко растворяются в воде. Органические вещества присутствовали на Земле при ее образовании. Они могли синтезироваться и на поверхности пылинок.

Современная теория происхождения жизни основана на идее о том, что биологические молекулы могли возникнуть в далеком геологическом прошлом неорганическим путем. Для возникновения жизни нужны определенные температуры, влажность, давление, уровень радиации, определенная направленность развития Вселенной и время. Земля подходила для зарождения жизни. Ее возраст 4,6 млрд лет. Температура поверхности в начальный период была 4000-8000 °С и по мере остывания Земли углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовали земную кору. Первичная атмосфера Земли на протяжении 2 млрд лет состояла, вероятно, главным образом из водяных паров, N2, C02, с небольшой примесью других газов (NH3, CH4, H2S) при почти полном отсутствии 02 (практически весь кислород, содержащийся в атмосфере в настоящее время, является продуктом фотосинтеза). Отсутствие в первоначальной атмосфере кислорода было необходимым условием возникновения жизни, так как органические вещества легче создаются в восстановительной среде. В отсутствие кислорода, который мог бы их разрушить, а также живых организмов, которые использовали бы их в качестве пищи, абиогенно образовавшиеся органические вещества накапливались в Мировом океане, возникшем по мере охлаждения поверхности Земли вследствие конденсации водяных паров и выпадения осадков. В 1953 г. Г. Меллер экспериментально установил, что при подводе энергии (например, в форме электрических зарядов, ультрафиолетового излучения, радиоактивного излучения и тепла) к газовой смеси, содержащей углерод, водород, кислород и азот, в восстановительной среде образуются все важные детали для построения биовеществ: аминокислот, гидроокисей, Сахаров, пуриновых и пиримидиновых оснований. С инициацией химических процессов на планете Земля началась фаза химической эволюции около 4-4,5 млрд лет назад. Основным результатом первой стадии химической эволюции стала интеграция простых атомов Н, С, N, Р,... в относительно сложные органические молекулы. Результатом химической эволюции стала интеграция атомов химических элементов во многие сложные органические молекулы, а молекул -- во многие еще более сложные цепные молекулы. Важную роль в этих превращениях играли следующие химические элементарные процессы: гомогенный и гетерогенный катализ, автокатализ, бистабильность и колебания.