Эволюция мира

    4. Галактики. В современной трактовке [10] – это гравитационно-связанные звездные системы, имеющие довольно четкие пространственные границы. Галактики формировались и формируются из вещества под действием гравитационной неустойчивости. По масштабам Вселенной это массивные объекты, они рождались и рождаются, живут и стареют. Именно они и их скопления образуют крупномасштабную структуру Вселенной. Каждая содержит огромное количество звезд; ученые Земли к настоящему времени могут надежно наблюдать лишь несколько тысяч самых ярких галактик. Установлено, что все галактики вращаются. По форме они подразделяются на эллиптические, спиральные и неправильные. Тип галактики фиксируется по её свечению, видимому на фоне более темного неба. Эллиптические галактики, по всей вероятности, являются наиболее упорядоченными, в них, как правило, не наблюдаются яркие молодые звезды и межзвездный газ. Структура спиральных галактик характеризуется наличием четко выраженных спиральных рукавов. Состоят они в основном из молодых ярких звезд и газово-пылевых туманностей. Неправильные галактики выглядят как пятна клочковатой формы, они не содержат звезд-сверхгигантов и ярких туманностей. Исследуются галактики по их электромагнитному излучению, а масса оценивается по данным об их вращении. Для нас наиболее интересен наш Млечный Путь, или наша Галактика. Поскольку она – наша, то имя это принято писать как имя собственное. Млечный Путь содержит около ста миллионов звезд, в том числе и Солнце. По форме Галактика принадлежит к спиральным дисковым галактикам. Диаметр диска – около 30 тысяч парсеков, наибольшая толщина («балдж») – около 8 тысяч ПК. Наше Солнце расположено вблизи плоскости симметрии Галактики, примерно в 8500 пк от центра Галактики на внутренней части спирального рукава; астрофизики именуют его рукавом Ориона. В галактике очень много двойных звезд и шаровых звездных скоплений. Скорость движения Солнца при его вращении относительно центра Галактики составляет около 220 км/сек. Галактический год длится примерно 250 миллионов земных лет. Не исключено, что в центре Галактики находится черная дыра с массой примерно в миллион масс Солнца. Наша Галактика, как типичная подсистем Вселенной, образовалась при сжатии протогалактического газового облака как система протозвезд. Возраст самых старых звездных скоплений оценивается в 7 млрд. лет. Галактика живет, в ней непрерывно идет процесс звездообразования.

    5. Звезды. За образование звезд ответственна в основном гравитация, за их разогрев и выгорание - ядерные реакции синтеза. Звездами мы называем огромные плазменные шары, равновесное состояние которых поддерживается балансом между гравитационным сжатием и распирающим давлением излучения и горячей плазмы. В звездах заключена значительная доля светящегося вещества Вселенной. До 90% звезд принадлежат к так называемой «главной последовательности»; живут они и излучают они за счет внутризвездного термоядерного синтеза. К этому же типу принадлежит и наше Солнце. Ещё одну заметную группу образуют темные карлики с массой порядка одной десятой массы Солнца. Температура внутри карликов недостаточна для протекания термоядерных реакций. Наряду с нормальными звездами и карликами астрофизики наблюдают ещё ряд типов, отличающихся размерами и светимостью – красные гиганты и сверхгиганты, голубые сверхгиганты, цефеиды, нейтронные звезды (пульсары), белые карлики. Тот факт, что звезды живут своей жизнью, подтверждается вспышками новых и сверхновых звезд. Первые за несколько наших дней увеличивают светимость в десятки тысяч раз и остаются яркими несколько недель. Затем их блеск медленно убывает до исходного. Астрофизики полагают, что такой взрыв новой звезды означает сброс газовой оболочки с выделением большой энергии. В нашей Галактике бывает в среднем 50 таких явлений в год. Процесс периодичен. Сверхновые – эти помощнее, они увеличивают свой блеск в миллиарды раз и светят ярко несколько месяцев, после чего превращаются или в нейтронную звезду без оболочки, или полностью разрушаются. По излучению мы можем наблюдать не только состояние звезд, но и их жизнь. Так как «запас горючего» в звездах всегда конечен, то и срок их жизни также ограничен. Во что они превратятся - в карлика, или в нейтронную звезду, или в черную дыру - это зависит от их изначальной массы. Звездная стрела идет синхронно с галактической, ибо стрела отражает не судьбу отдельной звезды, а жизнь всего звездного сообщества. В чем-то ситуация напоминает взаимосвязь человека и человеческого общества.

    6. Солнце и Солнечная система. По эволюционным меркам Солнце и Солнечная система образовались почти одновременно. Примерно 4.5 млрд. лет тому назад за сравнительно короткий промежуток времени в один или два миллиона лет в результате гравитационного сжатия массивного облака возникла протозвезда вместе с вращающимся газопылевым диском. Центральная область протозвезды примерно за миллион лет превратилась в горячую звезду – Солнце. Пылевой субдиск в свою очередь превратился в систему сгущений, из которых возникли ещё более компактные тела. В космологии их называют планетезимали, или протопланеты. Превращение планетезималей в плотные шарообразные планеты происходило сравнительно медленно, в течение десятков и сотен миллионов лет. Всего образовалось девять больших планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс («земная группа»), а также Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. В солнечной системе есть ещё огромное количество астероидов. Центральное тело – Солнце сосредоточило в себе 99,866% массы Солнечной системы. Диаметр Солнца в 109 раз больше диаметра Земли. Температура на поверхности Солнца (температура фотосферы) равна 5830 К, температура в центре Солнца, оцененная методами нейтринной астрономии, составляет 16 миллионов кельвинов; плотность материи там достигает 160000 кг/м³ .Основной источник энергии, как и в других похожих звездах, термояд. Как рядовая звезда главной последовательности, Солнце практически не изменят своей светимости в течение миллиардов лет. Внутри Солнца энергия идет к поверхности в виде потока рентгеновских квантов, но из-за поглощения и последующего переизлучения квантов веществом энергия передается медленно, проходя путь от центра до поверхности за миллионы лет. Ближе к поверхности температура поменьше, там уже могут существовать нейтральные атомы водорода, сильное поглощение которыми затрудняет перенос энергии излучением. Из-за этого в поверхностном слое возникают мощные конвективные потоки вещества. Как и все звезды, Солнце имеет атмосферу, в которой астрофизики выделяют три слоя: фотосферу, хромосферу и солнечную корону. То солнечное излучение (солнечный свет), которое мы наблюдаем, генерируется в основном в фотосфере, которая имеет толщину около 300 км. Выше, в хромосфере, плотность ионизованного газа падает, а его температура слегка растет. Еще выше расположена солнечная корона, где газ ещё более разрежен и нагрет. Из-за малых количеств газа в хромосфере и короне их суммарное излучение энергии мало по сравнению с фотосферным. В Солнце и на Солнце много интересного, но самое странное – это его магнитные поля. И наш глаз, и другие оптические приборы видят в основном фотосферу Солнца. На фотоизображениях солнечного диска хорошо заметно, что вся фотосфера состоит из светлых пятен, или гранул, разделенных более темными промежутками. Гранулы двигаются, изменяют размеры, исчезают и снова возникают. Живет каждая гранула несколько минут. Есть и более крупные детали – факелы и пятна. Если гранулы – это следствие конвекционных потоков, то пятна и факелы своим происхождением и исчезновением обязаны переменным магнитным полям. Эти поля очень необычно структурированы, изменчивы и сильно влияют на движение и излучение ионизованного вещества в фотосфере и хромосфере. Солнце интенсивно действует, обнаруживая периодичность активности с периодом в 11 лет. Эта смена активности непосредственно связана с магнитной переполюсовкой. На Солнце каждые 11 лет магнитные полюсы меняются местами. Солнце довольно интенсивно выгорает и, видимо, через несколько миллиардов лет погаснет. Оно не исчезнет, просто станет холодным. Шансов на переход в состояние черной дыры у него, согласно современным теориям, у него нет.

    7. Земля. В Масштабах Вселенной наша планета – микроскопическая частица, вращающаяся вокруг рядовой звезды в одной из бесчисленных галактик. С точки зрения космологии Земля – довольно стабильная планета. Её сложность и размеры как космического объекта со временем не нарастают. При вращении Земли вокруг Солнца она медленно теряет свою энергию, возможно, как генератор гравитационных волн. Потери эти малы, поэтому падения нашего дома на Солнце не будет во все время его жизни. Так что в будущее мы можем смотреть с оптимизмом – запас времени ещё есть. Но при анализе эволюции нашей планеты целесообразно учитывать, что сложность объектов, порождаемых «геострелой», непрерывно и довольно интенсивно возрастает.

    С точки зрения астрономии Земля –  третья по удаленности от Солнца планета. Радиус её орбиты составляет 149.6 млн. км, это значение узаконено как астрономическая единица длины. По орбите Земля летит со скоростью 30 км/с, период её обращения 365.24 средних солнечных суток. Наряду с движением вокруг Солнца Земля вращается вокруг своей оси с периодом 86164.1 с, что лишь на четыре минуты меньше 24 часов; это вращение вызывает смену дня и ночи. Ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты («плоскости эклиптики») под углом 66.556°. Как и у любого гироскопа, положение оси вращения остается в пространстве неизменным. Постоянство этого направления предопределяет смену времен года. У Земли есть естественная спутница – Луна, и еще несколько тысяч искусственных спутников. Времена их жизни очень невелики, особенно по сравнению с вечностью.

    Форма Земли – геоид, он близок к эллипсоиду вращения. Планета слегка сплюснута у полюсов и вытянута у экватора. Разность экваториального и полюсного диаметров составляет около 43 км при значении среднего радиуса в 6371 км. Средняя плотность Земли примерно в 5,5 раза больше плотности воды. По структуре земной шар неоднороден. В теле Земли выделяют три области: кору, мантию и ядро. Это разделение базируется на результатах исследования с помощью сейсмических волн. Кора под океаном имеет толщину до 10 км, в материковой зоне 30-40 км. Наибольшую толщину в 70-80 км кора имеет в районе высочайших гор, Гималаев и Гиндукуша. На глубинах от 35 км до 2800 км расположена силикатная оболочка – мантия. Очень часто в моделях выделяют литосферу – внешнюю зону, состоящую из коры и верхних слоев мантии. Литосфера расколота на гигантские плиты, их насчитывают до десяти. Именно по границам плит расположены основные очаги землетрясений. Литосферные плиты как бы плавают в более глубоком вязком слое, который геологи называют «астеносферой» Процессы в астеносфере определяют геологическое строение земной коры, там же находятся и первичные магматические очаги вулканов. В теории литосферных плит, называемой новой глобальной тектоникой, рассматриваются отдельно кора океаническая и кора континентальная. В этой теории анализируются и описываются сложнейшие явления движения литосферных плит относительно друг друга, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении, в том числе «подлезание» океанических плит под континентальные, а также различия в составе океанической и континентальной коры.

    На  глубинах более 2800 км находится ядро Земли. Граница «мантия – ядро» не пропускает поперечных сейсмических волн; из этого экспериментального факта следует, что ядро находится в жидком состоянии. Внешняя зона ядра – это смесь железа и серы, внутренняя часть – сплав железа (80%) и никеля (20%). В самом центре Земли давление достигает величин в 3.6·10¹¹ Па, а температура чуть больше 5000 К. Жидкое металлическое ядро вращается не так, как твердая сфера. Угловая скорость сферических слоев различна, она зависит от расстояния от оси. В созданной для описания таких тел теории «гидродинамического динамо» показывается, что в этом случае во вращающемся проводящем теле самопроизвольно и в самоподдерживающемся режиме возникают стационарные магнитные поля. Именно такому явлению обязано своим происхождением магнитное поле Земли. Магнитные полюса Земли не совпадают с её географическими полюсами, хотя в настоящее время и находятся не очень далеко от них. Периодически магнитные полюса меняются своими местами, но период это очень велик (порядка миллиона лет) и, видимо, не очень постоянен.

    Как отмечено выше, Земля образовалась 4.6 млрд. лет назад в протопланетном облаке. Но свое стационарное устройство земной шар обрел только 3.7 млрд. лет назад – именно этот возраст  имеют самые древние горные породы, от возникновения которых начинается геологическая история Земли. В ней выделяют два этапа: докембрий, длившийся чуть больше 3 млрд. лет, и фанерозой, занимающий последние 570 млн.лет. Примерно 2.5 млрд. лет назад возник первый (и единственный в то время) сверхконтинент, ныне его называют Пангеей. Через 300 млн. лет он распался на континенты, разделенные океаном. Появилась океаническая кора. Затем континенты снова объединились в Пангею-2, которая, в свою очередь, тоже распалась, и примерно 600млн. лет назад возникла структура континентов и океанов, отдаленно похожая на современную. Затем была Пангея-3, и новый распад, уже на нынешние континенты. Как утверждает историческая геология, циклы «схождение – расхождение» длится 500-600 млн. лет. Нынешний геологический облик Земля приобрела примерно 65 млн. лет назад. Но живая материя на Земле возникла примерно 3,5 млрд. лет назад и благополучно перенесла и превращения Пангеи, и различные космические атаки, в результате которых каждые 30 млн. лет происходили массовые вымирания некоторых плохо адаптированных видов животных и растений. Самая сложная система живой материи – человечество – за очень короткий по геомасштабам отрезок времени сумела изменить ход эволюции биосферы. Не исключено, что мы вмешаемся и в эволюцию планеты в целом. То ли ещё будет…

    8. Биологическая стрела. Начиная с этой стрелы, включим по вертикали шкалу сложности, а не размеров. Со временем сложность биосистем нарастает, стрела на диаграмме круто забирает вверх. Наша биосфера уже стала фактором планетарного масштаба - состояние Земли как планеты все сильнее зависит от процессов в биосфере. В основе научных представлений о происхождении живой материи лежит мысль о том, что живое на планете возникло как результат длительной эволюции углеродных соединений. Период чисто химической эволюции состоял из последовательности трех основных процессов:

• Синтез низкомолекулярной органики из газов протоатмосферы. В ней практически не было свободного кислорода. Были метан, аммиак, пары воды. Экспериментально доказано, что при электрических искровых разрядах в газовых смесях восстановительного характера синтезируются низкомолекулярные органические соединения.
• Полимеризация мономеров с образованием цепей нуклеиновых кислот и белков. Первыми здесь были, скорее всего, молекулы рибонуклеиновой кислоты – РНК. Древние РНК были и катализаторами в синтезе белков, и информационно-генетическими носителями. Затем появились ДНК как более «специализированные» молекулы.
• Возникновение обособленных систем органического вещества. Эти системы имели мембраны на границе с внешней средой.

    Далее стартовал период биологической эволюции. Суть его состоит в возникновении простейших клеток. Этот процесс известен в биологии под названием «самосборки», то есть спонтанного упорядоченного объединения биополимеров. В результате такого самопроизвольного процесса возникали рибосомы, цитоскелеты, мембраны и даже ферментные комплексы и вирусы. Важно понять, что в этих процессах управляющие факторы формируются в самой системе; внешняя среда не управляет, а только обеспечивает необходимые условия. Они на Земле были.

    У первичных клеток уже был репродуктивный аппарат, обеспечивающий воспроизведение  в дочерних клетках всего сочетания  химических свойств и процессов  обмена веществ (метаболизм). Именно воспроизведение  клеток путем митоза составляет основной признак живой материи. Вероятно, на первых стадиях возникновения  живого стал действовать отбор, в  результате которого сохранились соединения и процессы, наиболее пригодные для  реализации биологических функций. Выживание таких систем привело  к появлению первых организмов. В  них уже был механизм наследуемого обмена веществ, то есть «были включены»  аппараты синтеза белков и генетического  кода. Путем отбора возникли первые фотосинтезирующие клетки, способные питаться не за счет внешней органики, а через синтез органических соединений из двуокиси углерода и воды с выделением кислорода. Атмосфера стала обогащаться кислородом, то есть приобрела окислительный характер. Жизнь сама изменила те условия, которые сделали возможным её появление. Это произошло примерно 2 млрд. лет назад, с той поры восторжествовало правило: «живое только от живого…». Процесс зарождения живого из неживого мы пока что не в состоянии ни воспроизвести в лабораториях, ни наблюдать на иных планетах.