Основы естествознания

Реконструкция очертаний древних материков  и анализ геофизических данных позволяют  восстановить следующую картину. В середине кайнозоя (то есть примерно 300 млн. лет назад) на Земле существовало два материка: Гондвана и Лавразия. Гондвана состояла из сомкнутых Южной Америки, Африки, Индостана, Австралии и Антарктиды. Лавразия состояла из Северной Америки, Лабрадора и Европы. Между Гондваной и Лавразией находился океан Тетис, соединяющий современные Атлантический и Тихий океаны. Он сужался по направлению к западу, так что эти материки смыкались. Остатками Тетиса являются Средиземное и Черное моря. Существование в прошлом сухопутных путей между регионами, которые теперь принадлежат разным континентам, привело к распространению одинаковых животных на территориях, впоследствии далеко разделенных водными пространствами. При этом на вновь образующихся континентах эволюция шла по-разному. Так, травоядные сумчатые, первоначально заселявшие также и исходно смежные с Австралией территории, в самой Австралии уцелели, а в Азии были уничтожены новыми - плацентарными млекопитающими, бывшими в основном хищниками. Однако о том, что в давние времена сумчатые проживали там в изобилии, можно догадаться по останкам костей. Известен также вид гигантских морских черепах, проживающий на побережье Южной Америки, самки которого откладывают яйца на острове, расположенном в 2000 км от берега. Что заставляет их проделывать столь дальний путь, неясно, если не предположить, что в давние времена (а род этих черепах насчитывает 90 млн. лет) остров был неподалеку от места проживания черепах, а затем очень медленно отодвигался от суши в результате материкового дрейфа. Так медленно, что черепахи не могли среагировать на этот процесс. 

Имеются указания и на то, что помимо раздвиганий  и разворотов Гондвана и Лавразия смещались и в целом. Анализ остатков флоры в геологических отложениях показывает, что области суши, которые теперь находятся в экваториальных областях, раньше были в полярных, а экватор пересекал Лавразию. Если материки не двигались, то единственным объяснением, которое могло бы быть ответственным за такое изменение климата, является изменение наклона оси вращения Земли. Однако если бы по каким-то причинам это случилось, то последствия были бы катастрофическими для всей планеты вплоть до распада ее на части. Примерно 200-160 млн. лет назад активизация вулканической деятельности привела к образованию разломов и дроблению протоматериков. Двигающиеся на север Африка и Индия сомкнулись с двигающимися на юг Европой и Азией, Тетис исчез, и возникла Альпийско-Кавказско-Гималайская гряда молодых гор. Из географически близких нам примеров можно упомянуть расширение Кандалакшского залива, в результате чего Кольский полуостров постепенно отъезжает на север. 

Что же является движущей силой таких циклопических  перемещений? Как показывают данные термодинамических и сейсмических измерений, внутри мантии существуют вариации как плотности, так и температуры. Это означает, что возможна циркуляция вещества, когда горячий и менее плотный материал поднимается вверх, растекается, охлаждается и, став более плотным, опускается в глубину. То, что мантия состоит из твердого вещества, не должно смущать, поскольку имеется наглядный пример - текущие ледники. Оказывается, достаточно очень небольшой разности температур, чтобы материал пришел в движение, которое, конечно, является очень медленным. Такая циркуляция вполне может привести к тем подвижкам, о которых шла речь. Правда, необходимо отметить, что для осуществления такого процесса необходима однородная мантия, т.е. состоящая из вещества, состав которого не меняется с глубиной, не становится более плотным. Вынос вещества наружу должен приводить либо к расширению Земли, либо к образованию складок, либо компенсироваться погружением части коры вглубь. Подсчет суточных ростовых колец на кораллах (аналогичных годовым кольцам на деревьях) показывает, что примерно 400 млн. лет назад в году было 400 суток, то есть Земля вращалась быстрее, то есть ее радиус был меньше (момент количества движения сохраняется). Однако недостаточно меньше, чтобы соответствовать расчетному количеству материала, выведенного к настоящему времени наружу из мантии. Складки действительно есть - горные хребты, состоящие из сжатых пород. Однако рассчитанное суммарное сжатие современных гор не соответствует и малой доле того материала, который добавился к коре из верхней мантии за последние 25 млн. лет. А вот погружение коры действительно имеет место, как о том было сказано про глубоководные желоба. 

Теория тектонических  плит существенно изменила мировоззрение  людей и их представление об эволюции нашей планеты. Она имеет также  и практические аспекты. Мы стали  лучше понимать природу землетрясений и получили возможность улучшить их прогнозирование. Зная линии разломов земной коры, вдоль которых происходит смещение плит, можно наблюдать за этим смещением, и, если оно замедляется или останавливается, это указывает на вероятность скорого сейсмического толчка. Более того, существуют проекты бурения скважин вдоль разломов, куда в качестве смазки будет закачиваться вода, что приведет к снижению амплитуды толчков. Кроме того, на основе теории тектонических плит стало более понятным распределение полезных ископаемых и источников сырья.

Глава 4  

       Эволюция 

Живое и неживое; дарвинизм и его особенности; неодарвинизм; автоэволюция формы и  функции; телеология эволюции; генетика. 
 
 

"Homo homini lupus est." 

"Сейте разумное, доброе, вечное..." 
 
 

Говоря об эволюции, обычно подразумевают биологическую  эволюцию, то есть постепенное изменение  живых существ. Но что такое живое? Это еще одно основополагающее понятие, над которым задумываются немногим чаще, чем над тем, что такое  пространство и время. Участие в обмене веществом и энергией с окружающей средой и способность к самовоспроизведению не являются исчерпывающими признаками. Нетрудно вообразить робота, периодически меняющего батарейки, задача которого состоит в сборке себе подобных. Другой подход к определению живого апеллирует к химии: жизнь - это способ существования белковых тел. С этим невозможно спорить, как и с любым логико-позитивистским определением. Однако общественное сознание усилиями фантастов давно готово к встрече с небелковой жизнью (и скорее удивится, не обнаружив ее). Это означает, что понятие "жизнь" шире, чем его конкретное проявление. 

Оставляя в  стороне такие интригующие понятия, как "сознание", "разум", "душа", применяемые к человеку, постараемся  понять для начала, чем отличается живой жук от заводного, не выходя за рамки нашего предмета. Достаточно сложный биологический объект, каковым является, например, жук, состоит из клеток. Они имеют собственное устройство и выполняют определенные функции. Это же можно сказать и про отдельные детали сложной машины. Однако сборка клеток и машин осуществляется на различных принципах. Клетка растет постепенно, и в нее включаются только атомы и молекулы, соответствующие физико-химическим свойствам уже накопленных элементов, представляющих собой зачаток самой клетки. В машине же все решает конечная - внешняя - функция, для выполнения которой и строится машина. В зависимости от этой функции и выбирается материал и устройство вновь присоединяемых элементов. Но это не все. Рибосома, например, состоит из РНК трех типов и 55-и белков. Можно создать условия, при которых произойдет их разделение, и их можно будет выделить (и распознать) в растворе. Однако если теперь создать другие - благоприятные - условия, то они снова соберутся в рибосому. С развалившимися (например, от продолжительной вибрации) часами так не произойдет ни при каких новых условиях. Наконец, машина работает, используя разность уровней энергии. Клетка же способна накапливать энергию, а затем канализировать ее, то есть использовать строго определенным образом. 

Пример с часами чрезвычайно показателен, поскольку  иллюстрирует самую общую из известных  физических закономерностей: упорядоченность  физических систем не возрастает. Это  в том числе означает, что не существует чисто механических систем, в которых сохраняется полная механическая энергия, всегда имеются ее потери (например, в тепло), которые постепенно гасят и в конце концов прекращают тот или иной упорядоченный процесс. Тогда можно сказать, что материю можно считать живой, если она продолжает "делать что-либо" (двигаться, участвовать в обмене с окружающей средой и т.д.) в течение более длительного отрезка времени, чем по нашим понятиям могла бы делать неживая материя в подобных условиях. Пародоксальным образом можно сказать, что живая материя строго подчиняется законам механики, вопреки термодинамике. Кроме того, живым образованиям присуще их самоусложнение с течением времени. 

Как мы полагаем в настоящее время, основой живой  материи являются молекулы ДНК. Но живы ли они - эти химические соединения, набор атомов, каждый из которых "подчиняется" установленным для него законам неживой природы? 

Посмотрим на эволюцию с более традиционно-биологической  точки зрения. Теория Дарвина является одной из наиболее известных концепций биологической эволюции на нашей планете. Несмотря на то, что она основана на обширном эмпирическом материале, собранном и осмысленном Ч.Дарвиным и его предшественниками и последователями, происхождение ее не является, строго говоря, естественнонаучным. Книга Дарвина называется "Происхождение видов", и основная ее идея состоит в использовании концепции естественного отбора для объяснения многообразия видов живых существ, обитающих на Земле. Однако уже сам Дарвин указывал, что эта концепция была взята им из социологии, где она присутствовала в так называемой доктрине Мальтуса. Борьба за существование и выживание сильнейшего в сообществах людей послужила моделью для описания биологических трансформаций в природе. По-видимому, внутривидовые изменения действительно могут происходить подобным образом. Однако уже "спуск" на следующий уровень, то есть род, вызывает вопросы. Что же касается распространения теории естественного отбора еще более глубоко в классификацию живых существ (классы, типы и т.д.), то она представляется мало удовлетворительной. Кроме того, можно перечислить некоторые факты эволюции, которые в рамках теории Дарвина представляются совершенно загадочными. Так, например, 

* изменение зубов  и копыт у лошадей в процессе  эволюции указывает на то, что  у эволюции может быть определенное направление, никак не обусловленное борьбой за существование; 

* многократное  возникновение в процессе эволюции  одного и того же явления  (биолюминисценция у различных  классов организмов, одни и те  же последовательности ДНК обнаруживаются в одном и том же месте белковых молекул у разных видов) указывает на то, что они обусловлены скорее внутренними, чем внешними причинами; 

* формирование  определенных структур может  происходить до того, как они  стали необходимы (так называемая преадаптация). Так, перо возникло до того, как сформировались птицы, а возникновение глаз нельзя объяснить отбором; 

* существуют  организмы (и гены), которые почти  не эволюционируют (акула, опоссум,  таракан). 

Не находит  объяснения и часто задаваемый вопрос, почему в настоящее время не происходит превращения обезьяны в человека. Обычный ответ на него, состоящий в том, что обезьяны, человекообразные обезьяны и люди есть оконечные ветви одного ствола, оставляет место для дальнейших вопросов о том, что явилось причиной такого расхождения. Другим примером является завоевание суши позвоночными. Обычно его представляют как весьма продолжительный процесс, явившийся результатом борьбы за выживание: произошло вытеснение менее приспособленных к водной среде видов, и они постепенно приспособились к жизни на суше. Однако некоторые обстоятельства жизнедеятельности определенных видов животных позволяют, по крайней мере, усомниться в этом. Превращение головастика в лягушку происходит без всякого отбора, а индуцируется синтезируемым в его организме химическим соединением тироксином, концентрация которого на определенном этапе повышается примерно в десять раз. Если у головастика удалить щитовидную железу, то он благополучно живет и развивается в водной форме. Если же впрыснуть ему в кровь тиреоидный гормон, то он превратится в лягушку. Известны и другие примеры: земноводное животное аксолотль в своих фазах настолько различается, что долгое время считалось, что это различные даже не виды, а рода. Отсутствие воды стимулирует выделение тироксина в организме аксолотля, и наступает разительная метаморфоза. Могло показаться (и казалось), что для таких изменений необходимы тысячи мутаций и отбор, а оказалось, что достаточно просто химического сигнала. Никаких изменений в генетической конструкции при этом не происходит. И это означает, что глубокие структурные и функциональные превращения могут происходить и без таких изменений. Любопытно, что и процесс рождения человека сходен с трансформацией у амфибий. 

Теория естественного  отбора предполагает как бы воздействие вида на род, тип и так далее, в то время как более последовательным выглядит эволюционный процесс, протекающий от типа к виду.