Эволюция духа

Многие ученые уверены, что мы стоим на пороге открытия, способного изменить суть наших представлений о Мире. Речь идет о природе темной материи. В последние годы астрономия сделала важнейшие шаги в наблюдательном обосновании темной материи, и сегодня существование такого вещества во Вселенной можно считать твердо установленным фактом. Физики ищут неизвестные частицы, имея только общие представления о свойствах наблюдаемой материи. Каковы же эти свойства?

Мы знаем лишь то, что темное вещество взаимодействует с обычным веществом гравитационным образом и представляет собой холодную среду с космологической плотностью, в несколько раз превышающей плотность обычного вещества. Вследствие столь простых свойств темная материя прямо влияет на развитие гравитационного потенциала Вселенной. Контраст ее плотности усиливался с течением времени, приводя к образованию гравитационно-связанных систем гало темного вещества.

В гравитационные ямы концентраций темной материи захватывается обычная материя. Поэтому, хотя частицы темной материи и не взаимодействуют со светом, свет находится там, где есть темное вещество. Это замечательное свойство гравитационной неустойчивости сделало возможным изучение количества, состояния и распределения темной материи по наблюдательным данным от радиодиапазона до рентгеновского диапазона.

Космологическая плотность обычного вещества – 0,05. Космологическая плотность темной материи – 0,23. Космологическая плотность темной энергии – 0,7.

Согласно опубликованным в марте 2013 года данным наблюдений [11], общая масса наблюдаемой Вселенной состоит на 4,9 % из обычной материи, на 26,8 % из тёмной материи и на 68,3 % из темной энергии. Таким образом, Вселенная на 95,1 % состоит из тёмной материи и тёмной энергии.

Получается, что знакомый и, казалось бы, изученный до деталей видимый мир, который мы совсем недавно считали почти понятым, – только небольшая добавка к чему-то, из чего в действительности состоит Вселенная. Планеты, звезды, галактики да и мы с вами – всего лишь ширма для громадного «нечто», о котором мы не имеем ни малейшего представления.

Итак, наш мир на 95 % состоит из чего-то, о чем мы почти ничего не знаем. Можно по-разному относиться к такому не подлежащему никакому сомнению факту. Он может вызывать тревогу, которая всегда сопутствует встрече с чем-то неизвестным. Или огорчение, оттого что такой долгий и сложный путь построения физической теории, описывающей свойства нашего мира, привел к констатации: большая часть Вселенной скрыта от нас и неизвестна нам.

Темная энергия – гораздо более странная субстанция, чем темная материя. Начать с того, что она не собирается в сгустки, а равномерно «разлита» во Вселенной. В галактиках и скоплениях галактик её столько же, сколько вне их. Самое необычное то, что темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию. Современными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он изменялся со временем. Так вот, астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что сегодня (и в недалеком прошлом) Вселенная расширяется с ускорением: темп расширения растет со временем. В этом смысле и можно говорить об антигравитации: обычное гравитационное притяжение замедляло бы разбегание галактик, а в нашей Вселенной, получается, всё наоборот.

Такая картина, вообще говоря, не противоречит общей теории относительности, однако для этого темная энергия должна обладать специальным свойством – отрицательным давлением. Это резко отличает её от обычных форм материи. Не будет преувеличением сказать, что природа темной энергии – это главная загадка фундаментальной физики XXI века.

Один из кандидатов на роль темной энергии – вакуум. Плотность энергиии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, а это и означает отрицательное давление вакуума. Другой кандидат – новое сверхслабое поле, пронизывающее всю Вселенную; для него употребляют термин «квинтэссенция». Есть и другие кандидаты, но в любом случае темная энергия представляет собой что-то совершенно необычное. Сущность темной энергии является предметом многочисленных дискуссий [12].

По имеющимся оценкам, ускоряющееся расширение Вселенной началось приблизительно 5 миллиардов лет назад. Предполагается, что до этого расширение замедлялось благодаря гравитационному действию тёмной материи и обычной материи. Плотность обычной материи в расширяющейся Вселенной уменьшается быстрее, чем плотность тёмной энергии. В конце концов, тёмная энергия начинает преобладать. Например, когда объём Вселенной удваивается, плотность обычной материи уменьшается вдвое, а плотность тёмной энергии остается неизменной

Если ускоряющееся расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно, то в результате, галактики за пределами нашего Сверхскопления галактик, рано или поздно выйдут за горизонт событий и станут для нас невидимыми, поскольку их относительная скорость превысит скорость света. Это не является нарушением специальной теории относительности. На самом деле невозможно даже определить «относительную скорость» в искривлённом пространстве-времени. Относительная скорость имеет смысл и может быть определена только в плоском пространстве-времени, или на достаточно малом (стремящемся к нулю) участке искривлённого пространства-времени. Любая форма коммуникации далее пределов горизонта событий становится невозможной, и всякий контакт между объектами теряется. Земля, Солнечная система, наша Галактика, и наше Сверхскопление будут видны друг другу и в принципе достижимы путём космических полётов, в то время как вся остальная Вселенная исчезнет вдали. Со временем наше Сверхскопление придёт в состояние тепловой смерти, то есть осуществится сценарий, предполагавшийся для плоской модели Вселенной с преобладанием материи.

Существуют и более экзотические гипотезы о будущем Вселенной. Одна из них предполагает, что фантомная энергия приведёт к, так называемому, «расходящемуся» расширению. Это подразумевает, что расширяющая сила действия тёмной энергии продолжит неограниченно увеличиваться, пока не превзойдёт все остальные силы во Вселенной. По этому сценарию, тёмная энергия со временем разорвёт все гравитационно связанные структуры Вселенной, затем превзойдёт силы электростатических и внутриядерных взаимодействий, разорвёт атомы, ядра и нуклоны и уничтожит Вселенную в Большом Разрыве [13].

Глава 3

Эволюция человека

3.1 Органическая эволюция

1) Проблема взаимоотношения микро– и макроэволюции

Явление органической эволюции настолько многопланово и противоречиво, что без введения четкой классификации основных понятий и определений ее обсуждение как правило заходит в тупик.

Если брать определения органической эволюции в самом общем виде, например, "это процесс постоянного изменения дискретных форм живой материи", или – "это изменения любого свойства популяции с течением времени", то мы видим, что они мало конструктивны. Другие определения типа – "это изменение частоты отдельных генов из поколения в поколение" или – "это изменение адаптивных признаков популяции и лежащих в их основе генов с течением времени" достаточно конкретны, но характеризуют локальные процессы внутри вида и относятся к, так называемой, микроэволюции. Эволюционные события более крупного масштаба, протекающие на больших пространствах в течение значительных геологических отрезков времени и касающиеся в основном высших таксономических категорий, носят название макроэволюции.

По-видимому, возможность строгого определения общего понятия органической эволюции следует отложить до выявления сущности макро– и микроэволюции.

Один из главных вопросов (и преткновений) теории органической эволюции сводится к тому, можно ли экстраполировать механизмы, лежащие в основе микроэволюции, на явления макроэволюции?

Данный вопрос еще больше запутывается и обостряется, когда его смешивают с проблемой направленности эволюции. Действительно, фактологической основой макроэволюции служат палеонтологические данные, демонстрирующие четкие детерминированные изменения в органическое мире, в то время как микроэволюционные явления основываются на непосредственных наблюдениях случайных (ненаправленных) событий. В случае признания направленности органической эволюции современная теория микроэволюции относит ее за счет ортоселекции. Многочисленные попытки создать единую теорию органической эволюции, объединяющую макро– и микроявления, их направленность и случайность приводили и приводят ко все большему противоречию.

Существует принципиальная разница между этими явлениями. По своему определению микроэволюционные события во времени – это ничтожный миг по сравнению с макроэволюционными событиями. Уже поэтому нет никаких оснований считать, что в основе обоих явлений лежат одинаковые механизмы. Огромна разница между данными явлениями и по количественным и качественным характеристикам. Многочисленные примеры в живой и неживой природе показывают, что переход от микро-к макроявлениям в корне меняет характер управляющих законов. Известно, что законы строения и движения макрообъектов (растений, животных, машин, зданий, планет) не определяются квантовомеханическими законами строения и движения атомов и молекул их составляющих. По-видимому и законы макроэволюции не могут механически повторять законов микроэволюции, так как относятся к качественно иной форме движения живой материи. Соответственно и категории случайности и направленности должны иметь совершенно различный смысл для этих двух качественно отличных явлений.

Исходя из данной точки зрения, проанализируем кратко наиболее фундаментальные разработки в теории биологической эволюции.

2) Теории Ж.Б.Ламарка и Ч.Дарвина

Бесспорно, что в 1809 г. Ж.Б.Ламарк впервые дал законченную и ясную феноменологическую картину эволюции живой материи от самостоятельного зарождения простейших организмов до появления человека [14]. Ж.Б.Ламарк открыл закон биологической эволюции, хотя в его время биологии, как науки, еще не существовало. Даже сам термин "биология" впервые предложен Ж.Б.Ламарком. Философия Ж.Б.Ламарка охватывает не только проблему эволюции организмов, но и проблемы превращения материи и энергии, изменения лика Земли, сущности мышления. В настоящее время Ж.Б.Ламарка в основном критикуют за его подходы к объяснению механизмов биологической эволюции. Однако не следует забывать того, что во времена Ж.Б.Ламарка науке еще далеко не хватало материала, чтобы высказаться по вопросу о происхождении видов иначе, чем в виде пророческих предвосхищений. Сам Ж.Б.Ламарк, высказав предположение о причинах изменчивости животных, предупреждал, что"…приняв это выражение в буквальном смысле, пришлось бы обвинить меня в допущении ошибки, так как каковы бы ни были обстоятельства, они никакого изменения в форме и в организации животных непосредственно не производят". Интерпретаторы Ж.Б.Ламарка обычно не обращают внимания на это предупреждение.

На наш взгляд, в целом Ж.-Б.Ламарка следует считать основоположником феноменологической теории макроэволюции.

Теорию Ч.Дарвина [15] очевидно следует относить только к микроэволюции. Экстраполяция этой теории на макроэволюционные явления вызывает резкие и обоснованные возражения многих специалистов. Одни считают, что принцип естественного отбора, выдвинутый Ч.Дарвиным, составляет центральное звено всего эволюционного движения. У Р.Левонтина [16] другая точка зрения: "…главная заслуга Дарвина не в том, что он ввел эволюционизм как мировоззрение (поскольку исторически это не так), и не в том, что он подчеркнул особое значение отбора как основной движущей силы эволюции (поскольку эмпирически это может оказаться не так). Эволюция по Ч.Дарвину – это превращение изменчивости среди особей в пределах свободно скрещивающихся групп в изменчивость групп в пространстве и времени". Однако Р.Уоддингтон [18] считает, что Ч.Дарвин имел в виду только выживание отдельных организмов, а размножение и создание следующих поколений это уже дополнения неодарвинизма. Более того, по его мнению, Ч.Дарвин имел в виду случайную фенотипическую изменчивость, а неодарвинизм – случайную генотипическую изменчивость. Причем неодарвинизм признает, что случайность генотипической изменчивости вовсе не означает случайность изменчивости фенотипической. С момента появления теории Ч.Дарвина, не прекращаются дискуссии о смысле естественного отбора и причина, по-видимому, в том, что до сих пор не установлены границы применимости этой теории. По нашему мнению, принцип естественного отбора является одним из важных факторов биологической эволюции, но суть его различна для микро– и макроявлений и еще до конца не понята в обоих случаях.

Среди современных разработок, альтернативой теории Ч.Дарвина. обычно выступают теории ортогенеза, наиболее ярким представителем которых является "номогенез" Л.Берга [17], постулирующий развитие на основе закономерностей: "…как проявляются эти закономерности, это мы видим, но почему они таковы, это пока скрыто от нас. Равным образом, почему организмы в общем прогрессируют в своей организации, мы не знаем".

Номогенез основан на палеонтологических данных и бесспорно является макроэволюционной теорией, поэтому с нашей точки зрения сравнивать или противопоставлять ее микроэволюционной теории Ч.Дарвина бессмысленно. Привлекательность теории направленной эволюции заключается в том, что она, будь ясно продемонстрирована и истолкована, открыла бы возможности для прогноза. Речь идет не столько о предсказании будущей эволюции органического мира, сколько об экстраполяциях. Главной трудностью, неизменно встающей перед объяснением направленности эволюции – это решение проблемы целесообразности, что с необходимостью приводит к вопросу о внутренней природе данного явления. Л.Берг утверждает, что "целесообразность есть основное, далее неразложимое свойство живого, – такое же, как раздражимость, сократимость, способность к питанию, усвоению, размножению. Она не более, но и не менее непонятна, чем любое из перечисленных свойств. Без целесообразности вообще немыслимо ничто живое. Выяснить происхождение целесообразностей в живом, значит выяснить сущность жизни. А сущность жизни столь же мало умопостигаема, как и сущность материи, энергии, ощущения, сознания, воли".

3) Направленность или случайность

Анализ теорий ортогенеза и селекционизма привел С.Мейена [19] к выводу, что "сама постановка вопроса: что лежит в основе эволюции и ее определенной направленности, – случайность или необходимость, статистичность или жесткий детерминизм – оказывается неправомерной". Ортогенез пользуется только нестатистическими законами, в то время как отбор имеет существенно статистический характер. Осознав это, считает Мейен, мы получаем возможность, сняв главное противоречие между селекционизмом и ортогенезом, объединить их.

На наш взгляд, противоречие между теориями ортогенеза и селекционизма можно снять только разделив области их применения: для ортогенеза – это процессы макроэволюции, для селекционизма – это процессы микроэволюции.

Успехи современной генетики позволили усилиями большого количества исследователей создать синтетическую теорию эволюции (СТЭ), вобравшую и вбирающую в себя все новые и новые достижения различных областей биологии, экологии, генетики. В своей основе СТЭ является микроэволюционной теорией, однако ее создатели и сторонники упорно претендуют на "всеобщность" этой теории, включая макроэволюцию. Будущее покажет бесплодность таких попыток, тем более, что в современном виде СТЭ еще далека от формы, позволяющей назвать ее теорией, способной на предсказания.

4) Молекулярная модель эволюции

По современным представлениям молекулярной генетики структурный ген является частью гигантской макромолекулы ДНК, эволюция которой содержит три качественно различные фазы. Первая фаза – абиогенное возникновение наследственной макромолекулы из атомов и простейших молекул. Вторая фаза – самоорганизация биологических макромолекул, приведшая к появлению реплицирующихся "индивидуумов". И, наконец, третья фаза – эволюция видов. Как уже отмечалось выше, существующая теория эволюции живых организмов признает единственным направляющим фактором динамики генетического состава популяции естественный отбор. Наследственной молекуле отводится пассивная роль поставщика случайных мутаций. Однако за последнее время исследованиями по молекулярной геносистематике накоплено большое количество экспериментальных данных, указывающих на определенные закономерные направления в изменении нуклеотидных последовательностей ДНК в процессе эволюции [20]:

а) объективно существуют АТ и ГЦ – типы ДНК. Природа не любит "эквимолярной ДНК";

б) в процессе эволюции закономерно возрастает сблоченность пиримидинов (пуринов) в последовательности ДНК и уменьшается степень ее вариабельности;

в) доля гомологичных последовательностей в ДНК падает по мере того, как мы сопоставляем друг с другом виды со все меньшей степенью филогенетического родства.

Эти и многие другие факты геносистематики, а также многочисленные проявления закономерной направленности третьей фазы биологической эволюции до сих пор не находят себе объективного объяснения. Причину данных явлений следует искать в физической природе наследственной макромолекулы.

Ниже мы покажем, что ДНК как макромолекулярная система может быть подвержена процессу детерминированного изменения, связанного с внутримолекулярными перестройками.

Отделив процессы макроэволюции от микроэволюционных и сузив задачи макроэволюционной биологии до изучения истории генетического кода и законов, управляющими им от поколения к поколению, мы должны тем не менее указать на те ограничения, которые не позволяют макроэволюцию генетических систем отожествлять с биологической эволюцией. Действительно, в биологии труднее всего предсказать дальнейший ход эволюции. Важнейшую роль в эволюции играют фундаментальные ограничения морфологических возможностей, наложенные свойствами материалов, из которых формируются организмы на всех уровнях их строения: возможны вовсе не любые организмы: например, не может быть постепенного перехода между перьями и волосами. Возможно что все процессы передачи наследственной информации должны осуществляться посредством неголономных связей, то есть механизма, состоящего из многих структурных элементов, который изменяет всю структуру при столкновении с каким-либо внешним элементом. Законы физики описывают процесс взаимно однозначного отображения, тогда как в ходе генетического наследования отображение не взаимно однозначное. Хотя наследование имеет определенную временную направленность, законы необратимой термодинамики здесь не помогут, так как необратимость наследственных процессов приводит к усложнению живой материи, а не к полному термодинамическому равновесию. В эволюционном плане фенотип играет роль измерительного прибора, который проверяет описание в процессе его взаимодействия с реальной средой. В основе уникального различия между живой и неживой материей лежат не идеализированные классические модели макромолекул, матричной репликации или регуляции обмена веществ, а количественная надежность молекулярных кодов, которые могут связывать содержание квантово-механического описания с его классическим выражением.

М. Дельбрюком была разработана, так называемая, энергетическая модель гена (цит. по [21]. По Дельбрюку, ген ? это часть наследственной молекулы, которая может находиться в двух изомерных конфигурациях, соответствующих двум возможным состояниям гена ? аллелям. Эти изомерные конфигурации наследственной молекулы изображаются в энергетическом пространстве (Е-пространстве) двумя потенциальными ямами, разделенными потенциальным барьером. Мутация гена в модели Дельбрюка ? это конфигурационный переход части наследственной молекулы из одной потенциальной ямы в другую. Нетрудно заметить, что модель Дельбрюка естественным образом обобщается на случай множественных аллелей, если допустить, что наследственная молекула может находиться в нескольких изомерных конфигурациях. Каждая потенциальная яма соответствует определенному аллельному состоянию гена.

В настоящее время твердо установлено, что структурные гены ? это не обязательно последовательно расположенные участки линейного полимера ДНК и ген среднего размера содержит примерно 1500 нуклеотидных пар. Если внешнее воздействие приводит к отрыву азотистого основания от сахаро-фосфатного остова, то геометрия ДНК допускает свободное перемещение данного основания вдоль макромолекулы. В процессе таких перемещений основания могут обмениваться местами, создавая новые комбинации нуклеотидов внутри гена. Поэтому в свете современных данных молекулярной генетики под названием «модель Дельбрюка» следует понимать энергетическое представление части молекулы ДНК, в которой различным последовательностям нуклеотидов соответствуют различные «изомерные» состояния гена ? аллели. Обычно энергетические различия между изомерными состояниями макромолекул имеют величину порядка кТ(0,03эВ). Если расстояния между минимумами потенциальных ям гена (аллелями) по оси Е того же порядка, то аллели в Е-пространстве образуют почти непрерывный набор энергетических состояний, по которым ген может перемещаться под воздействием той или иной случайной силы. Эти состояния отделены друг от друга потенциальными барьерами Е

, причем величины Е

должны быть достаточно велики, так как хорошо известно, что спонтанные мутации наблюдаются крайне редко. По теоретическим оценкам Дельбрюка, значениям Е

= 0,9 эВ; 1,5 эВ и 1,8 эВ при комнатной температуре отвечают времена ожидания мутации соответственно 0,1 сек., 16 месяцев и 30000 лет.

Будем рассматривать систему гомологичных генов в некоторой идеальной популяции, когда число данных генов (или, что то же самое, особей) постоянно. Под воздействием случайной внешней силы наследственная молекула хотя и редко, но совершает различные перемещения по своим возможным энергетическим состояниям. Одновременно происходит обмен гомологичными генами в процессе кроссинговеров между гомологичными хромосомами. Поскольку число особей в популяции обычно достаточно велико, то такие перемещения наследственной молекулы по своим энергетическим состояниям соответствуют случайному блужданию гена в Е-пространстве. Если ввести функцию распределения f(E,t), характеризующую плотность гомологичных генов в данном аллельном состоянии E в момент времени t, то в процессе случайных блужданий гена возникает диффузионный поток плотности аллельных состояний в Е-пространстве, пропорциональный градиенту данной плотности.

Предсказать поведение каждого отдельного гена при этом, конечно, невозможно, но поведение системы в целом описывается уравнением диффузии. Здесь отчетливо видно преимущество рассмотрения популяции в Е-пространстве. Неравномерное распределение гомологичных генов в обычном координатном пространстве не влечет за собой никаких закономерных перемещений, в то время как градиент плотности гомологичных генов в Е-пространстве с необходимостью приводит к появлению диффузионного потока q

.