Стационарное состояние возникновение жизни: Теория стационарного состояния

Содержание

Теория стационарного состояния

Сущность теории стационарного состояния жизни

Еще одной из наиболее популярных теорий о возникновении жизни на Земле является теория стационарного состояния. Теория стационарного состояния имеет еще одно название – теория этернизма. Данная теория была предложена Тьерри Вильямом Прейером, известным немецким ученым.

Сторонником теории стационарного жизни был палеонтологи и зоолог Жорж Кювье и его последователи, а также сторонники неокатастрофизма.

Кювье, на основании исследования ископаемых организмов, сделал вывод, что происходило постепенное совершенствование строения организмов в процессе перехода от древних форм к новым.

Однако, являясь сторонником креационизма, такие качественные различия организмов Кювье объяснял с точки зрения предложенной им теории катастроф. Согласно этой теории, в истории Земли происходили глобальные катаклизмы, число которых насчитывает десятки, которые приводили к гибели всего живого. В результате деятельности Творца на смену этим вымершим организмам приходили новые, имеющие другие свойства, усовершенствованные по воле Великого Божественного Разума.

Основные положения теории стационарного состояния жизни

Согласно теории стационарного состояния, Земля не возникала никогда, а существовала вечно. Земля всегда была способной поддерживать жизнь, и если когда-либо и происходили изменения, то они были незначительны. Сторонники этой теории утверждают, что виды тоже никогда не возникали, а существовали всегда. У каждого вида есть лишь два пути – вымирание или изменение численности. То есть, не было никакой эволюции, новых форм, изменения условий и т.д. Свойством самой жизни является стабильность.

Замечание 1

Последователи теории стационарного состояния уверены, что исчезновения видов, о котором говорят данные палеонтологии, не происходит. Также сторонники теории стационарного состояния отрицают происхождение одних видов от других.

Согласно данной теории, исчезновение останков ископаемых животных в отложениях определенного геологического периода объясняется тем, что просто уменьшилась численность особей рассматриваемого вида.

А внезапное появление ископаемых останков говорит об увеличении численности этих особей.

В доказательство своей теории сторонники этернизма приводят латимерию, кистеперую рыбу. Считалось, что латимерия вымерла в конце мелового периода, но была неожиданно поймана в районе Мадагаскара.

Этот пример, когда организмы прошлых эпох неожиданно обнаруживаются в каком-либо уголке планеты, является не единственным.

Еще одним примером для доказательства теории стационарного состояния является туатара. Эта ящерица не претерпела совершенно никаких изменений за миллионы лет своего существования. Еще одним видом, который не менялся на протяжении значительного промежутка времени существования является землеройка солендон.

В качестве доказательства состоятельности совей теории сторонники этернизма приводят следующий пример. По мнению палеонтологов и биологов ископаемое археоптерикс является переходной формой от рептилий к птицам. Однако в 1977 году, в штате Колорадо США были обнаружены останки птиц, возраст которой, по подсчетам ученых, превышал возраст найденных останков археоптерикса. Соответственно, археоптерикс является отдельным видом, и не может быть переходной формой.

Кроме того, часто появляется информация о существовании в глубоководных водоемах, труднодоступных районах ископаемых животных. Есть мнение, что в высокогорьях, тайге и необжитых участках планеты существуют реликтовые гоминиды.

Критика теории стационарного состояния жизни

Положения теории стационарного состояния вызывают сомнение у астрономов, палеонтологов, биологов. Вечность Вселенной опровергается подсчетами астрофизиков, которые установили, что ее возраст составляет примерно 17 миллиардов лет, а возраст Солнечной системы и нашей планеты составляет 4,6 миллиардов лет.

Сомнению подвергается и неизменность Вселенной, ведь согласно данным астрофизиков Вселенная и Земля с момента Большого взрыва претерпели большие изменения.

Палеонтологи считают, что существующий в данную геологическую эпоху вид должен быть представлен хотя бы в каких-то слоях грунта соответствующего периода. И невозможно перемещение особей туда, где останки не могли бы сохраниться, как считают сторонники этернизма. Палеонтологи считают, что в грунте сохраняются следы всех существ, даже если это микробы или мягкотелые существа. В породах геологических эпох до Кембрийского периода были обнаружены останки уникальных организмов, однако при этом не было найдено ни одного организма из всего многообразия современных. Возможность такой массовой миграции, по мнению биологов, исключена.

Ярким сторонником теории стационарного состояния жизни является выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский, который считал, что жизнь является вечной основой космоса. Космос, по мнению ученого, является энергией и материей. Согласно мнению Вернадского, жизнь тесно связана с космосом, и является, как и космос, вечной. Соответственно, если не было начала Космоса, не было и начала жизни. Таким образом, во взглядах Вернадского сочетаются теории этернизма и панспермии.

Кроме этого, идея неизменности органических видов Земли сближает теорию стационарного состояния жизни с теорией креационизма, представители которой тоже утверждают неизменность жизни с момента ее сотворения.

Замечание 2

Большим минусом теории стационарного состояния является то, что она никак не объясняет сам процесс возникновения жизни. она просто утверждает ее неизменное вечное существование. Соответственно, данная теория не может считаться убедительной в поиске ответа на этот вопрос.

Теория стационарного состояния является идеалистическим учением о происхождении жизни, и ввиду этого полностью отвергается современным естествознанием, которое признает его несостоятельным.

Теории стационарного состояния — Гипотезы происхождения жизни на Земле

Теории стационарного состояния

Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень незначительно. Согласно этой версии, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности — либо изменение численности, либо вымирание.

Гипотезу стационарного состояния иногда называют гипотезой этернизма (от лат. еternus – вечный). Гипотеза этернизма была выдвинута немецким учёным В. Прейером в 1880 г.

Взгляды Прейера поддерживал академик Владимир Иванович Вернадский, автор учения о биосфере. Вернадский считал, что жизнь — такая же вечная основа космоса, которыми являются материя и энергия. «Мы знаем, и знаем это научно, — твердил он, — что Космос без материи, без энергии не может существовать. И достаточно ли материи и без выявления жизни — для построения Космоса, той Вселенной, который доступный человеческому уму?». На этот вопрос он ответил отрицательно, ссылаясь именно на научные факты, а не на личные симпатии, философские или религиозные убеждения. 

Исходя из представления о биосфере как о земном, но одновременно и космическом механизме, Вернадский связывал ее образование и эволюцию с организованностью Космоса. «Для нас становится понятным, — писал он, — что жизнь есть явление космическое, а не сугубо земное». Эту мысль Вернадский повторял многократно: «…начала жизни в том Космосе, который мы наблюдаем, не было, поскольку не было начала этого Космоса. Жизнь вечна, поскольку вечный Космос».

По современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада, возраст Земли исчисляется 4,6 млрд. лет. Более совершенные методы датирования дают все более высокие оценки возраста Земли, что позволяет сторонникам теории стационарного состояния полагать, что Земля существовала всегда. 

Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб — латимерию (целаканта). Считалось, что кистепёрая рыба (целакант) представляет собой переходную форму от рыб к земноводным и вымерла 60-90 млн. лет назад (в конце мелового периода). Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в 1939 году у побережья о. Мадагаскар был выловлен живой целакант. Таким образом, целакант не является переходной формой. 

Были найдены и многие другие, считавшиеся вымершими, животные, например, лингула — маленькое морское животное, якобы вымершее 500 миллионов лет назад, живо и сегодня и как другие «живые ископаемые»: солендон — землеройка, туатара — ящерица. За миллионы лет они не претерпели никаких эволюционных изменений. 

Ещё один пример заблуждения это археоптерикс — существо, связующее птиц и пресмыкающихся, переходная форма на пути превращения рептилий в птиц. Но в 1977 году в штате Колорадо были обнаружены окаменелости птиц, возраст которых соизмерим и даже превышает возраст останков археоптерикса, т.е. он не является переходной формой. 

Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми останками, можно сделать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте.

 

Так, например, внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определенном пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков.

Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, и она наиболее подробно разработана именно в этом направлении.


«...Можно говорить о вечности жизни и проявлений ее организмов, как можно твердить о вечности материального субстрата небесных тел, их тепловых, электрических, магнитных свойств и их проявлений. С этой точки зрения таким же далеким от научных поисков будет вопрос о начале жизни, как и вопрос о начале материи, теплоты, электрики, магнетизма, движения». (В.И.Вернадский)

Мнение за…
Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи.

Мнение против…

Обе теории (панспермии и стационарного состояния) вообще не предлагают объяснения механизма первичного возникновения жизни, перенося его на другие планеты (панспермия), либо отодвигая по времени в бесконечность (теория стационарного состояния).

Однако теория стационарного состояния, предполагающая бесконечно долгое существование вселенной, не согласуется с данными современной астрофизики, согласно которым вселенная возникла сравнительно недавно (около 16 млрд лет т.н.) путем первичного взрыва. 


Урок 2. возникновение жизни на земле и появление человека — Экология — 10 класс

Экология, 10 класс

Урок 2. Возникновение жизни на Земле и появление человека

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Мы узнаем:

  • гипотезы возникновения жизни на Земле;
  • как появился человек;
  • этапы взаимодействия человека и природы.

Научимся:

  • обосновывать концепцию абиогенеза;
  • выявлять причинно-следственные связи эволюционных процессов.

Сможем:

  • сравнивать и анализировать научные гипотезы.

Мы узнаем:

– гипотезы возникновения жизни на Земле;

— как появился человек;

— этапы взаимодействия человека и природы.

Глоссарий по теме:

Жизнь – это форма существования организмов, возможная только в открытых системах, подпитываемых из внешнего источника энергией.

Энергия – это неотъемлемое свойство движущейся материи, способность тела, системы производить работу или теплообмен между объектами

Основная и дополнительная литература (точные библиографические данные с указанием страниц):

Обязательная литература:

  • Экология. 10–11 классы: учеб. пособие для общеобразоват. организаций: базовый уровень / М. В. Аргунова, Д. В. Моргун, Т. А. Плюснина. – 2-е изд. – М.: Просвещение, 2018. – 143 с.

Дополнительные источники:

  • Крискунов Е.А., Пасечник В.В. Экология. 10–11 кл. М.: Дрофа, 2010.

Открытые электронные ресурсы по теме урока (при наличии):

Учение о биосфере: основные положения и понятия. АРТ консервация www.art- con.ru/node

Теоретический материал для самостоятельного изучения:

Возникновение жизни на Земле – одна из нераскрытых тайн прошлого. Живые организмы способны обмениваться друг с другом и со средой своего обитания энергией, веществом и информацией. Любая форма живого вещества – это сложная система, для которой необходим постоянный приток энергии. Жизнь возможна только в открытой системе.

Существует несколько гипотез возникновения жизни на Земле: гипотеза абиогенеза, креационизм, гипотеза панспермии, гипотеза стационарного состояния.

Одним из первых гипотезу о происхождении жизни из абиотической среды (биохимической эволюции) в 1924 г. сформулировал советский биохимик академик А. И. Опарин (1894–1987) (в 1936 г. он подробно изложил ее в своей книге «Возникновение жизни»).

А в 1950-х XX века американские ученые Стэнли Миллер и Гарольд Юри в доказательство гипотезы А.И. Опарина в лаборатории смоделировали условия, которые могли существовать у поверхности молодой Земли. Ими получено больше 20 аминокислот, сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот.

Гипотеза креационизма (или сотворения) возникла в XIX веке, когда этим словом стали называться сторонники различных версий появления мира и жизни, предложенных авторами Торы, Библии и других священных книг монотеистических религий.

Теории стационарного состояния и панспермии представляют собой взаимодополняющие элементы единой картины мира, сущность которой заключается в следующем: вселенная существует вечно и в ней вечно существует жизнь (стационарное состояние). Жизнь переносится с планеты на планету путешествующими в космическом пространстве «семенами жизни», которые могут входить в состав комет и метеоритов (панспермия). Подобных взглядов на происхождение жизни придерживался, в частности, основоположник учения о биосфере академик В.И. Вернадский.

В 1859 г. Ч. Дарвин предложил идею эволюции. Высшим проявлением эволюции на Земле в его учении стало появление вида Человек разумный (Homo sapiens), который отличается от всех животных наличием разума. История становления человечества занимает короткий период и составляет менее 3 млн лет. Человек постоянно взаимодействует с окружающей природной средой изменяя её под воздействием хозяйственной деятельности.

Интересные факты.

История становления человечества

Если представить время с момента появления жизни на Земле как суточный циферблат часов, то современный человек появился всего за 2 секунды до полуночи, а его история начала записываться за 1/4 с. При этом развитие человечества протекало лишь в последние 2 с этих условных суток. Несмотря на столь короткий период становления человечества в истории развития жизни на Земле, сегодня мы становимся свидетелями вымирания большого числа различных видов организмов. За период существования человечества количество исчезнувших видов больше, чем за все предыдущие 5 млрд лет.

Сокращение биоразнообразия

В соответствии с летописью окаменелостей 94–99 % видов живых существ, живших на Земле, к настоящему времени вымерло. Сейчас количество видов оценивается в 5–30 млн, причем, ежегодно описывается около тысячи неизвестных видов.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля (не менее 2 заданий):

Тестовое задание на установление соответствия.

Задание. Установите соответствие между термином и его определением.

Жизнь

Необратимое историческое развитие живой природы.

Энергия

Неотъемлемое свойство движущейся материи, способность тела, системы производить работу или теплообмен между объектами.

Эволюция

Форма существования организмов, возможная только в открытых системах, подпитываемых из внешнего источника энергией.

Правильный вариант/варианты (или правильные комбинации вариантов):

Жизнь

Форма существования организмов, возможная только в открытых системах, подпитываемых из внешнего источника энергией.

Энергия

Неотъемлемое свойство движущейся материи, способность тела, системы производить работу или теплообмен между объектами.

Эволюция

Необратимое историческое развитие живой природы.

Задание на актуализацию пройденного на уроке материала.

Текст задания: Разгадайте кроссворд.

По горизонтали:

1. Один из первых русских ученых, сформулировавший гипотезу абиогенеза (биохимиечкой эвалюции).

5. Первый элемент периодической системы элементов, один из атомов первичной земной среды.

6. Активная форма существования материи, возникшая на определенной ступени её развития.

По вертикали:

2. Обширная группа фотосинтезирующих организмов, иногда выделяемая в особое царство растений.

3. Бесцветный, не обладающий запахом газ, содержащийся в атмосферном воздухе и необходимый для жизни человека.

4. Неотъемлемое свойство движущейся материи, способность тела, системы производить работу или теплообмен между объектами.

Тип вариантов ответов: (Текстовые, Графические, Комбинированные).

Правильный вариант:

По горизонтали: 1. Опарин 5. Водород 6. Жизнь.

По вертикали: 2. Водород 3. Кислород 4. Энергия

Теория стационарного состояния

Возникновение жизни на Земле

Теория Стационарного Состояния

Что означает теория стационарного состояния

Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень незначительно. Согласно этой версии, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности — либо изменение численности, либо вымирание.

По современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада, возраст Земли исчисляется 4,6 млрд. лет. Более совершенные методы датирования дают все более высокие оценки возраста Земли, что позволяет сторонникам теории стационарного состояния полагать, что Земля существовала всегда.

Теория Стационарного Состояния

Гипотезу стационарного состояния иногда называют гипотезой этернизма (от лат. еternus – вечный). Гипотеза этернизма была выдвинута немецким учёным В. Прейером в 1880 г.

Взгляды Прейера поддерживал академик Владимир Иванович Вернадский (1864 – 1945), автор учения о биосфере. Вернадский считал, что жизнь — такая же вечная основа космоса, которыми являются материя и энергия. «Мы знаем, и знаем это научно, — твердил он, — что Космос без материи, без энергии не может существовать. И достаточно ли материи и без выявления жизни — для построения Космоса, той Вселенной, который доступный человеческому уму?». На этот вопрос он ответил отрицательно, ссылаясь именно на научные факты, а не на личные симпатии, философские или религиозные убеждения. « .Можно говорить о вечности жизни и проявлений ее организмов, как можно твердить о вечности материального субстрата небесных тел, их тепловых, электрических, магнитных свойств и их проявлений. С этой точки зрения таким же далеким от научных поисков будет вопрос о начале жизни, как и вопрос о начале материи, теплоты, электрики, магнетизма, движения».

Сущность теории стационарного состояния жизни

В доказательство своей теории сторонники этернизма приводят латимерию, кистеперую рыбу. Считалось, что латимерия вымерла в конце мелового периода, но была неожиданно поймана в районе Мадагаскара. Этот пример, когда организмы прошлых эпох неожиданно обнаруживаются в каком-либо уголке планеты, является не единственным. Еще одним примером для доказательства теории стационарного состояния является туатара. Эта ящерица не претерпела совершенно никаких изменений за миллионы лет своего существования. Еще одним видом, который не менялся на протяжении значительного промежутка времени существования является землеройка солендон. В качестве доказательства состоятельности совей теории сторонники этернизма приводят следующий пример. По мнению палеонтологов и биологов ископаемое археоптерикс является переходной формой от рептилий к птицам. Однако в 1977 году, в штате Колорадо США были обнаружены останки птиц, возраст которой, по подсчетам ученых, превышал возраст найденных останков археоптерикса. Соответственно, археоптерикс является отдельным видом, и не может быть переходной формой. Кроме того, часто появляется информация о существовании в глубоководных водоемах, труднодоступных районах ископаемых животных

Кистеперая рыба

Ящерица туатара

Землеройка Солендон

Критика теории стационарного состояния жизни

Положения теории стационарного состояния вызывают сомнение у астрономов, палеонтологов, биологов. Вечность Вселенной опровергается подсчетами астрофизиков, которые установили, что ее возраст составляет примерно 17 миллиардов лет, а возраст Солнечной системы и нашей планеты составляет 4,6 миллиардов лет. Сомнению подвергается и неизменность Вселенной, ведь согласно данным астрофизиков Вселенная и Земля с момента Большого взрыва претерпели большие изменения. Палеонтологи считают, что существующий в данную геологическую эпоху вид должен быть представлен хотя бы в каких-то слоях грунта соответствующего периода. И невозможно перемещение особей туда, где останки не могли бы сохраниться, как считают сторонники этернизма. Палеонтологи считают, что в грунте сохраняются следы всех существ, даже если это микробы или мягкотелые существа. В породах геологических эпох до Кембрийского периода были обнаружены останки уникальных организмов, однако при этом не было найдено ни одного организма из всего многообразия современных. Возможность такой массовой миграции, по мнению биологов, исключена.

Условия зарождения жизни на Земле Текст научной статьи по специальности «Философия, этика, религиоведение»

УДК 573.55 (0.064)

УСЛОВИЯ ЗАРОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ

Э. М. Галимов

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, Москва; эл. почта: [email protected]

Статья поступила в редакцию 17.02.09; принята к печати 01.07.09

Согласно предложенной модели, существует определенная категория процессов, в которых упорядочивание является аттрактором. Это процессы, колеблющиеся вблизи стационарного состояния и включающие микроскопически сопряженные реакции, идущее с диспропорционированием энтропии. Предполагается, что жизнь является естественной формой реализации этого типа процессов, уникально присущих химии углерода. В примитивных химических системах указанный механизм осуществляется с участием молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). Особая роль аденозинтрифос-фата (АТФ) в зарождении и эволюции жизни обусловлена его универсальной способностью сопрягаться с реакциями полимеризации, лежащими в основе синтеза биологически значимых структур. Из развиваемой модели вытекают определенные принципы биологической эволюции и определенные условия зарождения жизни. К числу последних помимо сформулированных ранее (наличие источников энергии, воды, исходных органических структур и приемлемого для органического синтеза диапазона температур) добавляются: существенно восстановительная обстановка, циклическая смена условий: осушение — увлажнение, прогрев — охлаждение.

Ключевые слова: происхождение жизни, эволюция, аденозинтрифосфат, биосфера, теория

CONDITIONS FOR THE EMERGENCE OF LIFE ON EARTH

E.M. Galimov

V. I. Vernadskiy Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry, Moscow, Russia. E-mail: [email protected]

A model is presented that postulates the existence of processes that feature ordering as their attractor. These are processes that fluctuate near their stationary state and comprise microscopically coupled reactions associated with entropy disproportionation. It is hypothesized that life is a natural form of realization of such processes, which are unique for carbon chemistry. In primitive chemical systems, the above mechanism is realized through adenosine triphosphate (ATP) involvement. The special role of ATP in the origin and evolution of life is due to its universal capability of coupling to polymerization reactions that make the basis of emergence of biologically important structures. The model suggests certain principles of biological evolution and certain prerequisites for the emergence of life. The latter include, besides those suggested earlier (the availability of energy sources, water, starting organic species, and appropriate temperature range), essentially reductive environment and cyclic changes in conditions, i.e., drying/ moistening and heating/cooling.

Keywords: origin of life, evolution, adenosine triphosphate, biosphere, theory

Введение предбиологических соединений — аминокислот, нуклеи-

Несколько десятилетий назад сенсацию вызвали опы- новых оснований, липидов, сахаров и т. п. — практически не

ты американских ученых С. Миллера и Г. Юри [15], кото- налагает каких-либо специальных ограничений на геоло-

рые впервые абиогенным путем получили аминокислоты гическую обстановку зарождения жизни.

из смеси метана и аммиака. Казалось, открыта дверь к по- Общепринятыми предпосылками являются присутствие

ниманию процессов перехода от неживой к живой мате- воды, наличие источников энергии, приемлемый диапазон

рии. Последующие усилия многих исследователей были температур. Но более детальные требования к обстанов-

сконцентрированы на синтезе органических соедине- ке происхождения жизни могут вытекать только из более

ний, которые могли бы иметь предбиологическое значе- точного понимания ее сути и механизма ее возникновение. Но постепенно стало ясно, что в природе существует ния.

много процессов, которые могут стать источниками орга- Если наличие достаточно разнообразного молекулярно-

нических соединений (см. [1]). Многочисленные и доста- го фона органических соединений на Земле вполне объ-

точно сложные соединения обнаружены в космическом яснимо, что тогда следует считать сердцевиной проблемы

пространстве. Почти 70 видов аминокислот и оксикислот происхождения жизни?

встречаются в метеоритах. Синтез органических соеди- Проблемой является высокоупорядоченное состояние

нений происходит в вулканах и подводных гидротермах. живого вещества и развитие материи в сторону упорядо-

Органические соединения могут синтезироваться в самых чения. Какой закон направляет и поддерживает в течение

ранних обстановках на Земле и могут быть доставлены на миллиардов лет превращение материи во все более орга-

Землю в составе вещества комет и метеоритов типа угли- низованные формы, начиная от примитивных молекуляр-

стых хондритов. Поэтому образование первичных форм ных скоплений вплоть до мыслящих существ?

Признанным объяснением вышеуказанной проблемы является дарвиновская теория естественного отбора. Дарвинизм действительно предлагает механизм, посредством которого случайно возникающие изменения, в каждом случае закрепляемые естественным отбором, выстраиваются в эволюционную линию. Однако дарвинизм обнаруживает слабости при объяснении многих фактов молекулярной биологии. Обширная критическая литература на эту тему рассмотрена мной в [1, 7]. Я не буду здесь ее воспроизводить. С физической точки зрения, трудности дарвинизма проистекают из того факта, что дарвинизм не представляет собой теорию упорядочения, а естественный отбор не является фактором упорядочения. Это отчетливо проявляется при обращении к проблеме происхождения жизни. На уровне простых молекул, взаимодействующих в примитивных предбио-логических системах, селективное преимущество имеют химически более устойчивые в данных условиях соединения. Достижение конечной устойчивости есть достижение равновесия. Следовательно, «естественный отбор» просто ведет к равновесию, но отнюдь не к упорядочению. Естественный отбор не создает ничего нового. Он сохраняет «лучшее» из того, что уже возникло. Само же улучшение, по Дарвину, возникает случайно. На языке молекулярной биологии — это мутация, в термодинамике — это отрицательная флуктуация энтропии.

Возникшее улучшение при этом должно распространиться на всю популяцию. Оно становится новым эволюционным шагом только в том случае, если обеспечивает преимущество своему носителю в конкурентной борьбе за выживание. Выживание более приспособленных — неотъемлемый принцип дарвинизма. В той мере, в какой дарвинизм применяется к явлениям адаптации в условиях изменяющейся внешней среды, справедливость его подтверждается многочисленными примерами. Но Дарвиновская концепция не обеспечивает понимания механизма возрастающего упорядочения материи и, таким образом, не решает проблему происхождения жизни.

Теперь, прежде чем перейти к вопросу об условиях зарождения и эволюции жизни, следует определиться с тем, что именно зародилось, и для этого кратко изложить предложенную мною ранее модель развивающегося упорядочения, лежащую, как я полагаю, в основе явления жизни

[1, 5, 7]

Модель развивающегося упорядочения

Любой развивающийся процесс имеет аттрактор. Аттрактором называют устойчивое состояние, к которому ведет данный процесс. Это может быть выравнивание потенциалов, стремление к минимуму свободной энергии. Камень будет скатываться с горы, стремясь занять положение с меньшей потенциальной энергией в гравитационном поле. Такому процессу можно препятствовать, можно обратить его вспять, затратив работу извне. Но при первой же возможности, когда процесс будет предоставлен сам себе, проявится основная тенденция. Наличие аттрактора обеспечивает направленное развитие процесса в сторону устойчивого состояния.

Развитие материи в сторону разупорядочения является наиболее универсальным физическим принципом. Первоначально он был сформулирован применительно к теории тепловых машин и известен как второе начало термодинамики. Но этот закон имеет общий характер. Он применим не только к тепловым и не только к физическим, но и к социальным, информационным процессам и т.д..

Универсальность второго закона термодинамики определяется наличием аттрактора в виде равновесного состояния. Все процессы направлены в сторону уменьшения свободной энергии и увеличения энтропии. Максимум энтропии достигается в состоянии равновесия. В этом состоянии система устойчива. Если она выводится из него, то стремится вернуться к нему. Равновесие есть аттрактор процесса разупорядочения.

Если в равновесную химическую систему добавить один из реагентов и тем самым вывести ее из равновесия, то система вновь вернется в это состояние, однако при условии, что не будет выведена из равновесия слишком далеко, настолько, чтобы произошли необратимые изменения. Иначе говоря, изменения должны происходить в линейной области взаимодействий. Точно так же, если растянуть пружину и затем отпустить ее, пружина вернется в прежнее устойчивое состояние, если только растяжение не превысит порог деформации, и пружина не будет разорвана.

Возможен ли аттрактор у явления упорядочения?

Я предположил, что таким аттрактором является стационарное состояние сопряженных процессов, в которых имеет место диспропорционирование энтропии и которые протекают в области линейных взаимодействий. в которых система может пребывать. В термодинамической энтропии коэффициент пропорциональности представлен константой Больцмана к, и энтропия имеет размерность кал/градус. Но понятие энтропии выходит за пределы собственно термодинамики. Она применяется в теории информации, где она носит название энтропии Гиббса-Шеннона. Константа Больцмана в этом случае опускается, и энтропия представляется безразмерной величиной.

При любой интерпретации упорядочение сводится к ограничению неопределенности, к уменьшению степеней свободы.

Возьмем, к примеру, автомобили на городских улицах. Предположим, что каждая машина в любой момент времени может двигаться в любом направлении. Такая система обладает максимумом степеней свободы и одновременно, как мы понимаем, характеризуется полным беспорядком. Упорядочение движения требует введения ограничений, которые предусмотрены правилами уличного движения: двигаться по одной стороне улицы, останавливаться перед запрещающим сигналом светофора, поворачивать в соответствии со знаками и т. п.

Термодинамическая энтропия как тепловая координата не может характеризовать степень упорядочения. Если определить уменьшение энтропии живого организма калориметрически, то выигрыш, при сравнении со случайным набором соединений аналогичного состава, окажется ничтожным. Однако число ограничений, введенных в совокупность молекул, составляющих организм, является гигантским.

Каждое ограничение, налагаемое на систему, увеличивает степень ее упорядочения. Упорядочение — это ограничение свободы.

Энтропия самопроизвольно идущего процесса всегда возрастает. Но возможна такая ситуация, при которой одна из составляющих общего процесса характеризуется повышением энтропии, а другая — ее понижением. При этом процесс в целом должен идти обязательно с повышением энтропии (рис. 1). Уменьшение энтропии, т.е. появление отрицательного слагаемого, возможно лишь при весьма жестком условии, а именно, при микроскопической сопряженности процессов. I + МЫ

где I — сопрягающий компонент.

Диспропорционирование энтропии широко распространено в природе, в том числе и в неорганическом мире. Можно привести множество примеров, когда наряду с простыми веществами в одном и том же процессе образуются сложные вещества.

Но это еще далеко от того устойчиво развивающегося упорядочения, которое демонстрирует жизнь, и свидетельствует лишь о возможности отдельных актов, отдельных эпизодов упорядочения. Жизнь, подчеркнем еще раз, характеризуется устойчивом развивающимся упорядочением. У этого процесса должен существовать аттрактор.

Обратимся теперь к понятию стационарных процессов.

Стационарное состояние имеет некоторые свойства равновесного состояния, но фундаментально отличается от него. В стационарном состоянии концентрации реагентов и продуктов не изменяются, так же как и в равновесии, но по другой причине: в стационарном состоянии реагенты непрерывно поступают в систему, а продукты с такой же скоростью выводятся из нее. В результате этого концентрации компонентов остаются неизменными.

В отличие от равновесной системы, где свободная энергия достигает минимума, в аналогичной по составу стационарной системе энергия поддерживается на некотором уровне выше минимума, характерного для этой системы. Поддержание стационарного состояния требует непрерывного расхода энергии и, следовательно, существования источника такой энергии.

Стационарная система находится в непрерывном вещественном обмене со средой, т.е. стационарная система -всегда открытая система.

Поскольку концентрации не изменяются, энтропия системы, находящейся в стационарном состоянии, остается неизменной:

Д8 = 0 (2)

В равновесном состоянии энтропия также остается неизменной. ,

где символ (1) относится к реакции, поставляющей энергию и производящей энтропию, а символ (2) — к не-гоэнтропийной реакции, представляющей собой акт упорядочения.

Принципиально важно, что стационарное состояние характеризуется минимумом производства энтропии, причем это состояние является устойчивым. Если систему вывести из стационарного состояния, она возвратится к нему, т.е. состояние с минимумом производства энтропии является аттрактором.

Итак, возвращение системы в устойчивое стационарное состояние связано с уменьшением производства энтропии. Это значит, что имеется механизм, для которого производство упорядочения является аттрактором, т.е. для него упорядочение не только возможно, но и обязательно.

Существование аттрактора делает упорядочение в стационарной системе сопряженных реакций таким же устойчивым процессом, каким является разупорядоче-ние в изолированной системе, предписываемое вторым законом термодинамики.

Теорема Пригожина о минимуме производства энтропии справедлива лишь в области линейных взаимодействий [16]. Стационарная система также не должна удаляться слишком далеко от этого состояния, чтобы избежать нелинейного ответа.

Легко видеть, что живые организмы обнаруживают свойства подобных систем. Они существуют вблизи от стационарного состояния, нуждаются в непрерывном притоке энергии и обмене веществ и гибнут, будучи слишком далеко удалены от стационарного состояния.

Организмы — продукт огромного эволюционного пути упорядочения. Но и самая первичная элементарная химическая ячейка, с которой начался путь эволюции, должна была обладать на молекулярном уровне этими свойствами.

Значение АТФ

Я предположил, что ключевую роль в этом процессе с предбиологического времени до сегодняшнего дня играет молекула аденозинтрифосфата (АТФ) (Рис. h3O + динуклеотид То же самое касается синтеза полимерных структур сахаров, липидов и т.д. Молекула воды во всех этих случаях является сопрягающим компонентом.

Поскольку гидролиз АТФ связан со значительным энерговыделением, его сопряженное участие в реакциях обеспечивает осуществление реакций, которые не могли бы протекать спонтанно.

В современных организмах АТФ участвует во всех биохимических процессах, связанных с потреблением энергии (Рис. 3). Он аккумулирует разные типы внешней энергии в процессе фосфорилирования АДФ до АТФ и трансформирует их в химическую энергию в ходе гидролиза. АТФ играет эту роль как в примитивных, так и в высших организмах, откуда следует, что биохимические механизмы, связанные с участием АТФ, появились на очень ранней стадии эволюции.

Чрезвычайно интересно, что аденозинмонофосфат является одним из структурных блоков РНК (Рис. 4). Более того, аденозинфосфаты включены в структуру многих важнейших биохимических компонентов, например, ДНК (АМФ в дезокси-форме), НАДФ, ФАД, коэнзим А и другие. Это указывает на возможность того, что АТФ появился раньше нуклеиновых кислот и раньше генетического кода, т.е. на предбиологической стадии эволюции.

Рис. 3. Цикл АТФ: гидролиз АТФ обеспечивает энергопотребление процессов, происходящих в организме, фосфорилирование АДФ за счет внешних источников энергии воссоздает АТФ.

Рис. 4. Структура аденозинтрифосфата включена в структуру нуклеиновых кислот.

Поэтому я полагаю, что не «мир РНК», как утверждает существующая парадигма [8, 9], а появление АТФ стало началом в процессе зарождения и эволюции жизни.

Логика развития и возникновения генетического кода

Химическое упорядочение возникает тогда, когда ограничивается свобода взаимодействий, когда соединение или система могут вступить в реакцию только с определенными партнерами или только посредством ограниченного числа механизмов и путей взаимодействия. Этим свойством обла-

дают катализаторы. Производство катализаторов и участие их в реакциях всегда есть форма упорядочения.

Биохимическими катализаторами являются ферменты, представляющие собой свернутые в трехмерные структуры пептидные цепочки (белки). Современные ферменты

— продукты долгого пути эволюции. Однако даже короткие цепочки аминокислот показывают поразительно высокую каталитическую активность. Катализаторами могут служить и другие соединения и минералы.

Но в природе нет органических соединений, более эффективно осуществляющих упорядочение посредством селективного катализа, чем пептиды. Пептиды — есть главный инструмент упорядочения.

Биологическое и предбиологическое упорядочение происходит не на уровне вещества, а на уровне индивидуальных молекул. Иначе говоря — на микроскопическом, а не на макроскопическом уровне. Поэтому принципиально важным становится наличие механизма копирования возникшей молекулярной структуры. Возможность воспроизведения определяет возможность перевода микроскопического упорядочения на макроскопический уровень. Поэтому эволюционный механизм должен включать как механизм упорядочения, так и механизм копирования.

Как бы ни были уникальны свойства возникшего пептида, они не могут быть размножены и унаследованы. Аминокислотные последовательности неспособны к самореплика-ции. Поэтому упорядочение, основанное только на синтезе пептидов, не имело бы эволюционной перспективы.

В отличие от пептидов, нуклеотидные цепочки могут са-мовоспроизводиться. В этом отношении, нуклеотидные последовательности не имеют себе равных в мире природных органических соединений. Структуры РНК проявляют и каталитические свойства (рибозимы), но они не идут ни в какое сравнение с каталитическими свойствами пептидов.

Таким образом, два важнейших свойства, необходимые для эволюции жизни — способность к упорядочению через селективный катализ и способность к воспроизведению

— оказались разделенными между двумя классами органических соединений. Логика развивающегося упорядочения разрешила эту коллизию путем опосредованного воспроизведения пептидов через цепочки нуклеотидов. Для этого аминокислотные последовательности должны были быть переведены на язык нуклеотидных последовательностей. Каждая аминокислота должна иметь нуклеотидный символ. В современных биосистемах каждой аминокислоте соответствует одно (иногда несколько) сочетаний из трех нуклеотидов (кодон). Это выработанное эволюцией соответствие называется генетическим кодом.

Модель пептид-нуклеотидного механизма упорядочения иллюстрируется на рис 5.

Концепция упорядочения раскрывает логику возникновения генетического кода. Генетический код — это не некая таинственная информация, а всего лишь обходной маневр, позволяющий аминокислотным последовательностям развиваться по пути возрастающего упорядочения. Гипотеза «Мир РНК» [8, 9] не содержит подобную логику. Из нее не видно, почему генетический код должен был бы возникнуть.

Некоторые принципы эволюции, следующие из концепции упорядочения

Упорядочение и дарвиновская эволюция предусматривают разные стили развития. Дарвинизм предполагает развитие путем небольших изменений (мутаций), которые каждый раз испытываются и закрепляются естественным отбором. В отличие от этого, наиболее эффективный путь упорядочения — это комбинация уже достигнутых форм упорядочения. Поэтому развитие может осуществляться не только небольшими шажками, но и в результате внезапных радикальных изменений. Концепция упорядочения предполагает существование генного резервуара биосферы и согласуется с идеей горизонтального переноса генов.

Устойчивое упорядочение стремится сохранить достигнутые формы упорядочения в последующих поколениях. Отсюда следует эволюционный консерватизм. Например, функция АТФ, несмотря на значительную трансформацию ее биохимического воплощения, сохранилась с начала эволюции до современных организмов. И наоборот, маловероятно, чтобы формы упорядочения, которые были эффективны на ранних стадиях, не имели бы никакого отзвука в современных биологических системах.

Можно назвать ряд других вопросов, на которые дарвинизм и предлагаемая концепция упорядочения дают разные ответы. Например, возможна ли эволюция в условиях неограниченных ресурсов? Развитие упорядочения, в отличие от принципа конкурентной борьбы, не требует уничтожения или вытеснения предшественника. Математическое моделирование естественного отбора всегда включает условие ограниченности ресурсов. Математическое моделирование упорядочения не нуждается в этом условии. Хотя явления селекции непременно присутствуют в развитии, не они определяют возрастающее упорядочение.

Поскольку новые сочетания формируются из того, что уже имеется, некоторые интересные варианты упорядочения, в принципе возможные, могут быть не осуществлены. Некоторые структуры могут иметь избыточную слож-

Рис. 5. Модель петид-нуклеотидного механизма упорядочения.

Рис. 6. Развивающееся упорядочение подобно блужданию в лабиринте.

ность, не являющуюся необходимой для данной функции, а биологические механизмы не оптимальны.

Упорядочение в изложенном здесь понимании напрямую не связано с естественным отбором. Поэтому в геноме может накапливаться запись о структурах, не имеющих немедленного функционального воплощения. Концепция упорядочения, в отличие от дарвиновского отбора, согласуется с интрон-экзонной структурой генома.

В соответствии с концепцией упорядочения не тот продукт (химическая структура или организм) имеет эволюционное преимущество, который более устойчив или производится в большем количестве, а тот, который обеспечивает возможность дальнейшего упорядочения. Это подобно поиску пути в лабиринте. Правильным является тот шаг, который открывает путь дальше (рис. 6).

Предсказание молекулярного сходства форм жизни во Вселенной

Сравнение с лабиринтом имеет еще одно значение. Концепция упорядочения имеет общий характер. Она относится не только к жизни, но и к неорганическому миру. Но в неорганическом мире упорядочение не может продвинуться слишком далеко. После нескольких шагов оно упирается в тупик, в то время как жизнь находит путь развития в течение миллиардов лет до структур невообразимой сложности. Причина этого кроется в уникальных свойствах химии углерода.

Одновременно с упорядочением действует тенденция к разупорядочению, к деградации (при которой более устойчивые компоненты обнаруживают селективное преимущество). Именно на этом пути проявляется роль естественного отбора. Жизнь, подобно вьюну, взбирается вверх по вертикальной стене, цепляясь за бугорки, предоставляемые ей механизмом упорядочения, но только самые жизнеспособные побеги или те, которым повезло, выживают в разрушительном мире, управляемом вторым законом термодинамики.

Из всех химических элементов, слагающих Вселенную, только углерод обладает свойствами, необходимыми для образования биополимеров, только водород, способный к образованию «мягких» водородных связей, обеспечивает функционирование трехмерных органических структур. Только пептиды из всего огромного разнообразия органических соединений могут формировать универсально построенные, но при этом способные к бесконечному разнообразию, формы селективного катализа. Только нуклеотиды обладают уникальной в мире органических соединений способностью к самовоспроизведению. Это значит, что, где бы жизнь не возникла в нашей Вселенной, молекулярно она должна быть построена сходным образом.

Гипотетическая жизнь, построенная на иных принципах, из других химических элементов, на основе других химических соединений, чем белково-нуклеотидная форма, неосуществима.

Свойства среды, согласующиеся с АТФ-зависимым механизмом возникновения жизни

Термодинамика объясняет, почему процесс происходит и в каком направлении он должен идти. Но термодинамика ничего не говорит о том, как, каким путем, с какой скоростью он должен происходить. Концепция устойчивого упорядочения утверждает, что есть физический принцип, в соответствии с которым возникает и развивается жизнь, но из него не следуют конкретные механизмы и условия реализации процесса упорядочения. и формальдегид (НСНО) соответственно. Аденин представляет собой соединение 5 молекул НСЫ, а рибоза — соединение 5 молекул НСНО. Цианистый водород и формальдегид являются распространенными органическими соединениями в составе комет, они присутствуют в межзвездном пространстве, легко синтезируются при наличии элементов водорода, углерода и азота в среде.

Аденин был впервые получен абиогенным путем в 1961 г Ж. Оро [17] с помощью электрического разряда в среде, содержавшей метан и аммиак. Химический путь синтеза аденина был предложен позже [21].

АТФ из смеси аденина, рибозы и фосфата был получен в 1963 г, это сделал С. Поннамперума и соавт. [18].

Однако подкупающая простота синтеза АТФ в действительности реализуется не так просто.

В порядке критики концепции «Мира РНК» Р. Шапиро [20] указал на фундаментальную трудность синтеза нуклеотидов из простых соединений: HCN и НСНО. Эта трудность относится также и к синтезу АТФ. Дело в том, что, когда HCN и НСНО присутствуют совместно, они взаимодействуют между собой с образованием цианоги-дрина по схеме Штреккера. Эта реакция ведет к образованию важных органических соединений: аминокислот и гидроксикислот. Но она блокирует путь синтеза адени-на и рибозы.

Эту трудность можно преодолеть, если синтез аденина и рибозы производить раздельно. В геологических условиях это означает, что синтез нуклеиновых оснований (в том числе аденина) и сахаров (в том числе рибозы) должен был осуществляться в разных средах, а именно, синтез аденина — в восстановленной атмосфере, содержавшей метан и аммиак, а синтез рибозы — в водной среде, в первичных водоемах, содержавших формальдегид и фосфорилирую-щие агенты (рис. 7).

Восстановленная

атмосфера СН„ ЫН, НСД/ -> Аденин

Рис. 7. Схема раздельного синтеза аденина в восстановленной атмосфере и фосфорибозы в водоемах.

______________________________________________________)

Отсюда следует, что одной из предпосылок возникновения жизни является дифференцированное строение соответствующего космического тела. Иначе говоря, жизнь могла возникнуть лишь на телах планетарного размера, способных удерживать раздельные атмосферу и гидросферу.

Значение сформулированного условия как предпосылки предбиологической эволюции косвенным образом поддерживается наблюдаемым составом органических соединений в метеоритах. Как показали детальные исследования углистого хондрита Мерчисон, в составе выделенных индивидуальных органических соединений преобладают аминокислоты и гидроксикислоты [2], в то время как нуклеиновые основания и сахара редки или отсутствуют вообще. Действительно, родительские тела метеоритов имели небольшие размеры. Они не могли иметь атмосферу и гидросферу. HCN и НСНО не были пространственно разделены. Поэтому химический процесс развивался по ци-ангидриновому пути, производными которого явились аминокислоты и гидроксикислоты. Иначе говоря, состав метеоритов, иллюстрирует путь химиче-ского развития, который не мог привести к возникновению и эволюции жизни на этих телах.

Фосфорилирование

Рибоза была получена из гликольальдегидфосфата в присутствии формальдегида и минеральной матрицы. Гликольальдегид является непосредственным продуктом конденсации формальдегида. Однако для получения ри-бозы оказывается необходимым раннее фосфорилирование гликольальдегида. Фосфорилирование становится эффективным в присутствии амидотрифосфата, который возникает в реакции циклотрифосфата с аммонием [12]. Подчеркнем, что участие аммония предполагает восстановительные условия.

На решающую роль фосфатов указывают практически все экспериментальные работы.

Фосфор и в современной биосфере играет выдающуюся роль. Это один из пяти главных элементов живого вещества: С, Н, О, N Р. Поскольку по своей геологической распространенности фосфор значительно уступает первым четырем элементам, именно наличие фосфора ограничивает объем биоты, удерживая развитие биомассы как пространственно, так и в геологическом времени на определенном уровне. Всюду, где и когда увеличивается поступление фосфора, например, в зонах океанического ап-веллинга или в эпохи активного вулканизма, возникают условия для расцвета биоты.

Ежедневное производство АТР живыми организмами соизмеримо с их весом [11]. Гигантское количество энергии, потребляемое в процессе фосфорилирования, поддерживает всю совокупность биохимических и биофизических процессов, протекающих в современной биосфере.

Доступность и подвижность фосфора на примитивной Земле можно рассматривать в качестве одной из важнейших предпосылок происхождения жизни.

Минеральные фосфаты, например апатит, плохо растворимы. Поэтому фосфор в ортофосфатной форме Р0— слабо подвижен. В восстановительной обстановке минеральные соединения фосфора устойчивы в виде фосфитов (солей фосфористой кислоты Н3РО3). В фосфористой кислоте один атом Н непосредственно связан с атомом фосфора. По этой связи легко происходит замещение Н на углеродсодержащие радикалы Яс с образованием связи С-Р. В результате образуются фосфоновые кислоты. Фос-

фоноацетальдегид легко рекомбинируется с формальдегидом, приводя к синтезу рибозо-2-4-бифосфата. В отличие от труднорастворимого апатита, фосфиты растворимы и подвижны в воде.

Заметим вновь, что условием устойчивости фосфитов является восстановительная среда.

Циклическая смена условий

Когда АТФ присутствует в водной среде, его способность к химическому сопряжению с реакциями синтеза теряет свое значение. Поэтому для синтеза, сопряженного с гидролизом АТФ, наиболее благоприятной была бы безводная среда. Но присутствие воды существенно в других отношениях, в частности, для обеспечения подвижности реагирующих соединений. Условия для химического сопряжения могут возникать, если реакции синтеза с участием АТФ осуществляются на гидрофобных пленках или внутри замкнутых оболочек микроскопических размеров. Важна также циклическая смена условий, например, смена высушивания и увлажнения. В безводных условиях происходят сопряженные реакции органического синтеза и гидролиз АТФ, а при увлажнении — процессы транспорта и обмена. Циклический характер процессов отвечает механизму релаксации стационарного состояния, с которым связано развитие упорядочения.

Обстановка на ранней Земле

В ходе изложения я неоднократно подчеркивал значение восстановительной обстановки в качестве предпосылки возникновения жизни. Однако до последнего времени возможность существования восстановительной атмосферы на ранней Земле отвергалась. Считалось, что первичная атмосфера содержала углерод в виде СО2, а не СН4, и азот в виде Ы2, а не ЫН3, т.е. атмосфера была нейтральной (бескислородной), но не восстановленной.

Однако эта парадигма нуждается в пересмотре. Основания к этому дали последние исследования Марса. Присутствие жидкой воды на раннем Марсе при относительно низкой светимости раннего Солнца возможно лишь при наличии газов, создающих оранжерейный эффект. Дж. Кастинг [10] показал, что СО2 не мог обеспечить такой эффект. Остается метан. В одной из работ я показал, что наблюдаемое аномальное обогащение марсианских карбонатов изотопом 13С объясняется, если углерод в ранней атмосфере Марса был представлен метаном [4].

Могла ли и Земля, подобно Марсу, содержать метан в первичной атмосфере? Такое представление было распространено в 50-е годы. Но затем было показано, что СН4 и ЫН3 нестабильны к фотодиссоциации и не могут существовать в атмосфере длительное время. Кроме того, земная мантия относительно окислена. Редокс-потенциал верхней мантии отвечает кварц-файлит-магнетитовому буферу (QFM). Восстановленная атмосфера не могла находиться в равновесии с такой мантией. Однако фотодиссоциация метана сопровождается формированием слоя органического аэрозоля в верхних слоях атмосферы, который, как было показано может экранизировать метан от дальнейшей фотодиссоциации [19].

Что касается редокс-потенциала мантии, то возможно, что первоначальная мантия была восстановленной. Однако в течение первых сотен миллионов лет произошло ее окисление, и установился наблюдаемый редокс-потенциал, отвечающий QFM-буферу в верхней мантии. Проанализировав известные факты, я предложил модель, связывающую окислительную эволюцию мантии с медленным наращиванием ядра [6]. Имеется в виду, что в

2900км

(M?, FI*)SiO,

(Mg, _ xFeU, rFel; )SiO, + yFe0

током в верхние слои нижнеи мантии и в верхнюю мантию, испытывает обратный фазовый переход, а высвобождаемый кислород приводит к наблюдаемой повышенной фу-гитивности его в верхней мантии:

M __м:, yFei y)SiO,

5150км

Рис. 8. Схема окисления первоначально восстановленной мантии за счет постепенного наращивания ядра.

основном ядро сформировалось быстро. На 90-95% ядро сформировалось в первые 100 млн. лет. Однако оставшаяся часть могла наращиваться в течение всей геологической истории. Тепловой эффект этого процесса объясняет избыток тепла, выделяемого Землей, по сравнению с тем тепловым потоком, который обусловлен энергией распада радиоактивных элементов. С другой стороны, диспропорционирование FeO, содержащегося в силикатной мантии, на металлическое железо, присоединяющееся к ядру, и окисное железо, остающееся в мантии, приводит к накачке кислорода в мантию (рис. 8).

В условиях нижней мантии перовскит проявляет высокое сродство к Ре3+:

_ 1| \ ~ _

В результате этого может выделиться металлическое железо и существенно понизиться фугитивность кислорода в окружающей среде [3, 14]

В процессе глобальной конвекции перовскит с избыточным содержанием кислорода выносится восходящим по-

^ (Мг, _ „Ре?_у) 310, — ,+^02

В динамическом отношении процесс взаимодействия мантийного вещества ядра может происходить в пограничном слое, выделяемом геофизиками как D»-слой [13].

Таким образом, на ранней Земле в первые сотни миллионов лет могла существовать восстановительная обстановка. Эта обстановка создала благоприятные условия для возникновения жизни. Дальнейшее наращивание ядра, сопровождающееся окислением мантии, привело к замене первичного восстановленного режима на более окисленный (нейтральный) на рубеже 4 млрд. лет назад. Но к этому времени предби-ологический этап уже был завершен, и жизнь приобрела способность к адаптации к внешним условиям.

Выводы

1. Кратко изложена развитая ранее автором модель упорядочения, согласно которой существует определенная категория процессов, в которых упорядочивание является аттрактором, т.е. достигается как устойчивый результат. Это — процессы, колеблющиеся вблизи стационарного состояния и включающие микроскопически сопряженные реакции. Развитие жизни является естественной формой реализации этого типа процессов, уникально присущей химии углерода.

2. Особая роль аденозинтрифосфата (АТФ) в зарождении и эволюции жизни обусловлена его универсальной способностью сопрягаться с реакциями полимеризации, лежащими в основе синтеза биологически значимых структур.

3. Из развиваемой автором модели вытекают определенные принципы биологической эволюции и определенные условия зарождения жизни. К числу последних, помимо сформулированных ранее (наличие источников энергии, воды, исходных органических структур и приемлемого для органического синтеза диапазона температур), добавляются: а) существенно восстановительная обстановка; б) циклическая смена условий: осушение — увлажнение, прогрев — охлаждение.

Литература

1. Галимов Э.М. Феномен жизни. Между равновесием и нелинейностью. Происхождение и принципы эволюции. — М.: УРСС, 2001. — 254 с.

2. Cronin J. R., Cooper G. W., and Pizzarello. Characteristics and formation of amino acids and hydroxy acids of the Murchison meteorite // Adv. Space Res. 1995. — Vol. 15. — P. 91-97.

3. Frost D.J., and Langenhorst F. The effect of А12О3 on Fe-Mg partitioning between magnesiowustite and magnesium silicate perovskite // Earth Planet. Sci. Lett. — 2002. -Vol. 199. — P. 227-241.

4. Galimov E.M. On the phenomenon of enrichment of Mars in 13C: A suggestion on the reduced Initial Atmo-sphere // Icarus. — 2000. -Vol. 147. — P. 472-476.

5. Galimov E.M. Phenomenon of life: Equilibrium and non-linearity. Origins of life and evolution of the Biosphere // Origin Life Evol. Biosphere. -2004. — Vol. 6. — P. 599-613.

6. Galimov Е.М. Redox evolution of the Earth caused by a multi-stage formation of its core // Earth. Planet. Sci. Lett. — 2005. — Vol. 233. — P. 263276.

7. Galimov E.M. Concept of sustained ordering and an ATP-related mechanism of life’s origin // Int. J. Mol. Sci. -2009. — Vol. 10. — P. 20192030.

8. Gilbert W. Origin of life: the RNA world // Nature. — 1986. — Vol. 319. — P. 618.

9. Joyce G. F. RNA evolution and the origin of life // Nature. — 1989. — Vol. 338. — P. 217-224.

10. Kasting J.F. CO2 condensation and climate of early Mars // Icarus. — 1991. — Vol. 94. — P. 1-13.

11. Keefe A. D. and Miller S. L. Are polyphosphates or phosphate esters prebiotic reagents? // J. Mol. Evol. — 1995. — Vol. 41. — P. 693-702.

12. Krishnamurthy R, Arrhenius G. and Eschenmoser A. Formation of glycolaldehyde phosphate from glycolaldehyde in aqueous solution // Orig. Life Evol. Biosphere. — 1999.

— Vol. 29. — P. 333-354.

13. Maupin V. The nature of the «D» layer: seismological constraints // Geophys. Res. Abstracts. — 2004. — Vol. 6. — P. 11749.

14. McCommon C. Perovskite as a possible sink for ferric iron in the lower mantle // Nature. —

1997. — Vol. 387. — P. 694-696.

15. Miller S. L. and Urey H.C. Organic compound synthesis on the primitive Earth // Scince. -1959. — Vol.130. — P. 245-259.

16. Nicolis G. and Prigogine I. SelfOrganization in Non-equilibrium Systems. -New York: Wiley-Interscience, 1977.

17. Oro J. Mechanism of synthesis of adenine from hydrogen cyanide under plausible primitive Earth conditions // Nature. — 1961. — Vol. 191.

— P. 1193-1194.

18. Ponnamperuma, C., Sagan C. and Mariner R. Synthesis of adenosine triphosphate under possible primitive Earth conditions // Nature.

— 1963. — Vol. 199. — P. 222-226.

19. Sagan C. and Chyba C. The early faint sun paradox: organic shielding of ultraviolet-labile greenhouse gases // Science. — 1997. — Vol. 276.

— P. 1217-1221.

20. Shapiro, R. The improbability of prebiotic nucleic acid synthesis. Origin Life Evol. Biosphere. — 1984. — Vol. 14. — P. 565-570

21. Zubay G. Studies on the lead-catalyzed synthesis of aldopentoses // Origin Life Evol. Biosphere. — 1998. — Vol. 28. — P. 13-26.

v________________________________________________________________

Стационарная теория происхождения жизни

By vera |

Гипотеза стационарного состояния жизни (этернизма) была предложена немецким ученым Тьерри Вильямом Прейером (1841 — 1897 г.г.). Возникло сомнение в правомерности самого поставленного вопроса — как возникла жизнь. А было ли это возникновение?

Сущность предложенного состоит в том, что не было никакого возникновения жизни. А как же тогда? А никак. И все. Жизнь была всегда, и Земля была всегда, и Вселенная была всегда. Причем все сразу и в стационарном, неизменном виде. Не было никакого развития, изменения условий, происхождения одних видов живых организмов от других, эволюции, новых форм, усложнения. Словом — никакого движения. Все вечно и незыблемо, так было, так есть и так будет всегда. Таково свойство самой жизни — стабильность.

Сторонники стационарной теории жизни убеждены, что исчезновения видов (как, впрочем, и их появления), о котором свидетельствуют находки палеонтологов, не происходит. Одни виды происходят от других? Чушь и чепуха! Где доказательства, где переходные формы? Их нет? Ну, на нет и суда нет. Вот когда найдете — приходите, поговорим. Тот факт, что ископаемые останки тех или иных животных вдруг исчезают в отложениях определенного геологического периода говорит, по их мнению, лишь о том, что просто уменьшилась ( или увеличилась, в случае внезапного появления) численность особей данного биологического вида. Или произошла миграция в районы, более комфортные для существования вида, но не способствующие сохранности останков. И самый любимый, в этом отношении, для сторонников этернизма пример — латимерия. Кистеперая рыба, которая считалась вымершей в конце мелового периода, была неожиданно поймана в районе Мадагаскара. И это не единственный пример, когда организмы прошлых геологических эпох вдруг обнаруживаются в укромных уголках нашей планеты, в каких- то экологических «кладовках», планетных «заказниках». Туатара — ящерица, не претерпевшая никаких изменений за миллионы лет своего существования. Землеройка солендон, тоже оставшаяся неизменной за значительный временной промежуток. Еще один примечательный случай. Биологи и палеонтологи считают ископаемое археоптерикс переходной формой от рептилий к птицам. Но в 1977 году в Америке, в штате Колорадо, обнаружили окаменелые останки птиц, возраст которых был сопоставим и даже превышал возраст останков археоптерикса. Следовательно, последний не может являться переходной формой, это отдельно стоящий субъект. В последнее время мы часто слышим о существовании ископаемых животных в глубоководных водоемах ( типа пресловутой Несси). Или в труднодоступных районах высокогорья, тайги, на малообжитых участках планеты — реликтовые гоминиды. Причем, местные жители живут с ними бок о бок с глубокой древности, умеют сосуществовать и уж точно не относят их к мистическим или сказочным персонажам.

Понятно, что с положениями данной гипотезы не согласны астрономы, биологи, палеонтологи. Ничего не ново, все вечно? О какой «вечности» может идти речь, если астрофизиками установлен возраст Вселенной — что- то около 17 миллиардов лет, возраст Солнца и Земли — 4,6 миллиардов лет. Где тут вечность? И что значит «неизменна»? С момента Большого Взрыва и сама Вселенная, и Земля в ее составе таки сильно изменились. Возражают и палеонтологи — если вид существует в данную геологическую эпоху, то хотя бы где- то в слоях грунта, соответствующего данному периоду, он должен быть представлен. И то, что все особи вдруг переместились туда, где не сохранятся их останки, выглядит как-то неубедительно, просто какая- то осознанная подлость по отношению к будущим палеонтологам. Следы в грунте оставляют все существа, даже мягкотелые и микробы. В породах до Кембрийского периода найдены останки совершенно уникальных организмов и ни одного из всего множества современных. Где же они все, дружно «мигрировали» в особые места? Все? Нет, понятно, что биологи стоят за эволюцию.

В какой- то степени, сторонником стационарности жизни можно считать российского ученого Владимира Ивановича Вернадского (1864 — 1945 г.г ), автора учения о биосфере. Он считал, что жизнь — вечная основа космоса, который является энергией и материей. Жизнь связана с космосом и вечна, как космос. «…начала жизни в том Космосе, который мы наблюдаем, не было, поскольку не было начала этого Космоса. Жизнь вечна, поскольку вечный Космос». Таким образом, академик сочетал версии стационарной жизни и панспермии в своем видении проблемы происхождения жизни.

Идея неизменности биологических видов Земли сближает теорию этернизма с креационистской, сторонники которой тоже считают жизнь неизменной с момента ее создания Творцом. По крайней мере, с ее ортодоксальным крылом.

Как бы то ни было, теория стационарного состояния жизни, собственно, возникновения этой самой жизни и не объясняет. Просто объявляется о вечном и неизменном существовании всего и всегда впредь — вот и все дела. А значит она не может считаться весомой гипотезой в решении данной проблемы. Как особое мнение или размышление на заданную тему она интересна, но внести конструктивный вклад в продвижение по пути поиска истоков жизни вряд ли сможет.

Информация:

Аллен Р.Д. «Наука о жизни», М., 1981

Вернадский В.И. «Живое вещество», М.,1978

Ганты Т., «Жизнь и ее происхождение», М., 1981

www.antropogenez.ru

dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/285926

4. Теория стационарного состояния

Сторонники теории вечного существования жизни считают, что Земля никогда не возникала, а существовала вечно, и вместе с ней всегда существовали различные виды живого. Но при этом некоторые виды животных вымерли, некоторые изменились, а некоторые остались прежними. Большая часть аргументов в пользу этой теории основана на исследованиях палеонтологов, выявивших исчезновение некоторых видов животных в процессе эволюции. Авторы и сторонники этой модели говорят, что жизнь на Земле никогда не возникала, а существовала всегда. В разные геологические эпохи менялись лишь формы жизни. Еще они полагают, что и различные виды животных существовали всегда, что у каждого вида есть лишь две возможности существования: изменение численности или вымирание.

Можно сделать вывод, что ее также нельзя отнести к естественнонаучным, потому что вопрос о происхождении жизни в ней принципиально не стоит: жизнь рассматривается как вечно существующая.

  1. 5. Модель самопроизвольного (спонтанного) зарождения жизни

Данная концепция также зародилась давно, и долгое время была единственной альтернативной креационизму. Идея о самопроизвольном зарождении жизни появилась в результате повседневных наблюдений за тем, как в мусорных кучах, гниющих отбросах постоянно появляются личинки, черви, мухи. Поскольку о существовании микроорганизмов в те далекие времена не было ничего известно, то считалось, что все низшие организмы появляются путём самозарождения. Ученые Средневековья, например, допускали, что рыбы могли зародиться из ила, мыши — из грязи, мухи — из мяса и т.д. Подобных взглядов придерживались многие известные ученые (Аристотель, Парацельс, Коперник, Галилей, Декарт и др.), благодаря авторитету которых концепция самопроизвольного зарождения жизни смогла существовать так долго.

Однако начиная с XVII в. стали накапливаться данные, противоречащие такому пониманию происхождения жизни.

В 1765 году Ладзаро Спалланцани провел опыт: подвергнув мясные и овощные отвары кипячению в течение нескольких часов, он сразу же их запечатал, после чего снял с огня. Исследовав жидкости через несколько дней, Спалланцани не обнаружил в них никаких признаков жизни. Из этого он сделал вывод, что высокая температура уничтожила все формы живых существ, и что без них ничто живое уже не могло возникнуть.

В 1860 году проблемой происхождения жизни занялся Луи Пастер. К этому времени он уже многое сделал в области микробиологии и сумел разрешить проблемы, угрожавшие шелководству и виноделию. Он показал также, что бактерии вездесущи и что неживые материалы легко могут быть заражены живыми существами, если их не стерилизовать должным образом.

  1. 6. Теория панспермии

Практически одновременно с опытами Пастера немецким ученым Г. Рихтером была высказана гипотеза о занесении живых существ на Землю из космоса. Согласно этой гипотезе жизнь в виде «семян» широко распространена в космосе, откуда зародыши простых организмов могли попасть в земные условия вместе с метеоритами и космической пылью и дать начало эволюции всего живого, породив, таким образом, все многообразие земной жизни. То есть данная теория допускала возможность возникновения жизни в разное время в разных частях Галактики и перенесения ее на Землю тем или иным способом. Основную идею концепции панспермии разделяли крупнейшие ученые конца XIX в. У. Томсон (барон Кельвин), Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский и др.

Концепция панспермии была поддержана многими известными учеными, что способствовало ее широкому распространению. Довольно большое число сторонников имеет эта концепция и в наши дни. Серьезных аргументов в пользу концепции панспермии нет. При этом существуют серьезные доводы против нее. Дело в том, что, хотя спектр возможных условий для существования живых организмов достаточно широк, все же считается, что они должны погибнуть в космосе под действием ультрафиолетовых и космических лучей.

Теория устойчивого состояния — объяснение науки

Этот пост, последний из моей серии о космологии, рассказывает о теории устойчивого состояния. Это элегантная альтернатива теории Большого взрыва, которая была очень популярна среди астрономов в 1950-х годах, но сейчас устарела.

Что такое теория устойчивого состояния?

Теория Большого взрыва утверждает, что Вселенная возникла из невероятно горячего и плотного состояния 13,7 миллиарда лет назад и с тех пор расширяется и остывает.Сейчас это общепринято большинством космологов. Однако так было не всегда, и какое-то время теория устойчивого состояния была очень популярна. Эта теория была разработана в 1948 году Фредом Хойлом (1915-2001), Германом Бонди (1919-2005) и Томасом Голдом (1920-2004) в качестве альтернативы Большому взрыву для объяснения происхождения и расширения Вселенной. В основе теории устойчивого состояния лежит идеальный космологический принцип . Это говорит о том, что Вселенная бесконечна по протяженности, бесконечно стара и, взятая в целом, одна и та же во всех направлениях и во все времена в прошлом и во все времена в будущем.Другими словами, Вселенная не развивается и не меняется со временем.

Теория признает, что изменения происходят в меньшем масштабе. Если мы возьмем небольшую область Вселенной, например, окрестности Солнца, она действительно меняется со временем, поскольку отдельные звезды сжигают свое топливо и умирают, в конечном итоге становясь такими объектами, как черные карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Теория устойчивого состояния предполагает, что новые звезды постоянно создаются со скоростью, необходимой для замены звезд, которые израсходовали свое топливо и перестали светить.Итак, если мы возьмем достаточно большую область пространства, и под большим мы будем иметь в виду десятки миллионов световых лет в поперечнике, среднее количество излучаемого света не изменится со временем.

Солнце просуществует около 5-6 миллиардов лет, прежде чем у него закончится топливо. Изображение из НАСА

Как теория поддерживает расширение Вселенной?

Вселенная состоит из галактик, каждая из которых содержит много миллиардов звезд.Наш Млечный Путь — большая галактика, которая, как полагают, содержит более 400 миллиардов звезд.

Как будет выглядеть Млечный Путь с большого расстояния. Изображение из НАСА

Как обсуждалось в моем предыдущем посте, с 1929 года известно, что Вселенная расширяется, а это означает, что когда мы смотрим на далекие галактики, кажется, что они удаляются от нас. Чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она удаляется. Эта зависимость, известная как закон Хаббла, в упрощенном виде показана на диаграмме ниже.

Горизонтальная ось абсцисс показывает расстояние от Земли в мегапарсеках (где 1 Мпк = 3,26 миллиона световых лет). Вертикальная ось Y показывает скорость в километрах в секунду, с которой галактика удаляется от нас.

Хаббл доказал, что все галактики удаляются друг от друга, из чего следует, что среднее расстояние между галактиками увеличивается, и поэтому Вселенная должна меняться со временем.

Теория устойчивого состояния обходит это, предполагая, что новая материя постоянно создается из ничего с невероятно малой скоростью — 1 атом водорода на 6 кубических километров пространства в год (s ee notes). .Эта новая материя в конечном итоге формирует новые звезды и новые галактики, и, если мы возьмем достаточно большую область Вселенной, ее плотность, которая представляет собой количество вещества в данном объеме пространства, не изменится со временем. Если мы возьмем две отдельные галактики, то их относительное расстояние будет удаляться все дальше и дальше друг от друга из-за расширения Вселенной. Однако, поскольку новые галактики образуются постоянно, среднее расстояние между галактиками не меняется. Это показано в упрощенной форме на диаграмме ниже.

На диаграмме выше я взял небольшую область космоса и пометил две галактики красной и зеленой точкой, чтобы их можно было идентифицировать. Все остальные галактики отмечены белой точкой. В верхней части диаграммы показана теория Большого взрыва, согласно которой расстояния между всеми галактиками увеличиваются по мере расширения Вселенной. В теории устойчивого состояния, показанной в нижней части диаграммы, расстояние между красной и зеленой галактиками увеличивается, но создаются дополнительные галактики, поэтому среднее расстояние между галактиками не меняется.В самом деле, если бы теория устойчивого состояния была верной, то наблюдатель измерил бы те же значения:

.
  • средняя плотность Вселенной,
  • среднее расстояние между галактиками,
  • средняя яркость галактик
  • как скорость, с которой удаляются галактики, зависит от расстояния до них

во всех регионах Вселенной в любое время в прошлом или будущем.

Одна из элегантных особенностей теории устойчивого состояния состоит в том, что, поскольку Вселенная бесконечно стара, вопрос о ее происхождении не возникает.Он существовал всегда. В отличие от теории Большого взрыва, теория устойчивого состояния не имеет точки в далеком прошлом, когда произошло «событие сотворения», которое привело к возникновению Вселенной. Для Фреда Хойла, убежденного атеиста, это было особенно привлекательной чертой теории.

Упадок теории устойчивого состояния

Теория устойчивого состояния была очень популярна в 1950-х годах. Однако доказательства против этой теории начали появляться в начале 1960-х годов. Во-первых, наблюдения, проведенные с помощью радиотелескопов, показали, что на большом расстоянии от нас было больше радиоисточников, чем можно было бы предсказывать в теории.Под большим расстоянием я подразумеваю миллиарды световых лет. Поскольку свету требуется время, чтобы добраться до нас, когда мы смотрим на объекты, находящиеся в миллиардах световых лет от нас, мы смотрим на миллиарды лет назад. Итак, эти наблюдения говорят о том, что миллиарды лет назад было больше космических радиоисточников, чем сейчас. Это предполагает, что Вселенная меняется с течением времени, что противоречит теории устойчивого состояния

.

Еще одно доказательство, дискредитирующее теорию, появилось в 1963 году, когда был открыт новый класс астрономических объектов, называемых квазарами.Это невероятно яркие объекты, которые могут быть в 1000 раз ярче Млечного Пути, но очень малы по сравнению с размером галактики. Квазары встречаются только на больших расстояниях от нас, а это означает, что свет от них был испущен миллиарды световых лет назад. Тот факт, что квазары только , обнаруженные в ранней Вселенной, является убедительным доказательством того, что Вселенная изменилась с течением времени.

Квазар. Изображение из ESO

Однако настоящим гвоздем в крышку гроба теории устойчивого состояния стало открытие в 1965 году космического микроволнового фонового излучения.Это слабый радиационный фон, который заполняет все пространство и одинаков во всех направлениях. В теории Большого взрыва это излучение является реликтом или моментальным снимком того времени, когда Вселенная была молодой и горячей, и было предсказано до того, как оно было обнаружено. Однако в теории стационарного состояния почти невозможно объяснить происхождение этого излучения.

Является ли теория устойчивого состояния хорошей теорией?

По причинам, указанным выше, к началу 1970-х годов теория устойчивого состояния больше не была принята подавляющим большинством космологов.В настоящее время принято считать, что теория Большого взрыва объясняет происхождение Вселенной. Однако, несмотря на это, все же можно утверждать, что теория устойчивого состояния — хорошая теория.

По словам Стивена Хокинга:

«Теория устойчивого состояния была тем, что Карл Поппер назвал хорошей научной теорией: она давала определенные прогнозы, которые можно было проверить наблюдением и, возможно, опровергнуть. К сожалению для теории, они были сфальсифицированы »(ссылка 1).

Изображение из НАСА

Дополнительная литература и связанные сообщения

Полный список см. На https: // объяснение науки.org / tag / cosmology /


Обновление 1 октября 2020 г., новый канал YouTube Explaining Science

Видео, содержащее некоторые материалы из этого поста, можно посмотреть на YouTube-канале Explaining Science.


Банкноты

1 Чтобы непрерывно создавать материю и стимулировать расширение Вселенной. Фред Хойл ввел в модель устойчивого состояния то, что он назвал C-полем, где C означает созидание.

Список литературы

1 http://www.hawking.org.uk/the-beginning-of-time.html

Нравится:

Нравится Загрузка …

Связанные

Что такое гипотеза устойчивого состояния?

Когда дело доходит до нашего космического происхождения, на протяжении всей истории выдвигался ряд теорий. Буквально в каждой когда-либо существовавшей культуре была своя мифологическая традиция, которая, естественно, включала в себя историю сотворения.С зарождением научной традиции ученые начали понимать Вселенную с точки зрения физических законов, которые можно было проверить и доказать.

С наступлением космической эры ученые начали проверять космологические теории с точки зрения наблюдаемых явлений. Из всего этого ко второй половине 20-го века возник ряд теорий, которые пытались объяснить, как возникла вся материя и физические законы, управляющие ею. Из них теория большого взрыва остается наиболее широко принятой, в то время как гипотеза устойчивого состояния исторически была ее самым большим противником.

Модель стационарного состояния утверждает, что плотность материи в расширяющейся Вселенной остается неизменной с течением времени из-за непрерывного создания материи. Другими словами, наблюдаемая Вселенная по существу остается неизменной независимо от времени и места. Это резко контрастирует с теорией, согласно которой большая часть материи была создана в результате одного события (Большого взрыва) и с тех пор расширяется.

Иллюстрация, показывающая три шага, которые астрономы использовали для измерения скорости расширения Вселенной (постоянной Хаббла).Источники: NASA, ESA, A. Feild (STScI) и A. Riess (STScI / JHU)

Истоки

Хотя понятие стабильной и неизменной Вселенной использовалось на протяжении всей истории, только в период раннего Нового времени ученые начали интерпретировать это в астрофизических терминах. Первым ярким примером этого аргумента в контексте астрономии и космологии был труд Исаака Ньютона Mathematical Principles of Natural Philosophy ( Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ), опубликованный в 1687 году.

В своем большом произведении Ньютон концептуализировал Вселенную за пределами Солнечной системы как пустое пространство, равномерно простирающееся во всех направлениях на неизмеримые расстояния. Далее он объяснил с помощью математических доказательств и наблюдений, что все движение и динамика в этой системе объяснялись с помощью единого принципа всемирного тяготения.

Однако то, что впоследствии стало известно как гипотеза устойчивого состояния, появилось только в начале 20 века. Эта космологическая модель была вдохновлена ​​рядом открытий, а также прорывами в области теоретической физики.К ним относятся общая теория относительности Альберта Эйнштейна и наблюдения Эдвина Хаббла о том, что Вселенная находится в состоянии расширения.

Эйнштейн формализовал эту теорию к 1915 году после того, как решил расширить свою специальную теорию относительности, включив в нее гравитацию. В конце концов, эта теория утверждает, что гравитационная сила материи и энергии напрямую изменяет кривизну пространства-времени вокруг себя. Или, как резюмировал известный физик-теоретик Джон Уиллер, «пространство-время говорит материи, как двигаться; материя говорит пространству-времени, как искривляться.”

Иллюстрация глубины, с которой Хаббл отображал галактики в предыдущих инициативах Deep Field, в единицах Эпохи Вселенной. Предоставлено: НАСА и А. Фейлд (STScI)

К 1917 году теоретические расчеты, основанные на уравнениях поля Эйнштейна, показали, что Вселенная должна быть в состоянии расширения или сжатия. К 1929 году наблюдения, сделанные Джорджем Леметром (предложившим теорию большого взрыва) и Эдвином Хабблом (с использованием 100-дюймового телескопа Хукера в обсерватории Маунт-Вильсон), продемонстрировали, что последнее имело место.

На основании этих откровений в 1930-х годах начались дебаты о возможном происхождении и истинной природе Вселенной. С одной стороны, были те, кто утверждал, что Вселенная имеет конечный возраст и со временем эволюционировала за счет охлаждения, расширения и образования структур из-за гравитационного коллапса. Фред Хойл сатирически назвал эту теорию «Большим взрывом», и это название прижилось.

Между тем, большинство астрономов в то время придерживалось теории, согласно которой, хотя наблюдаемая Вселенная расширяется, она, тем не менее, не меняется с точки зрения плотности материи.Короче говоря, сторонники этой теории утверждали, что у Вселенной нет ни начала, ни конца, и что материя постоянно создается с течением времени — со скоростью один атом водорода на кубический метр за 100 миллиардов лет.

Эта теория также расширила космологический принцип Эйнштейна, также известный как. Космологическая постоянная (КК), предложенная Эйнштейном в 1931 году. Согласно Эйнштейну, эта сила была ответственна за «сдерживание гравитации» и обеспечение того, чтобы Вселенная оставалась устойчивой, однородной и изотропной с точки зрения ее крупномасштабной структуры.

Модифицируя этот принцип и расширяя его, члены школы устойчивого состояния утверждали, что именно непрерывное создание материи гарантирует, что структура Вселенной остается неизменной с течением времени. Это иначе известно как идеальный космологический принцип, который развенчивает гипотезу устойчивого состояния.

Теория устойчивого состояния стала широко известна к 1948 году после публикации двух статей: «Новая модель расширяющейся Вселенной» английского астронома Фреда Хойла и «Теория устойчивого состояния и расширяющаяся Вселенная» британско-австрийского автора. команда астрофизиков и космологов Германа Бонди и Томаса Голда.

Ключевые аргументы и прогнозы

Аргументы в пользу гипотезы устойчивого состояния включают очевидную проблему масштаба времени, вызванную наблюдаемой скоростью космического расширения (также известной как постоянная Хаббла или закон Хаббла-Леметра). Основываясь на наблюдениях Хаббла за близлежащими галактиками, он подсчитал, что Вселенная расширяется со скоростью, которая систематически увеличивается с расстоянием.

Это породило идею о том, что Вселенная начала расширяться из гораздо меньшего объема пространства.В отсутствие ускорения / замедления — 500 км / с на мегапарсек (310 м / с на мегапарсек) — постоянная Хаббла означала, что вся материя расширялась в течение примерно 2 миллиардов лет, что также было бы высшим возрастом Вселенной.

Может показаться, что материя и антивещество уничтожают друг друга. Предоставлено: NASA / CXC / M. Weiss

Это открытие опровергло радиоактивное датирование, когда ученые измерили скорость распада залежей урана-238 и плутония-205 в образцах горных пород.Согласно этому методу, возраст самых старых образцов горных пород (лунного происхождения) оценивается в 4,6 миллиарда лет. Еще одно несоответствие возникло в результате теории звездной эволюции.

Короче говоря, скорость, с которой водород плавится внутри звезд (с образованием гелия), дает верхнюю оценку возраста в 10 миллиардов лет для шаровых скоплений — самых старых звезд в галактике. Более того, в этой модели не могло произойти никакой эволюции на больших расстояниях, а это означало бы наличие радиоисточников, иначе говоря.квазары или активные галактические ядра (AGN) — будут однородными по всей Вселенной.

Это также означало бы, что постоянная Хаббла (рассчитанная в начале 20 века) останется постоянной. Модель стационарного состояния также предсказывала, что устойчивое создание антивещества и нейтронов приведет к регулярным аннигиляциям и распаду нейтронов, что приведет к существованию гамма-фона и горячего газа, излучающего рентгеновские лучи, по всей Вселенной.

Большой взрыв для победы

Однако продолжающиеся наблюдения в течение 1950-х и 1960-х годов неуклонно приводили к накоплению доказательств против гипотезы устойчивого состояния.Сюда входило открытие ярких радиоисточников (также известных как квазары и радиогалактики), которые были обнаружены в далеких галактиках, но не в ближайших к нам, что указывает на то, что многие галактики со временем стали «радиотихающими».

Это единственное изображение всего неба, полученное телескопом Planck, одновременно сделало два снимка реликтового излучения. Предоставлено: ESA

. К 1961 году обзоры радиоисточников позволили провести статистический анализ, который исключил возможность однородного распределения ярких радиогалактик.Еще одним важным аргументом против гипотезы устойчивого состояния было открытие космического микроволнового фона (CMB) в 1964 году, которое предсказывала модель Большого взрыва.

В сочетании с отсутствием фона гамма-излучения и всепроникающих облаков газа, излучающего рентгеновское излучение, модель Большого взрыва получила широкое распространение к 1960-м годам. К 1990-м годам наблюдения с помощью космического телескопа Хаббл и других обсерваторий также обнаружили, что космическое расширение не было согласованным во времени. Фактически, в течение последних трех миллиардов лет он ускорялся.

Это привело к нескольким уточнениям постоянной Хаббла. На основании данных, собранных с помощью зонда микроволновой анизотропии Уилкинсона (WMAP), скорость космического расширения в настоящее время оценивается в диапазоне от 70 до 73,8 км / с на Мпк (от 43,5 до 46 мпс на Мпк) с погрешностью 3%. Эти значения гораздо более согласуются с наблюдениями, согласно которым возраст Вселенной составляет около 13,8 миллиарда лет.

Современные варианты

Начиная с 1993 года, Фред Хойл и астрофизики Джеффри Бербидж и Джайант В.Нарликар начал публиковать серию исследований, в которых они предложили новую версию гипотезы устойчивого состояния. Эта вариация, известная как гипотеза квазистационарного состояния (QSS), пыталась объяснить космологические явления, которые старая теория не учитывала.

Эта модель предполагает, что Вселенная является результатом очагов творения (так называемых мини-взрывов), происходящих в течение многих миллиардов лет. Эта модель была изменена в ответ на данные, которые показали, как увеличивается скорость расширения Вселенной.Несмотря на эти модификации, астрономическое сообщество по-прежнему считает Большой взрыв лучшей моделью для объяснения всех наблюдаемых явлений.

Сегодня эта модель известна как модель Лямбда-Холодной Темной Материи (LCDM), которая объединяет современные теории о Темной Материи и Темной энергии с теорией Большого Взрыва. Несмотря на это, некоторые астрофизики и космологи все еще отстаивают гипотезу устойчивого состояния (и ее варианты). И это не единственная альтернатива космологии большого взрыва…

Мы написали много статей по космологии здесь, во «Вселенной сегодня».Вот что такое Вселенная, Теория большого взрыва: эволюция нашей Вселенной, Что такое теория колеблющейся Вселенной? Что такое Большой разрыв? Что такое теория мультивселенной? Что такое теория суперструн? Что такое космический микроволновый фон? , «Большой кризис: конец нашей Вселенной?», «Что такое большое замораживание?» И «Космология 101: конец».

Astronomy В ролях также есть несколько интересных эпизодов на эту тему. Вот Эпизод 5: Большой взрыв и космическое микроволновое происхождение, Эпизод 6: Больше доказательств Большого Взрыва, Эпизод 79: Насколько велика Вселенная?, Эпизод 187: История астрономии, Часть 5: ХХ век и Эпизод 499: Что такое предлагаемый закон Хаббла-Леметра ?.

Источники:

  • Википедия — Космологический принцип
  • Википедия — Гипотеза устойчивого состояния
  • Идеи космологии — Большой взрыв или устойчивое состояние?
  • Британская энциклопедия — теория устойчивого состояния
  • UBC Астрономия и астрофизика — фундаментальные вопросы космологии
  • «Новая модель расширяющейся Вселенной», Hoyle, F. MNRAS, vol.108, нет. 372 (1948)
  • «Квазистационарные и связанные с ними космологические модели: исторический обзор», Kragh. H. ( 2012 )
  • «Теория стационарного состояния расширяющейся Вселенной», MNRAS, vol. 108, стр. 252 (1948)
  • «Теория стационарного состояния Эйнштейна: брошенная модель космоса», The European Physical Journal H, vol. 39, стр. 353-367 (2014)
  • «Квазистационарная космологическая модель с созданием материи», Хойл, Ф.; Burbidge, G .; Нарликар, Дж. В., Астрофизический журнал, т. 410, стр. 437 (1993)

Как это:

Нравится Загрузка …

Происхождение жизни — это пространственно локализованный стохастический переход | Biology Direct

Общая фазовая диаграмма для реплицирующихся молекул

В этом разделе мы кратко резюмируем нашу модель полимеризации РНК [26] и показываем, как фазовая диаграмма получается в этом случае. Затем мы вводим очень простую общую модель для репликации молекул и показываем, что фазовая диаграмма эквивалентна.

В системе РНК мы предполагаем, что молекулы-предшественники «пищи» доступны в окружающей среде в концентрациях F 1 и Факс 2 . Мы предполагаем, что мономеры, обозначенные A , могут быть синтезированы из F 1, с константой скорости с . Эти мономеры могут реагировать с F 2 для получения активированных мономеров, A * , с константой скорости a .Полимеры РНК длиной n обозначены A n . Активированный мономер может реагировать с полимером, увеличивая свою длину на 1 с константой скорости r . Все молекулы могут покинуть систему со скоростью и . Если система хорошо перемешана, ее можно описать следующими обыкновенными дифференциальными уравнениями:

dAdt = sF1 − aF2A − rAA * −uA

(1)

dAndt = rA * An − 1 − An − uAn

(2)

dA * dt = aF2A − rA * A + P − uA *

(3)

В уравнении 3 P — это общая концентрация полимера любой длины: P = ∑n≥2An.Мы предполагаем, что существует минимальная длина м , выше которой полимеры могут действовать как катализаторы стадии полимеризации. Концентрация полимеров длиной не менее м и составляет Pm = ∑n≥mAn. Константа скорости полимеризации равна

, где r 0 — малая скорость самопроизвольной полимеризации и кПа м — термин, относящийся к рибозимным катализаторам. Константа k — это каталитическая эффективность длинных полимеров, которую можно записать как k = k 0 f , где f — доля длинных полимеров, которые действуют как катализаторы, а k 0 — каталитическая эффективность функционального катализатора.

Мы ссылаемся на уравнение. 4 как уравнение обратной связи, поскольку в нем говорится, что присутствие катализаторов влияет на скорость полимеризации и увеличивает скорость образования большего количества катализаторов. Стационарные состояния концентраций молекул могут быть получены из уравнения 14 с использованием методов, описанных ранее [24]. Ключевым моментом является то, что существует мертвое (или неживое) состояние, в котором P м очень маленький и r ≈ r 0 , так что полимеризация происходит со спонтанной скоростью, и существует живое состояние, в котором кП м >> r 0 , так что полимеризация является автокаталитической и происходит с гораздо большей скоростью, чем спонтанная скорость.На рисунке 1 показана фазовая диаграмма в зависимости от k и r 0. Нас больше всего интересует регион, где оба государства стабильны. Бистабильная область возникает, если r 0 довольно маленький, а k довольно большой. Если k слишком мало, стабильно только мертвое состояние, а если k слишком велико, стабильно только живое состояние. Кроме того, если r 0 большой, то есть только одно стабильное состояние для всех значений k , и оно плавно меняется от мертвого к живому, когда k увеличивается по пунктирной линии на рисунке 1.Пример этой фазовой диаграммы для различных значений параметров был приведен ранее [26]. Мы также рассмотрели случай, когда обратная связь находится в скорости синтеза мономера [27], и расширили модель, чтобы иметь дело с возможностью хиральных мономеров [28]. В этих случаях также были обнаружены бистабильные области. Бистабильная область, эквивалентная нашей, наблюдалась в родственных моделях автокаталитических полимеров [29–31], хотя явной фазовой диаграммы не было построено. При разработке нашей оригинальной модели мы знали об игрушечной модели происхождения жизни Дайсона [32].Эта модель описывается очень абстрактно, без явных уравнений химической реакции. Тем не менее, основные идеи живых и мертвых стабильных состояний и стохастического перехода между этими состояниями существуют в этой модели, и фазовая диаграмма модели Дайсона также имеет бистабильную область, аналогичную нашей.

Рисунок 1

Фазовая диаграмма модели полимеризации РНК как функция эффективности обратной связи катализатора к и скорость спонтанной полимеризации r 0 с другим параметром, установленным как: м = 5, с = 10, a = 10 и u = 1.

Убедившись, что фазовая диаграмма, изображенная на рисунке 1, встречается во многих различных моделях, теперь мы хотим представить простейшую модель, которая может иметь ту же фазовую диаграмму. Затем упрощенная модель будет полезна для исследования динамических свойств стохастического перехода к жизни в следующих разделах этой статьи.

Мы рассматриваем один тип реплицирующейся молекулы с концентрацией ϕ . Репликаторы могут появляться со скоростью с , что соответствует медленной скорости спонтанного синтеза путем случайной полимеризации.Этот процесс не зависит от концентрации репликатора. Существующие репликаторы могут быть скопированы с константой скорости r , что представляет собой процесс управляемого неживой матрицы синтеза. Этот процесс пропорционален текущей концентрации репликации, процесс пропорционален текущей репликации ϕ . Репликаторы могут также действовать как полимеразы, которые катализируют репликацию, используя другой репликатор в качестве матрицы. Константа скорости этого каталитического процесса составляет k , и этот процесс пропорционален квадрату текущей концентрации, ϕ 2 .Увеличение концентрации репликаторов ограничено ограниченными ресурсами. Самый простой способ смоделировать это — предположить конечную пропускную способность системы, соответствующую концентрации ϕ = 1, и умножить все скорости роста на коэффициент (1- ϕ ). Наконец, репликаторы умирают (или разрушаются, или удаляются из системы) со скоростью u . Детерминированное динамическое уравнение для ϕ :

dϕdt = s + rϕ + kϕ21 − ϕ − uϕ

(5)

Во многих моделях популяционной динамики в эволюции и экологии член линейного роста является естественным, а спонтанный член s и нелинейный член 2 не рассматриваются.Однако при рассмотрении происхождения жизни спонтанный член важен для генерации начальных репликаторов, а нелинейный член важен для того, чтобы дать возможность двух стабильных состояний. Линейный член менее важен; поэтому сначала мы рассмотрим случай, когда r = 0. Стационарные состояния являются корнями этого кубического уравнения. Если s мало, а k достаточно большое, есть два стабильных состояния: ϕ ← 1 и ϕ 2 , разделенные нестабильным состоянием ϕ 3 .Нижнее стабильное состояние — это мертвое состояние, контролируемое балансом между спонтанным зарождением и смертью: ϕ∼s / u . Верхнее стабильное состояние — это живое состояние, контролируемое каталитическим термином k . Если k велико, концентрация будет приближаться к пропускной способности, ϕ 2 1. Легко получить фазовую диаграмму существования мертвого и живого состояний, как на рисунке 2. На ней есть те же области, что и на рисунке 1.Если член линейного роста r, не равен нулю, положения фазовых границ сдвигаются, но форма диаграммы качественно не изменяется (также показано на рисунке 2). Поэтому мы утверждаем, что этот вид фазовой диаграммы является общей характеристикой репликаторных моделей происхождения жизни, и что уравнение (5) является самым простым из возможных динамических уравнений, которые имеют эту фазовую диаграмму.

Рисунок 2

Фазовая диаграмма для модели простого репликатора (уравнение 5) как функция эффективности каталитической обратной связи k и константы скорости спонтанного синтеза с с u = 1. Границы показаны для трех различных значений r .

Модель компании двух

Основная цель этой статьи — рассмотреть влияние пространственных флуктуаций концентрации и ограниченной скорости диффузии на стохастический переход, ведущий к жизни. Поэтому теперь мы определим модель пространственной решетки, которую мы называем моделью компании двух, которая является пространственной версией уравнения. 5, и сводится к уравнению. 5, когда система хорошо перемешана.

Мы рассматриваем двумерную квадратную решетку из узлов L × L .Количество молекул на любом одном сайте может быть n = 0, 1, 2 или 3 только. Таким образом, несущая способность всей решетки составляет 3 л 2 . Если на решетке находится молекул N , средняя концентрация относительно несущей способности составляет ϕ = N / (3 л 2 ). На узле с n молекул имеется 3- n вакансий. Вакансии рассматриваются как ресурсы, а темпы спонтанного, линейного и репликативного роста пропорциональны количеству вакансий.Скорость добавления молекулы в результате спонтанной реакции определяется как s , умноженное на количество ресурсов, , то есть s (3- n ). Скорость добавления молекулы в процессе линейного роста определяется как r /2, умноженное на количество молекул, умноженное на количество ресурсов, , т.е. rn (3 — n ) / 2. Это равно r , когда n = 1 или 2, и нулю в противном случае. Скорость каталитической репликации определяется как k / 2, умноженное на количество способов выбора пары репликатор-шаблон, умноженное на количество ресурсов, i.е. n ( n -1) (3- n ) к /2. Это k , когда n = 2, и ноль в противном случае. Процесс репликации в модели возможен только тогда, когда n = 2. «Двое — компания, трое — толпа»; отсюда и название модели. Комбинируя три процесса рождения, мы получаем общую частоту рождения молекул на участке с n молекулами, как показано на рисунке 3. Смертность молекулы на участке с n молекулами составляет и (т. Е.е. u на молекулу).

Рис. 3

(a) Коэффициенты перехода в модели Компании двоих из-за событий рождения и смерти на одном участке. ( b ) Каждая молекула пытается перескочить на соседний сайт со скоростью h и добивается успеха с вероятностью, равной доле вакансий на соседнем узле.

Перескок молекул между сайтами реализуется с использованием либо локальных, либо глобальных правил перескока следующим образом. Каждая молекула пытается прыгнуть со скоростью ч .Место назначения выбирается для молекулы. В случае правил локального переключения пункт назначения выбирается случайным образом из 8 соседних сайтов исходного сайта. В случае глобальных правил переключения конечный сайт выбирается случайным образом из всех других сайтов в решетке. Молекула успешно перескакивает к месту назначения, если она находит там вакансию, , то есть , прыжок успешен с вероятностью 1- n /3 (как показано на рисунке 3). Если прыжок неудачен, молекула остается на своем исходном сайте.Более подробная информация о стохастической динамике, используемой для реализации модели, приведена в разделе «Методы».

Правила локального прыжка моделируют локальную молекулярную диффузию, которая является важной частью этой модели. Глобальные правила переключения предназначены для сравнения, которое помогает проиллюстрировать важность локального переключения. Введение локальных правил перескока означает, что существуют корреляции между количеством молекул на соседних узлах. Однако, если h достаточно велико, система достигает хорошо перемешанного предела, когда молекулы расположены случайным образом по всей решетке, и корреляция между узлами отсутствует.В случае глобального переключения между сайтами нет корреляции, даже если h мало. Ниже мы обсудим приближение среднего поля, которое является точным для глобальной динамики прыжков, но это только приближение для модели с локальной динамикой прыжков. В разделе «Методы» мы показываем, что, когда h очень велико, как глобальная, так и локальная модели прыжков достигают одного и того же хорошо перемешанного предела, который соответствует общей модели репликатора в уравнении 5.

Моделирование запускается в мертвом состоянии. и следовали до тех пор, пока не произошел переход в живое состояние.Концентрация в мертвом состоянии должна быть близка к стабильному раствору ϕ 1 уравнения 5. Чтобы инициировать стохастическое моделирование в мертвом состоянии, каждый узел решетки заполняется молекулярными числами, взятыми из биномиального распределения со средней концентрацией ϕ 1 . В типичном моделировании система остается в мертвом состоянии в течение длительного времени, пока не появится локализованный участок с высокой концентрацией, достаточно большой, чтобы быть стабильным в живом состоянии.Происхождение этого живого пятна — редкое случайное событие. Однако, как только он сформирован, живой участок затем детерминированно распространяется по всей решетке.

Снимок моделирования вскоре после перехода к жизни показан на рисунке 4. Молекулы, синтезированные в результате спонтанного процесса, окрашены в серый цвет, а молекулы, синтезированные в процессе каталитического процесса, окрашены в красный цвет. Эти цвета используются для иллюстрации, но все молекулы обладают идентичными свойствами.На Рисунке 4 в одном регионе появился живой участок. Внутри этой области наблюдается высокая концентрация (большинство сайтов имеют n = 2 или 3), и большинство молекул имеют красный цвет, что указывает на то, что этот участок поддерживается каталитической репликацией. Остальная часть решетки все еще находится в мертвом состоянии, где наблюдается низкая концентрация (большинство узлов имеют n = 0 или 1), и большинство молекул серого цвета. Тем не менее, в мертвой зоне видны небольшие скопления красных молекул. Эти кластеры быстро появляются и исчезают.Зарождение жизни происходит, когда кластер такого типа становится достаточно большим, чтобы оставаться стабильным и продолжать расти. Если спонтанная скорость с внезапно переключается на ноль в конфигурации, показанной на рисунке 4, то изолированные молекулы в мертвом состоянии быстро исчезают, но живой участок остается практически незатронутым и продолжает распространяться. Спонтанный процесс не является необходимым для поддержания живого состояния, потому что живое состояние является автокаталитическим. Конечно, спонтанная скорость должна быть ненулевой, чтобы в первую очередь обеспечить переход в живое состояние.

Рис. 4

Снимок симуляции модели Two’s Company вскоре после перехода к жизни. «Живое» состояние — это плотный участок репликаторов, синтезированных каталитически (красный). Неживое состояние характеризуется низкой плотностью репликаторов, созданных спонтанным синтезом (окрашено в серый цвет) с небольшими изолированными более плотными пятнами. Когда живой участок становится достаточно большим, чтобы быть стабильным, он детерминированно распространяется по решетке.

Мы выполнили много симуляций этой модели, чтобы измерить, как время, необходимое для перехода, зависит от параметров.Определяем T sys = T рег + T распространение , где Т рег — это время до тех пор, пока не произойдет локальный переход в любой области решетки, а T распространение — это время, когда живое состояние распространяется из одной области по остальной части решетки, а T sys — время, необходимое для того, чтобы вся решетка достигла живого состояния.Эти времена были измерены, как описано в разделе «Методы».

На рисунке 5 показано среднее значение T sys as h варьируется с фиксированным размером системы. Сравнение времен перехода с локальными и глобальными правилами перескока показано для небольшой решетки с L = 10. Для больших h измеренные времена для локального и глобального перескока сходятся, показывая, что система хорошо перемешана. Для меньших ч время перехода с локальным переключением всегда меньше, чем с глобальным переключением.Это показывает, что локальные флуктуации концентрации, возникающие в модели локальных прыжков, значительно облегчают переход. Можно видеть, что если ч очень мало, время перехода становится очень большим как для локального, так и для глобального переключения. Следует помнить, что скорость спонтанной генерации с очень мала, поэтому концентрация молекул в мертвом состоянии очень мала. Каталитический процесс требует наличия двух молекул на одном сайте. Если h слишком мало, молекулы не часто встречаются.Более того, если молекулы встречаются друг с другом и происходит репликация, теперь на одном сайте будет три молекулы, что блокирует дальнейшую репликацию. Необходимо, чтобы одна из этих молекул отскочила, прежде чем может произойти вторая репликация; следовательно, х не должно быть слишком маленьким. Можно видеть, что для локальных правил перескока существует оптимальная скорость диффузии, при которой переход является наиболее быстрым. Этот эффект не очень силен в маленькой решетке ( L = 10), но очень выражен в большей решетке ( L = 100), также показанной на рисунке 5.Время перехода уменьшается на несколько порядков в середине диапазона ч . Невозможно показать время перехода для случая глобального прыжка для большего размера решетки, потому что оно слишком велико для точного измерения при моделировании с этими параметрами. Таким образом, рисунок 5 показывает, что локальная диффузия необходима для того, чтобы переход к жизни происходил с разумной скоростью в больших системах, а когда диффузия является локальной, существует оптимальная промежуточная скорость диффузии.

Рисунок 5

Влияние скорости скачкообразного изменения на время перехода для системы фиксированного размера с другими параметрами, установленными как: с = 0,02, r = 0, к = 9.

На рисунке 6 показано изменение времени перехода в зависимости от размера системы при фиксированной скорости переключения.Для случая глобального перескока такое моделирование возможно только для довольно малых размеров решетки, потому что время перехода очень быстро увеличивается с L . Для случая локальных скачков можно проводить моделирование в гораздо более широком диапазоне L , и можно видеть, что время перехода фактически уменьшается с L , если L достаточно велико.

Рисунок 6

Среднее время перехода из мертвого состояния в активное состояние как функция размера системы с параметрами, установленными как: с = 0.02, r = 0, k = 9, u = 1. Прямая линия показывает масштаб 1/ L 2 .

Как показано в левой части рисунка 6, когда система небольшая, она более или менее хорошо перемешана. Следовательно, переход будет происходить глобально во всей системе одновременно. Когда система больше, она перестает быть однородной. Переход сначала произойдет в локальном регионе, а затем распространится на всю систему.Количество независимых местных регионов должно быть пропорционально L 2 . Среднее время, необходимое для перехода в любой из этих регионов, должно меняться обратно пропорционально количеству регионов, , то есть T reg ~ 1 / л 2 . Если распространение живого состояния быстрое, время распространения T распространение мало по сравнению со временем, необходимым для перехода, T reg .В этом случае время, необходимое для прохождения всей системы перехода, близко к T reg . Можно видеть, что существует промежуточный диапазон L на рисунке 6, где T reg и T sys очень близки друг к другу и оба имеют масштаб 1/ L 2 , как и ожидалось из этого аргумента.Сравнение результатов с h = 24 и h = 45 показывает, что, когда диффузия медленнее, переход от однородной системы к гетерогенной системе происходит для системы меньшего размера.

Если размер системы очень велик, наступает момент, когда T распространение сопоставим с T reg , а кривые для T sys и T reg отдельно на Рисунке 6.В этот момент переход к жизни может произойти во второй области независимо до того, как живое состояние из первого перехода распространилось по решетке. За пределами этой точки T reg продолжает уменьшаться, но T sys достигает постоянного значения, чего мы ожидаем, если в разных местах происходит несколько источников.

Полезный способ понять эффекты ограниченной скорости диффузии в этой модели — вычислить решение для среднего поля.В разделе Методы вычисляем вероятность P n , что на сайте находится n молекул, с использованием приближения среднего поля, которое игнорирует корреляции между соседними сайтами. Решение среднего поля зависит от h и не эквивалентно хорошо перемешанному случаю, за исключением предела больших h , где и решеточная модель, и приближение среднего поля сходятся к хорошо перемешанному случаю. Мы ожидаем, что приближение среднего поля будет достаточно хорошим для модели локальных прыжков, если h велико, потому что корреляции между соседними узлами в этом пределе должны быть малы.Для глобальной модели прыжков решение среднего поля является точным даже для малых h .

На рисунке 7 мы сравниваем решения уравнений среднего поля с динамическим моделированием. Черная кривая — однородное решение от корней кубического уравнения 5. Это хорошо перемешанный предел пространственной модели. Сплошные черные линии показывают стабильное живое и мертвое состояния, а пунктирная линия — нестабильное промежуточное состояние. Красная, зеленая и синяя линии показывают устойчивые и неустойчивые решения уравнений среднего поля с тремя значениями h .Для больших h решение среднего поля, как и ожидалось, близко к пределу хорошо перемешанного. Символы показывают средние концентрации молекул, полученные при моделировании модели решетки с локальными прыжками. Для живого состояния теория среднего поля дает довольно хорошее приближение к результату с локальными прыжками даже для меньших значений h . Это связано с тем, что плотность довольно высока по всей решетке в живом состоянии, а корреляции между соседними узлами довольно слабые.С другой стороны, есть большие расхождения между теорией среднего поля и результатами модели локальных прыжков в мертвом состоянии, когда оно близко к бистабильной области, что показывает, что в этом случае существуют важные локальные пространственные корреляции.

Рисунок 7

Сравнение решения устойчивого состояния между моделью локальной диффузии, теорией среднего поля и однородной моделью в зависимости от скорости репликации k . Остальные параметры установлены как: с = 0.02, r = 0, u = 1, L = 100.

Рисунок 7 показывает, что снижение скорости локальной диффузии оказывает как положительное, так и отрицательное влияние на процесс репликации. Когда h уменьшается, концентрация живого состояния снижается, потому что существует больше локальных помех между молекулами на полностью занятых сайтах. Кроме того, минимальное значение k , необходимое для стабильного состояния жизни, увеличивается по мере того, как h уменьшается. Таким образом, быстрая диффузия благоприятна для живого состояния, если живое состояние уже установлено.Однако мы уже видели на рисунке 5, что высокие скорости диффузии приводят к хорошему перемешиванию системы, и в этом случае время перехода чрезвычайно велико. Поэтому важно, чтобы скорость диффузии была не слишком большой, чтобы переход в живое состояние происходил в первую очередь с заметной скоростью.

Пространственная модель полимеризации РНК

Модель Two’s Company — это простейшая модель, которую можно использовать для изучения стохастического перехода к жизни в пространственно распределенной системе.Однако мы хотим показать, что такое же поведение происходит и в других моделях. Мы вернемся к модели полимеризации РНК, описанной в уравнениях 1–4, чтобы изучить эффекты диффузии и пространственных флуктуаций концентрации в этом случае.

Моделирование выполняется на двумерной квадратной решетке, состоящей из L × L узлов, причем каждый узел имеет размер l = 1. Мы отслеживаем, сколько молекул каждого типа находится на каждом узле. сайт. Все реакции синтеза, активации и полимеризации мономера происходят локально в отдельных узлах решетки.Реализация стохастической динамики для этой модели с использованием алгоритма Гиллеспи описана в нашей предыдущей статье [26] для непространственной модели. В пространственном случае тот же метод используется для определения скорости реакции на каждом сайте как функции количества молекул каждого типа на каждом сайте. Для простоты предполагается, что молекулы всех видов прыгают с одинаковой скоростью ч . Переход может быть локальным или глобальным, как в модели компании двух. Однако нет необходимости вводить максимальное количество молекул на сайт, потому что концентрация ограничивается поступлением пищи, а не пропускной способностью.Следовательно, каждая попытка прыжка является успешной, и прыжки не блокируются молекулами на сайте назначения, как это происходит в модели компании двух.

На рис. 8 показаны снимки распределения каталитических полимеров по решетке. Выбраны три момента времени, чтобы проиллюстрировать, как концентрация катализатора увеличивается с течением времени. Как показано в первой строке рисунка 8, когда система небольшая ( L = 30), система достаточно хорошо перемешана. Следовательно, переход происходит во всей системе одновременно.Когда система больше ( L = 100), система перестает быть однородной. Переход происходит сначала в локальном регионе, затем он распространяется на всю систему, как показано во второй строке рисунка 8. Когда система очень большая ( L = 1000), время, необходимое для распространения по всей системе дольше, чем время перехода в регион. Следовательно, происходит множественное происхождение, как в третьей строке рисунка 8.

Рисунок 8

Снимки концентрации каталитического полимера в модели полимеризации РНК в начале ( t 1 ), во время ( т 2 ) и после ( t 3 ) переход из мертвого состояния в активное состояние для различных размеров системы (L = 30, 100, 1000) и с локальными правилами переключения. Параметры установлены как: м = 5, с = 10, a = 10, r 0 = 0,02, k = 2, u = 1, h = 50 , f = 1.

Когда происходит переход, увеличение концентрации катализатора сопровождается резким уменьшением концентрации активированного мономера. Поскольку активированных мономеров намного больше, чем катализаторов, концентрация активированного мономера изменяется более плавно, чем концентрация катализатора.Поэтому мы использовали снижение концентрации активированного мономера в качестве маркера времени перехода. Эта концентрация была усреднена по скользящему временному интервалу, и это использовалось для определения времени перехода на региональный и системный уровень, так же, как и для модели Two’s Company (см. Раздел «Методы»).

Время перехода показано как функция размера системы на рисунке 9. Для глобального прыжка время перехода следует U-образной кривой по тем же причинам, что и для непространственной модели полимеризации РНК (рисунок 7 из [26] ]).Если система слишком мала, полимеры, достаточно длинные, чтобы стать катализаторами, не могут легко возникнуть, а если система слишком велика, флуктуации концентрации слишком малы в глобальном случае, чтобы произошел стохастический переход. Напротив, когда скачкообразное изменение является локальным, переход происходит легко для систем большого размера. Когда решетка очень мала, время перехода с локальным прыжком близко к времени с глобальным прыжком, но когда размер решетки больше, переход происходит намного быстрее с локальным прыжком.Время перехода соответствует той же кривой формы для этой модели, что и для модели компании Two на рисунке 6. Существует промежуточный диапазон, где время перехода масштабируется как 1/ L 2 и где T sys = T рег , и есть диапазон для очень больших размеров решетки, где встречаются множественные источники и где T sys > Т рег .

Рисунок 9

Среднее время перехода из мертвого состояния в рабочее состояние в зависимости от размера системы с параметрами, установленными как: м = 5, с = 10, a = 10, r 0 = 0,02, k = 2, u = 1, h = 50, f = 1 Прямая линия показывает масштаб 1/ L 2 .

Возникновение жизни в инфляционной Вселенной

  • 1.

    Руис-Миразо, К., Брионес, К. и де ла Эскосура, А. Химия пребиотических систем: новые перспективы для истоков жизни. Chem. Ред. 114 , 285–366 (2014).

    CAS Статья Google Scholar

  • 2.

    Lanier, K. A. & Williams, L.D. Происхождение жизни: модели и данные. J. Mol. Evol. 84 , 85–92 (2017).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 3.

    Шостак, Дж. У. Узкая дорога в глубокое прошлое: в поисках химии происхождения жизни. Angew. Chem. Int. Эд. Англ. 56 , 11037–11043 (2017).

    CAS Статья Google Scholar

  • 4.

    Китадай, Н. и Маруяма, С. Происхождение строительных блоков жизни: обзор. Geosci. Передний . 9 , 1117–1153, https://doi.org/10.1016/j.gsf.2017.07.007 (2018).

    CAS Статья Google Scholar

  • 5.

    Ямагиши А., Какегава Т. и Усуи Т. (ред.) Астробиология: от истоков жизни к поискам внеземного разума (Springer, 2019).

  • 6.

    Гилберт, В.Происхождение жизни: мир РНК. Nature 319 , 618–618, https://doi.org/10.1038/319618a0 (1986).

    ADS Статья Google Scholar

  • 7.

    Оргель, Л. Е. Химия пребиотиков и происхождение мира РНК. Crit. Rev. Biochem. Мол. Биол. 39 , 99–123 (2004).

    CAS Статья Google Scholar

  • 8.

    Робертсон М.П. и Джойс, Г. Ф. Истоки мира РНК. Cold Spring Harb Perspect Biol 4: a003608 (2012).

  • 9.

    Szostak, J. W. & Ellington, A. D. Выбор функциональных последовательностей РНК in vitro . В Gesteland, R.F. и Atkins, J.F. (ред.) Мир РНК: природа современной РНК предполагает наличие пребиотического мира РНК , гл. 20, 511–533 (Колд-Спринг-Харбор, Нью-Йорк, США, 1993).

  • 10.

    Джонстон, В. К., Унрау, П.Дж., Лоуренс, М. С., Гласнер, М. Э. и Бартель, Д. П. Катализируемая РНК полимеризация РНК: точное и общее расширение праймера на основе РНК-шаблона. Science 292 , 1319–1325 (2001).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 11.

    Хорнинг Д. П. и Джойс Г. Ф. Амплификация РНК рибозимом РНК-полимеразы. Proc. Natl. Акад. Sci. США 113 , 9786–9791 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 12.

    Wachowius, F. & Holliger, P. Неферментативная сборка рибозима с минимизированной РНК-полимеразой. ChemSystemsChem 1 , 12–15, https://doi.org/10.1002/syst.201

    4 (2019).

    Артикул Google Scholar

  • 13.

    Кафферти Б. Дж. И Худ Н. В. Абиотический синтез РНК в воде: общая цель химии пребиотиков и восходящей синтетической биологии. Curr. Opin. Chem. Биол. 22 , 146–157, https: // doi.org / 10.1016 / j.cbpa.2014.09.015 (2014).

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 14.

    Феррис, Дж. П. Катализируемое монтмориллонитом образование олигомеров РНК: возможная роль катализа в происхождении жизни. Philos. Сделки Royal Soc. В: Биол. Sci. 361 , 1777–1786, https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1903 (2006).

    CAS Статья Google Scholar

  • 15.

    Раскол, H. II. и др. . Минерально-органические межфазные процессы: потенциальные роли в истоках жизни. Chem. Soc. Ред. 41 , 5502, https://doi.org/10.1039/c2cs35112a (2012).

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 16.

    Хуанг В. и Феррис Дж. П. Синтез 35-40-меров олигомеров РНК из неблокированных мономеров. простой подход к миру РНК Chem. Коммуна .1458–1459 https://doi.org/10.1039/b303134a (2003)

  • 17.

    Хуанг В. и Феррис Дж. П. Одностадийный региоселективный синтез до 50-меров олигомеров РНК с помощью монтмориллонитового катализа. J. Am. Chem. Soc. 128 , 8914–8919, https://doi.org/10.1021/ja061782k (2006).

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 18.

    Кавамура К. и Феррис Дж. П. Кинетический и механистический анализ образования динуклеотидов и олигонуклеотидов из 5′-фосфоримидазолида аденозина на Na + -монтмориллоните. J. Am. Chem. Soc. 116 , 7564–7572, https://doi.org/10.1021/ja00096a013 (1994).

    CAS Статья Google Scholar

  • 19.

    Джоши П. К., Олдерсли М. Ф., Делано Дж. У. и Феррис Дж. П. Механизм монтмориллонитового катализа в образовании олигомеров РНК. J. Am. Chem. Soc. 131 , 13369–13374, https://doi.org/10.1021/ja

    16 (2009).

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 20.

    Олдерсли М. Ф., Джоши П. С. и Хуанг Ю. Сравнение обработок соляной и фосфорной кислотами при получении монтмориллонитовых катализаторов для синтеза РНК. Ориг. Life Evol. Биосферы 47 , 297–304, https://doi.org/10.1007/s11084-017-9533-6 (2017).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 21.

    Burcar, B.T. и др. . Возможные ошибки при MALDI-TOF MS-анализе абиотически синтезированных олигонуклеотидов РНК. Ориг. Life Evol. Биосферы 43 , 247–261, https://doi.org/10.1007/s11084-013-9334-5 (2013).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 22.

    Briones, C., Stich, M. & Manrubia, S. C. Рассвет мира РНК: к функциональной сложности посредством лигирования случайных олигомеров РНК. РНК 15 , 743–749, https://doi.org/10.1261/rna.1488609 (2009).

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 23.

    Костанцо, Г., Пино, С., Чичириелло, Ф. и Мауро, Э. Д. Генерация длинных цепей РНК в воде. J. Biol. Chem. 284 , 33206–33216, https://doi.org/10.1074/jbc.m109.041905 (2009).

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 24.

    Мораш, М., Маст, К. Б., Лангер, Дж. К., Шилчер, П. и Браун, Д. Сухая полимеризация 3 ‘, 5’ -циклического GMP с длинными цепями РНК. Chem.Bio. Chem. 15 , 879–883, https://doi.org/10.1002/cbic.201300773 (2014).

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 25.

    Лайнуивер, К. Х. и Дэвис, Т. М. Предполагает ли быстрое появление жизни на Земле, что жизнь обычна во Вселенной? Astrobiology 2 , 293–304, https://doi.org/10.1089/153110702762027871 (2002).

    ADS Статья PubMed Google Scholar

  • 26.

    Шпигель, Д. С. и Тернер, Э. Л. Байесовский анализ астробиологических последствий раннего появления жизни на Земле. Proc. Natl. Акад. Sci. 109 , 395–400, https://doi.org/10.1073/pnas.1111694108 (2012).

    ADS Статья PubMed Google Scholar

  • 27.

    Чен Дж. И Киппинг Д. О скорости абиогенеза с точки зрения байесовской информатики. Astrobiology 18 , 1574–1584, https: // doi.org / 10.1089 / ast.2018.1836 (2018).

    ADS Статья Google Scholar

  • 28.

    Пирс, Б. К., Таппер, А. С., Пудриц, Р. Э. и Хиггс, П. Г. Ограничение временного интервала для возникновения жизни на Земле. Астробиология 18 , 343–364, https://doi.org/10.1089/ast.2017.1674 (2018).

    ADS CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 29.

    Пирс, Б. К. Д., Пудриц, Р. Э., Семенов, Д. А. и Хеннинг, Т. К. Происхождение мира РНК: судьба азотистых оснований в теплых маленьких водоемах. Proc. Natl. Акад. Sci. 114 , 11327–11332, https://doi.org/10.1073/pnas.1710339114 (2017).

    ADS CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 30.

    Беннер С. А. и др. . Когда жизнь, вероятно, появилась на Земле в процессе РНК-первой? ChemSystemsChem 1 , e1

    5 (2019).

  • 31.

    Лингам М. и Лоеб А. Роль звездной физики в регулировании важнейших этапов жизни. Внутр. Дж. Astrobiol . 1–20, https://doi.org/10.1017/s147355041

    16 (2019).

    Артикул Google Scholar

  • 32.

    Ликкиа Т. и Ньюман Дж. А. Улучшенные оценки звездной массы Млечного Пути и скорости звездообразования на основе иерархического байесовского метаанализа. Астрофизики. J. 806 , 96, https: // doi.org / 10.1088 / 0004-637x / 806/1/96 (2015).

    ADS Статья Google Scholar

  • 33.

    Rudnick, G. et al. . Плотность оптической светимости, цвет и плотность звездной массы Вселенной в системе отсчета покоя от z = 0 до z = 3. Астрофизики. J. 599 , 847–864, https://doi.org/10.1086/379628 (2003).

    ADS Статья Google Scholar

  • 34.

    Сандберг, А. Дрекслер, Э. и Орд, Т. Растворение парадокса Ферми. arXiv электронные распечатки arXiv: 1806.02404 (2018).

  • 35.

    Старобинский, А. Новый тип изотропных космологических моделей без сингулярности. Phys. Lett. B 91 , 99–102, https://doi.org/10.1016/0370-2693(80)-x (1980).

    ADS Статья МАТЕМАТИКА Google Scholar

  • 36.

    Казанас Д. Динамика Вселенной и спонтанное нарушение симметрии. Астрофизики. J. 241 , L59, https://doi.org/10.1086/183361 (1980).

    ADS Статья Google Scholar

  • 37.

    Гут, А. Х. Инфляционная вселенная: возможное решение проблем горизонта и плоскостности. Phys. Ред. D 23 , 347–356, https://doi.org/10.1103/physrevd.23.347 (1981).

    ADS CAS Статья МАТЕМАТИКА Google Scholar

  • 38.

    Сато К. Фазовый переход первого рода в вакууме и расширение Вселенной. пн. Уведомления Royal Astron. Soc. 195 , 467–479, https://doi.org/10.1093/mnras/195.3.467 (1981).

    ADS Статья Google Scholar

  • 39.

    Линде А. Сценарий новой инфляционной вселенной: возможное решение проблем горизонта, плоскостности, однородности, изотропии и изначального монополя. Phys. Lett.B 108 , 389–393, https://doi.org/10.1016/0370-2693(82)

    -9 (1982).

    ADS Статья Google Scholar

  • 40.

    Альбрехт, А. и Стейнхардт, П. Дж. Космология для теорий великого объединения с радиационно-индуцированным нарушением симметрии. Phys. Rev. Lett. 48 , 1220–1223, https://doi.org/10.1103/physrevlett.48.1220 (1982).

    ADS Статья Google Scholar

  • 41.

    Кунин, Е. В. Космологическая модель вечной инфляции и переход от случайности к биологической эволюции в истории жизни. Biol. Прямой 2 , 15, https://doi.org/10.1186/1745-6150-2-15 (2007).

    CAS Статья PubMed PubMed Central Google Scholar

  • 42.

    Лиддл, А. Р. и Лит, Д. Х. Космологическая инфляция и крупномасштабная структура (Издательство Кембриджского университета, 2000).

  • 43.

    Аде, П. А. Р. и др. . Результаты Planck 2015 XX. Ограничение инфляции. Astron. И Astrophys. 594 , A20, https://doi.org/10.1051/0004-6361/201525898 (2016).

    CAS Статья Google Scholar

  • 44.

    Додельсон, С. и Хуэй, Л. Граница соотношения горизонтов для инфляционных колебаний. Phys. Rev. Lett . 91 , 131301, https://doi.org/10.1103 / Physrevlett.91.131301 (2003).

  • 45.

    Лиддл А. Р. и Лич С. М. За сколько времени до окончания инфляции возникли наблюдаемые возмущения? Phys. Ред. D 68 , 103503, https://doi.org/10.1103/physrevd.68.103503 (2003).

  • 46.

    Лиссауэр, Дж. Дж., Доусон, Р. И. и Тремейн, С. Успехи в науке о экзопланетах от Кеплера. Nature 513 , 336–344, https://doi.org/10.1038/nature13781 (2014).

    ADS CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 47.

    Бар-Он, Ю. М., Филлипс, Р., Майло, Р. Распределение биомассы на Земле. Proc. Natl. Акад. Sci. 115 , 6506–6511, https://doi.org/10.1073/pnas.1711842115 (2018).

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 48.

    Николсон, В. Л. Древние микронавты: межпланетный перенос микробов космическими ударами. Trends Microbiol. 17 , 243–250, https://doi.org/10.1016 / j.tim.2009.03.004 (2009).

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 49.

    Вессон, П. С. Панспермия, прошлое и настоящее: астрофизические и биофизические условия распространения жизни в космосе. Space Sci. Ред. 156 , 239–252, https://doi.org/10.1007/s11214-010-9671-x (2010).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 50.

    Ковени, П. В., Свэдлинг, Дж. Б., Ваттис, Дж. А. Д. и Гринвелл, Х. С. Теория, моделирование и моделирование в исследованиях происхождения жизни. Chem. Soc. Ред. 41 , 5430, https://doi.org/10.1039/c2cs35018a (2012).

    CAS Статья PubMed Google Scholar

  • 51.

    Карр Б. (ред.) Вселенная или Мультивселенная? (Cambridge University Press, 2009).

  • Происхождение Вселенной

    Из книги Гролье Новая книга знаний

    В концепции художника представлены переломные периоды в развитии Вселенной согласно одной теории.Он начинается через крошечную долю секунды после Большого взрыва и проходит так, как выглядит сегодня — 15 миллиардов лет спустя. (Центр космических полетов имени Годдарда НАСА)

    Как и когда возникла Вселенная? Никакой другой научный вопрос не является более фундаментальным и не вызывает таких оживленных споров среди исследователей. В конце концов, когда возникла Вселенная, вокруг никого не было, так кто может сказать, что произошло на самом деле? Лучшее, что могут сделать ученые, — это разработать самую надежную теорию, подкрепленную наблюдениями за Вселенной.Проблема в том, что до сих пор никто не придумал абсолютно бесспорного объяснения того, как возник космос.

    Большой взрыв

    С начала 1900-х годов в дискуссиях доминировало одно объяснение происхождения и судьбы Вселенной — теория Большого взрыва. Сторонники Большого взрыва утверждают, что между 13 и 15 миллиардами лет назад вся материя и энергия известного космоса были втиснуты в крошечную компактную точку. Фактически, согласно этой теории, в то время материя и энергия были одним и тем же, и отличить одно от другого было невозможно.

    Приверженцы Большого взрыва считают, что эта маленькая, но невероятно плотная точка примитивной материи / энергии взорвалась. В течение нескольких секунд огненный шар выбросил материю / энергию со скоростью, приближающейся к скорости света. Некоторое время спустя — может быть, секунды спустя, может быть, годы спустя — энергия и материя начали разделяться и становиться отдельными сущностями. Все различные элементы во Вселенной сегодня возникли из того, что извергнулось в результате этого первоначального взрыва.

    Теоретики Большого взрыва утверждают, что все галактики, звезды и планеты по-прежнему сохраняют взрывное движение в момент создания и удаляются друг от друга с огромной скоростью.Это предположение было сделано на основании необычного открытия о соседних с нами галактиках. В 1929 году астроном Эдвин Хаббл, работавший в обсерватории Маунт-Вильсон в Калифорнии, объявил, что все наблюдаемые им галактики удаляются от нас и друг от друга со скоростью до нескольких тысяч миль в секунду.

    Красный сдвиг

    Чтобы измерить скорость этих галактик, Хаббл воспользовался эффектом Доплера. Это явление происходит, когда источник волн, например свет или звук, движется относительно наблюдателя или слушателя.Если источник звука или света движется к вам, вы воспринимаете волны как нарастающие по частоте: звук становится выше по высоте, тогда как свет смещается в сторону синего конца видимого спектра. Если источник удаляется от вас, частота волн падает: звук становится ниже по высоте, а свет имеет тенденцию смещаться к красному концу спектра. Вы, возможно, заметили эффект Доплера, когда слушаете сирену «скорой помощи»: звук нарастает по мере приближения автомобиля и падает по мере его ускорения.

    Чтобы исследовать свет галактик, Хаббл использовал спектроскоп — устройство, которое анализирует различные частоты, присутствующие в свете. Он обнаружил, что свет от далеких галактик смещен вниз к красному концу спектра. Неважно, где в небе находится каждая галактика — все были с красным смещением. Хаббл объяснил этот сдвиг, сделав вывод, что галактики движутся, уносясь прочь от Земли. Хаббл предположил, что чем больше красное смещение, тем больше скорость галактики.

    У некоторых галактик было лишь небольшое красное смещение. Но свет от других был смещен далеко от красного в инфракрасный, даже в микроволны. Более тусклые и далекие галактики, казалось, имели наибольшее красное смещение, а это означало, что они летели быстрее всех.

    Расширяющаяся Вселенная

    Итак, если все галактики удаляются от Земли, означает ли это, что Земля находится в центре Вселенной? Самый водоворот Большого взрыва? На первый взгляд, это так.Но астрофизики используют умную аналогию, чтобы объяснить, почему это не так. Представьте себе вселенную в виде пирога с изюмом в духовке. По мере того, как пирог запекается и поднимается, он расширяется. Изюм внутри начинает разлетаться друг от друга. Если бы вы могли выбрать один изюм, чтобы смотреть на другие, вы бы заметили, что все они отходят от вашего особого изюма. Не имеет значения, какой изюм вы выбрали, потому что все изюмы отдаляются друг от друга по мере того, как торт расширяется.Более того, самый дальний изюм будет уходить быстрее всего, потому что между вашим изюмом и этими дальними пирогами будет больше торта.

    Так обстоит дело со Вселенной, говорят теоретики Большого взрыва. Они считают, что после Большого взрыва Вселенная расширяется. Само пространство расширяется, точно так же, как пирог расширяется между изюмом по их аналогии. Независимо от того, смотрите ли вы с Земли или с инопланетной планеты, находящейся за миллиарды миль от вас, все другие галактики удаляются от вас по мере расширения космоса.Галактики, находящиеся дальше от вас, удаляются от вас быстрее, потому что между вами и этими галактиками расширяется больше пространства. Вот как теоретики Большого взрыва объясняют, почему свет от более далеких галактик смещается дальше к красному концу спектра. Фактически, большинство астрономов сейчас используют это правило, известное как закон Хаббла, для измерения расстояния до объекта от Земли — чем больше красное смещение, тем дальше объект.

    В 1965 году двое ученых сделали потрясающее открытие, подтвердившее теорию Большого взрыва.Арно Пензиас и Роберт Уилсон из Bell Telephone Laboratories обнаружили слабое микроволновое излучение, исходящее со всех точек неба. Они и другие физики предположили, что видели послесвечение от взрыва Большого взрыва. Поскольку Большой взрыв затронул всю Вселенную в один и тот же момент времени, послесвечение должно пронизывать всю Вселенную и может быть обнаружено независимо от того, в каком направлении вы смотрите. Это послесвечение называется космическим фоновым излучением. Его длина волны и однородность хорошо сочетаются с математическими расчетами других астрономов о Большом взрыве.

    Насколько вам нравится ваша Вселенная?

    Однако модель Большого взрыва не является общепринятой. Одна из проблем теории состоит в том, что она предсказывает гладкую Вселенную. То есть распределение материи в больших масштабах должно быть примерно одинаковым, куда бы вы ни посмотрели. Ни одно место во вселенной не должно быть чрезмерно неровным.

    Но в 2001 году астрономы объявили об открытии группы галактик и квазаров, которая заполняет более 125 миллионов кубических световых лет пространства и в настоящее время является самой большой структурой во Вселенной.Вместо равномерного распределения материи Вселенная, кажется, содержит огромные пустые пространства, перемежаемые плотно упакованными полосами материи.

    Сторонники Большого взрыва утверждают, что их теория не ошибочна. Они утверждают, что гравитация огромных необнаруженных объектов в космосе (облака холодной темной материи, которые мы не можем увидеть в телескопы, или так называемые космические струны) притягивает материю в сгустки. Другие астрономы, все еще не желающие верить в невидимые объекты только для решения необъяснимой проблемы, продолжают подвергать сомнению фундаментальные аспекты теории Большого взрыва.

    Несмотря на свои проблемы, Большой взрыв по-прежнему считается большинством астрономов лучшей теорией, которая у нас есть. Однако, как и в случае с любой научной гипотезой, необходимы дополнительные наблюдения и эксперименты, чтобы определить ее достоверность. Достижения, начиная от более чувствительных телескопов и заканчивая экспериментами в области физики, должны подлить масла в космологические дебаты в ближайшие десятилетия.

    Теория устойчивого состояния

    Но Большой взрыв — не единственная предлагаемая теория происхождения нашей Вселенной.В 1940-х годах возникла конкурирующая гипотеза, получившая название теории устойчивого состояния. Некоторые астрономы обратились к этой идее просто потому, что в то время не было достаточно информации для проверки Большого взрыва. Британский астрофизик Фред Хойл и другие утверждали, что Вселенная не только однородна в пространстве — идея, называемая космологическим принципом, — но также неизменна во времени, концепция, называемая идеальным космологическим принципом. Эта теория не зависела от конкретного события, такого как Большой взрыв. Согласно теории устойчивого состояния, звезды и галактики могут меняться, но в целом Вселенная всегда выглядела так, как сейчас, и так будет всегда.

    Большой взрыв предсказывает, что по мере того, как галактики удаляются друг от друга, пространство становится все более пустым. Теоретики устойчивого состояния признают, что Вселенная расширяется, но предсказывают, что новая материя постоянно оживает в пространствах между удаляющимися галактиками. Астрономы предполагают, что этот новый материал состоит из атомов водорода, которые медленно объединяются в открытом космосе, образуя новые звезды.

    Естественно, непрерывное создание материи из пустого пространства встретило критику.Как можно получить что-то из ничего? Идея нарушает фундаментальный закон физики: сохранение материи. Согласно этому закону, материю нельзя ни создать, ни разрушить, а только преобразовать в другие формы материи или в энергию. Но скептически настроенным астрономам трудно напрямую опровергнуть непрерывное создание материи, потому что количество материи, образованной в соответствии с теорией устойчивого состояния, очень мало: примерно один атом каждые миллиард лет на каждые несколько кубических футов пространства.

    Теория устойчивого состояния, однако, терпит неудачу в одном важном отношении. Если материя постоянно создается повсюду, то средний возраст звезд в любой части Вселенной должен быть одинаковым. Но астрономы обнаружили, что это не так.

    Астрономы могут определить возраст галактики или звезды, измерив их расстояние от Земли. Чем дальше от Земли находится объект, тем дольше ему потребовался свет от объекта, чтобы пересечь пространство и достичь Земли. Это означает, что самые далекие объекты, которые мы можем видеть, также являются самыми старыми.

    Например, возьмем квазары, маленькие светящиеся точки, излучающие огромное количество радиоэнергии. Поскольку свет от квазаров смещен так далеко к красному концу спектра, астрономы используют закон Хаббла, чтобы вычислить, что эти электростанции находятся на большом расстоянии от Земли и, следовательно, очень старые. Но квазары существуют только на этих огромных расстояниях — ближе нет никого. Если теория устойчивого состояния верна, должны быть как молодые, так и старые квазары. Поскольку астрономы не обнаружили квазаров, которые образовались недавно, они пришли к выводу, что Вселенная должна была измениться с течением времени.Открытие квазаров поставило теорию устойчивого состояния на неустойчивую основу.

    Вселенная плазмы и маленькие взрывы

    Вам не нравится теория Большого взрыва или теория устойчивого состояния? Меньшая часть астрономов формулирует другие взгляды на создание Вселенной. Одна из моделей возникла в голове нобелевского лауреата Ханнеса Альвена, шведского физика плазмы. Его модель, получившая название «Плазменная Вселенная», начинается с того, что 99 процентов наблюдаемой Вселенной (включая звезды) состоит из плазмы.Плазма, ионизированный газ, проводящий электричество, иногда называют четвертым состоянием материи. Эта теория утверждает, что Большого взрыва никогда не было и что Вселенную пересекают гигантские электрические токи и огромные магнитные поля.

    Согласно этой точке зрения, Вселенная существовала вечно, главным образом под влиянием электромагнитной силы. У такой вселенной нет четкого начала и предсказуемого конца. Во Вселенной Plasma галактики собираются вместе в течение гораздо большего промежутка времени, чем в теории Большого взрыва, возможно, за 100 миллиардов лет.

    Немногое свидетельств существования плазменной Вселенной происходит из прямых наблюдений за небом. Вместо этого он исходит из лабораторных экспериментов. Компьютерное моделирование плазмы, подвергшейся воздействию полей высокой энергии, выявляет закономерности, похожие на смоделированные галактики. Используя настоящие электромагнитные поля в лаборатории, исследователи также смогли воспроизвести плазменные модели, наблюдаемые в галактиках. Хотя по-прежнему мнение меньшинства, Плазменная Вселенная пользуется популярностью у молодых астрономов с более лабораторным складом ума, которые ценят твердые эмпирические доказательства выше математических.

    Тем временем другая группа астрономов разрабатывает теорию устойчивого состояния, которая фактически соответствует астрономическим наблюдениям. Как и ее предшественница, эта теория устойчивого состояния предлагает вселенную без начала и без конца. Скорее, материя непрерывно создается посредством серии «маленьких взрывов», возможно, связанных с таинственными квазарами. Согласно этой новой теории, галактики будут формироваться со скоростью, определяемой темпами расширения Вселенной. Эти теоретики могут даже объяснить космическое фоновое излучение: они утверждают, что микроволны на самом деле исходят от облака крошечных частиц железа, а не являются остаточным эффектом какого-то изначального взрыва.

    Конец Вселенной

    Будет ли вселенная продолжать расширяться? Он просто остановится или даже начнет сокращаться? Ответ зависит от количества массы, содержащейся во Вселенной. Если масса Вселенной превышает определенное критическое значение, тогда гравитация должна в конечном итоге остановить все от улетания от всего остального.

    При достаточной массе Вселенная в конечном итоге поддастся непреодолимой силе гравитации и снова схлопнется в одну точку — теорию, часто называемую Большим сжатием.Но без достаточной массы Вселенная продолжит расширяться. По состоянию на 2001 год многие ученые пришли к выводу, что последняя гипотеза кажется наиболее вероятной.

    В 1998 году астрономы обнаружили еще более примечательную загадку: кажется, что Вселенная ускоряется при расширении, как будто ее притягивает какая-то «антигравитационная» сила. С тех пор другие астрономы подтвердили это открытие, используя множество методов, и почти подтвердили существование этой загадочной «темной энергии».

    Дэвид Фишман

    блестящих грубых ошибок: как Большой взрыв выбил Вселенную с устойчивым состоянием | НОВА

    28 марта 1949 года в 6:30 вечера астрофизик Фред Хойл прочитал одну из своих авторитетных радиолекций о

    Получайте электронные письма о предстоящих программах NOVA и сопутствующем контенте, а также предоставляйте репортажи о текущих событиях через призму науки.

    Третья программа , культурная передача на BBC, в которой участвовали такие интеллектуалы, как философ Бертран Рассел и драматург Сэмюэл Беккет. В какой-то момент, когда он пытался противопоставить свой собственный сценарий — сценарий непрерывного создания материи во Вселенной — противоположной теории, которая утверждала, что у Вселенной есть отчетливое и определенное начало, Хойл сделал то, что должно было стать спорным заявлением. :

    Теперь мы подошли к вопросу о применении наблюдательных тестов к более ранним теориям.Эти теории основывались на гипотезе о том, что вся материя во Вселенной была создана в результате одного большого взрыва в определенное время в далеком прошлом [курсив мой] . Теперь выясняется, что в том или ином отношении все подобные теории противоречат требованиям наблюдений.

    Эта лекция ознаменовала рождение термина «большой взрыв», который с тех пор неразрывно связан с первоначальным событием, из которого возникла наша Вселенная.Вопреки распространенному мнению, Хойл не использовал этот термин в уничижительной манере. Скорее, он просто пытался создать мысленную картину для своих слушателей.

    Наиболее устойчивые работы Хойла относились к области ядерной астрофизики и звездной эволюции. Тем не менее, большинство из тех, кто помнит его по его популярным книгам и известным радиопрограммам, знают его как космолога и соавтора идеи устойчивой Вселенной. (Модель устойчивого состояния предсказывала, что галактики, которые находятся на расстоянии миллиардов световых лет от нас, должны выглядеть, говоря статистически, точно так же, как и близлежащие галактики, даже если мы видим первые такими, какими они были миллиарды лет назад, из-за времени, которое требуется их свету, чтобы достичь нас.)

    Он начал с того факта, что Вселенная расширяется. Это сразу вызвало вопрос: если галактики непрерывно удаляются друг от друга, означает ли это, что пространство становится все более и более пустым? Хойл ответил категорическим нет. Вместо этого, предположил он, материя постоянно создается во всем пространстве, так что новые галактики и скопления галактик постоянно образуются со скоростью, которая точно компенсирует разбавление, вызванное космическим расширением.Таким образом, рассуждал Хойл, Вселенная сохраняется в устойчивом состоянии. Однажды он остроумно заметил: «Вещи такие, какие они есть, потому что они были такими, какими они были».

    Идея о том, что материя постоянно создается из ничего, поначалу может показаться безумной. Однако, как поспешил указать Хойл, в космологии Большого взрыва также никто не знал, откуда появилась материя. Единственная разница, пояснил он, заключалась в том, что в сценарии большого взрыва вся материя была создана в одном взрывном начале, тогда как в модели устойчивого состояния материя создавалась с постоянной скоростью в течение бесконечного времени и все еще создается в том же оцените сегодня.Хойл утверждал, что концепция непрерывного создания материи (в контексте конкретной теории) была гораздо более привлекательной, чем создание Вселенной в далеком прошлом, поскольку последнее подразумевает, что наблюдаемые эффекты возникли из «причин, неизвестных науке. . »

    Модели большого взрыва и устойчивого состояния дали совершенно разные предсказания относительно далекой Вселенной. Когда мы наблюдаем галактики, которые находятся на расстоянии миллиардов световых лет от нас, мы получаем изображение этих галактик такими, какими они были миллиарды лет назад.В постоянно развивающейся Вселенной (модель большого взрыва) это означает, что мы наблюдаем эту конкретную часть Вселенной, когда она была моложе и, следовательно, отличалась. С другой стороны, в модели стационарного состояния Вселенная всегда существовала в одном и том же состоянии. Следовательно, ожидается, что удаленные части Вселенной будут иметь точно такой же внешний вид, как и местная космическая среда.

    Первые признаки проблемы для модели установившегося состояния пришли не из оптических телескопов, а из радиоастрономии.Одним из пионеров в этом деле был физик из Кавендишской лаборатории в Кембридже: Мартин Райл.

    В отличие от Хойла, отец которого торговал шерстью и тканями, Райл происходил из привилегированных семей — его отец был врачом короля Георга VI — и он получил лучшее из того, что могло предложить частное образование. После новаторских радионаблюдений Солнца в конце 1940-х годов Райл и его группа приступили к реализации амбициозной программы по обнаружению радиоисточников за пределами Солнечной системы.После некоторых впечатляющих усовершенствований методов наблюдений, которые позволили им отбросить фоновое излучение Млечного Пути, Райл и его коллеги обнаружили несколько десятков «радиозвезд», более или менее изотропно распределенных по небу. К сожалению, поскольку у большинства источников не было видимых аналогов, невозможно было точно определить их расстояния.

    Райл начал разбирать модель устойчивого состояния, оценивая одно из ее проверяемых предсказаний — отдаленные части Вселенной должны выглядеть точно так же, как местная космическая среда.Он начал собирать большую выборку радиоисточников и подсчитывать, сколько их было с разными интервалами интенсивности. Поскольку у него не было возможности узнать фактические расстояния до большинства источников (они находились за пределами диапазона обнаружения оптических телескопов), Райл сделал простейшее предположение: а именно, что наблюдаемые более слабые радиоисточники в среднем находятся дальше, чем источники сильные сигналы. Он обнаружил, что слабых источников намного больше, чем сильных. Другими словами, казалось, что плотность источников на расстояниях в миллиарды световых лет (и, следовательно, представляющих Вселенную миллиарды лет назад) была намного выше, чем плотность тока поблизости.Это явно противоречило модели неизменной Вселенной, но ее можно было бы согласовать с космосом, возникшим в результате Большого взрыва, если бы предположить (правильно, как мы теперь понимаем), что галактики были более склонны к излучению интенсивного радиоизлучения. сигналы в их молодости, чем в настоящее время, в их старшем возрасте.

    К началу 1960-х годов группа Райла имела в своем распоряжении даже совершенно новую радиообсерваторию, финансируемую компанией Mullard electronics. К тому времени Райл и Хойл были вовлечены в серию интеллектуальных стычек, завершившихся одним особенно неприятным инцидентом.Позже Хойл описал этот травматический опыт в своей автобиографической книге. Дом там, где дует ветер . Все началось с невинного телефонного звонка из компании Mullard в начале 1961 года. Человек на другом конце провода пригласил Хойла и его жену на пресс-конференцию, на которой, как ожидалось, Райл представит новые результаты, которые были должно было представлять большой интерес для Хойла. Когда они прибыли в штаб-квартиру Малларда в Лондоне, жену Хойла, Барбару, препроводили к месту впереди, а Хойла отвели к креслу на сцене, лицом к средствам массовой информации.Он не сомневался, что это объявление будет связано с подсчетом радиоисточников в соответствии с их интенсивностью, но он не мог поверить, что его пригласили бы, если бы результаты противоречили теории устойчивого состояния.

    К сожалению, то, что Хойл считал совершенно немыслимым, действительно произошло. Когда появился Райл, вместо того, чтобы сделать краткое объявление, как было объявлено, он начал лекцию, наполненную техническим жаргоном, о результатах своего более крупного, четвертого опроса. Он закончил, уверенно заявив, что результаты теперь однозначно показывают более высокую плотность радиоисточников в прошлом, тем самым доказывая ошибочность теории устойчивого состояния.Шокированного Хойла просто попросили прокомментировать результаты. Недоверчивый и униженный, он едва пробормотал несколько предложений и убежал с мероприятия. Безумие средств массовой информации, которое последовало в последующие дни, вызвало отвращение к Хойлу до такой степени, что он избегал телефонных звонков в течение недели и отсутствовал даже на следующем заседании Королевского астрономического общества 10 февраля. Даже Райл понял, что пресс-конференция перешла границы обычного порядочность. Он позвонил Хойлу, чтобы извиниться, добавив, что, когда он согласился на мероприятие Малларда, он «понятия не имел, насколько это будет плохо.”

    Однако на чисто научном фронте, несмотря на эти тревожные провалы в этикете, аргументы Райла становились все более убедительными, и к середине 1960-х годов подавляющее большинство астрономического сообщества согласились с тем, что сторонники теории устойчивого состояния проиграли битву.

    Открытие чрезвычайно активных галактик, в которых наращивание массы на центральные сверхмассивные черные дыры испускает достаточно излучения, чтобы затмить всю галактику, укрепило доказательства против устойчивого состояния Вселенной.Эти объекты, известные как квазары, были достаточно яркими, чтобы их можно было наблюдать в оптические телескопы. Наблюдения позволили астрономам использовать закон Хаббла для определения расстояния до этих источников и убедительно показать, что в прошлом квазары действительно встречались чаще, чем в настоящее время. Невозможно было избежать вывода о том, что Вселенная эволюционирует и что в прошлом она была плотнее. В этот момент шлюзы открылись, и вызовы модели устойчивого состояния продолжали нарастать.

    Несмотря на отважные усилия Хойла, начиная с середины 1960-х годов большинство ученых перестали обращать внимание на теорию устойчивого состояния.Продолжающиеся попытки Хойла продемонстрировать, что все противоречия между теорией и новыми наблюдениями можно объяснить, выглядели все более надуманными и неправдоподобными. Что еще хуже, он, казалось, потерял то «хорошее суждение», которое он когда-то защищал, которое должно было отличать его от «просто стать ненормальным». Еще в 2000 году, в возрасте 85 лет, он опубликовал книгу под названием Другой подход к космологии: от статической Вселенной через Большой взрыв к реальности , в которой он и его сотрудники, Джаянт Нарликар и Джефф Бербидж, объяснили детали теории квазистационарного состояния и свои возражения против Большого взрыва.Чтобы выразить свое презрительное мнение о научном истеблишменте, они представили на одной из страниц книги фотографию стаи гусей, идущих по грунтовой дороге с подписью: «Это наш взгляд на конформистский подход к стандарту (горячий большой взрыв ) космология. Мы устояли перед соблазном назвать некоторых из ведущих гусей ». Возможно, лучшее, что было сказано о книге, было в обзоре британского Sunday Telegraph , и это относилось не столько к содержанию книги, сколько к пылкой личности Хойла: «Хойл систематически рассматривает доказательства теории Большого взрыва и дает им хорошую оценку.. . Трудно не восхищаться смелостью работ по сносу. . . Я могу только надеяться, что обладаю одной тысячной боевого духа Хойла, когда я, как и он, достигну своего 85-летнего возраста ».

    Ошибка Хойла заключалась в его явно упертом, почти приводящем в бешенство отказе признать крах теории, даже когда она подавлялась накоплением противоречивых свидетельств, а также в использовании им асимметричных критериев суждения в отношении теорий большого взрыва и устойчивого состояния.Что было причиной такого непримиримого поведения?

    Несколько заявлений, сделанных самим Хойлом, являются лучшим доказательством. В Дом там, где дует ветер , он написал следующий поразительный абзац:

    Проблема с научным учреждением восходит к маленьким охотничьим группам доисторических времен. В таком случае, должно быть, для того, чтобы охота увенчалась успехом, требовалась вся группа. Поскольку направление добычи не определено, так как направление правильной теории в науке изначально не определено, сторона должна была принять решение о том, каким путем идти, а затем все они должны были придерживаться этого решения, даже если оно было просто принято. случайно.Диссидент, который утверждал, что правильное направление было в точности противоположным выбранному направлению, должен был быть исключен из группы, точно так же, как современный ученый, придерживающийся иной точки зрения, чем консенсус, обнаруживает, что его статьи отвергаются журналами, а его заявки на исследовательские гранты в целом уволен государственными органами. В доисторические времена жизнь, должно быть, была тяжелой, поскольку чем больше охотничий отряд не находил добычи в выбранном направлении, тем больше ему приходилось продолжать в этом направлении, поскольку останавливаться и спорить означало бы создать неопределенность и рисковать разногласиями вырвавшиеся наружу, после чего группа катастрофически распалась.Вот почему главный приоритет ученых не в том, чтобы быть правильными, а в том, чтобы все думали одинаково. Возможно, это инстинктивная примитивная мотивация создает истеблишмент.

    Трудно представить себе более сильную защиту инакомыслия с господствующей наукой. Хойл повторяет здесь слова влиятельного врача второго века Галена из Пергама: «С самых юных лет я презирал мнение народа и стремился к истине и знаниям, полагая, что для человека нет ничего более благородного или божественного.Однако, как заметил Мартин Рис, королевский астроном Великобритании, изоляция имеет свою цену. Наука прогрессирует не по прямой линии от A к B, а по зигзагообразной траектории, сформированной критическим взаимодействием переоценки и поиска неисправностей. Постоянная оценка научного истеблишмента, который так презирал Хойл, — это то, что создает систему сдержек и противовесов, которые не позволяют ученым слишком далеко отклониться в неверном направлении. Навязав на себя академическую изоляцию, Хойл отказался от этих корректирующих сил.

    Я несколько раз отмечал, что идея стационарной Вселенной была блестящей в то время, когда она была предложена. Оглядываясь назад, можно сказать, что вселенная в устойчивом состоянии с ее непрерывным созданием материи имеет много общих черт с модными в настоящее время моделями инфляционной вселенной: предположение о том, что космос испытал всплеск роста быстрее света, когда ему было доли секунды. . В некотором отношении вселенная в устойчивом состоянии — это просто вселенная, в которой всегда происходит инфляция.

    Гениальность Хойла проявлялась также в том, что он принадлежал к той небольшой группе ученых, способных параллельно исследовать две несовместимые друг с другом теории. Несмотря на то, что Хойл продолжал сопротивляться Большому взрыву на протяжении всей своей жизни, Хойл на самом деле внес важный вклад в исследования нуклеосинтеза большого взрыва, в частности, в отношении содержания космического гелия и синтеза элементов при очень высоких температурах. Теории Хойла, даже когда в конечном итоге оказывались ошибочными, всегда были динамичными, они неизменно подпитывали целые области и катализировали новые идеи.

    Из Блестящие промахи пользователя Mario Livio. Авторские права © 2013 Автор Марио Ливио . Представлено с разрешения Simon & Schuster, Inc.

    космических времен

    Происхождение всего: горячий взрыв или нестареющая вселенная?

    Была ли Вселенная всегда или у нее есть начало, середина и конец? Трудно представить себе более глубокую тайну, чем эта. Однако недавно эта тема обсуждалась на заседании Национальной академии наук в Пасадене, штат Калифорния.

    На конференции астрофизики Джесси Л. Гринштейн и физик Уильям А. Фаулер из Калифорнийского технологического института представили на конференции аргументы в пользу нестареющей стационарной Вселенной. Теория устойчивого состояния утверждает, что Вселенная всегда будет выглядеть так же, как сегодня; эта теория «устойчивого состояния» конкурирует с «эволюционной» теорией Вселенной. Теория эволюции утверждает, что первоначальный набор горячих частиц взорвался на заре времен. Эти частицы сформировали весь водород Вселенной (и, возможно, гелий) за одно гигантское событие.

    Обе теории совершенно по-разному объясняют тот факт, что Вселенная расширяется. Это расширение было впервые обнаружено в 1914 году, когда американский астроном Весто Мелвин Слайфер обследовал несколько галактик и заметил, что свет от всех из них был «смещен в красную область». Весь свет распространяется волнами. В спектре видимого света наибольшую длину волны имеет красный свет. Если объект (например, галактика) излучает свет, а объект удаляется, это движение увеличивает длину волны, вызывая «красное смещение» света.»Это похоже на то, как звук удаляющегося локомотива понижается по высоте, когда он проходит мимо вас.

    В теории стационарного состояния расширение происходит из-за непрерывного выделения элементарного водорода из пустого пространства со скоростью одна частица на кубический метр каждые 300 000 лет или около того. Этот водород в конечном итоге собирается и конденсируется в звезды. Благодаря ядерному слиянию в своих ядрах звезды производят из этого водорода все более тяжелые элементы (например, углерод, кислород, кремний, железо, медь и т. Д.).Когда звезды стареют, умирают и взрываются, они разбрасывают более тяжелые элементы по галактикам. Эти более тяжелые элементы смешиваются с водородом, и вокруг них образуются новые звезды с каменистыми планетами — как наша Солнечная система. В качестве доказательства этого процесса Гринштейн и Фаулер сослались на красные гигантские звезды, образующие тяжелые элементы, которые сегодня можно увидеть в нашей Галактике.

    Важным моментом стационарной Вселенной является то, что она действительно меняется со временем. Хойл, ученый, поддерживающий эту теорию, сравнивает бессмертную стационарную Вселенную с рекой.Это может показаться неизменным, но под поверхностью есть множество движений и изменений. Итак, если воспользоваться старой речной поговоркой, нельзя дважды войти в одну и ту же Вселенную.

    Напротив, существует «эволюционная» теория американского физика, родившегося в России, Джорджа Гамова и его коллег Ральфа Альфера и Роберта Хермана. Эти ученые говорят, что взрыв и радиоактивный распад горячего шара нейтронов при рождении Вселенной создали весь водород и немного гелия. Эти элементы сформировались по мере расширения и охлаждения взрыва.Первые звезды были сделаны только из этого исходного водорода и гелия. Эти звезды соединили эти оригинальные элементы в новые, более тяжелые элементы. Эти более тяжелые элементы затем были рассеяны по галактикам, когда умерли первые звезды, и это привело к более сложным смесям элементов, наблюдаемым сейчас в звездах.

    Изображение предоставлено: NASA’s Cosmic Times

    Иллюстрация истории плотности материи Вселенной согласно теории эволюции (вверху) и теории стационарного состояния (внизу).Нажмите на изображение для увеличения.

    Эта эволюционная теория также объясняет, почему галактики удаляются друг от друга: все они все еще летят из-за силы первоначального взрыва. Это можно объяснить с помощью законов движения Ньютона (движущийся объект будет продолжать движение, если на него не действует сила). Могут быть и другие прямые доказательства взрыва. Альфер и Герман предсказали, что некоторое слабое тепло, оставшееся от этого первоначального взрыва, может все еще существовать в форме вытянутых световых волн, называемых «микроволнами», всего на несколько градусов выше абсолютного нуля.Однако никто еще не придумал способ обнаружить эти оставшиеся микроволны.

    Еще одно свидетельство эволюции Вселенной получено из результатов измерений Эдвином Хабблом в 1929 году скорости галактик за пределами нашей. Хаббл обнаружил, что чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется. Это именно то, что можно было бы ожидать, если бы все началось с древнего взрыва, и с тех пор все уходит.

    Обратной стороной эволюционной Вселенной, конечно же, является то, что она не заканчивается благополучно.Не существует неограниченного запаса водорода, как в теории устойчивого состояния. В эволюционной Вселенной Вселенная может расширяться бесконечно, и в конечном итоге у нее закончится водород; звезды в конечном итоге сгорают, и Вселенная остывает до огромного замороженного кладбища мертвых звезд. Другая возможность для эволюционной Вселенной состоит в том, что гравитация всей материи может в конечном итоге снова собрать все воедино в гигантском коллапсе, который отскакивает, взрывается и запускает Вселенную всюду — это бесконечно взрывающаяся и коллапсирующая Вселенная, описанная покойным физиком Ричардом Толман из Калифорнийского технологического института.

    Какая теория верна? Только дополнительные исследования с более крупными и лучшими телескопами покажут. •

    Щелкните здесь, чтобы прочитать о Хойле, насмехающемся над теорией Вселенной «Большого взрыва»

    .