Таинственные явления природы и Вселенной - Сергей Минаков

Долгое время астрономы предполагали, что либо Луна и Земля образовались одновременно, либо Земля захватила Луну, когда та пролетала мимо. Сегодня распространена теория, согласно которой около 4,4 млрд лет назад в Землю врезался объект размером с Марс, вырвав достаточно вещества, чтобы из обломков образовалась Луна. Ясно, что для нас это было большой удачей. Особенно то, что все это произошло так давно. Случись это в прошлую среду — нам всем было бы буквально мало места!

Это подводит нас еще к одному кардинальному соображению. Выбор времени. Вселенная — поразительно непостоянное и богатое событиями место, и наше существование в ней является чудом. Если бы растянувшаяся примерно на 4,6 млрд лет невообразимо сложная последовательность событий не оборачивалась бы определенным образом в определенное время: если бы астероид — взять хотя бы один очевидный пример — не стер с лица земли существовавших тогда динозавров, вы, дорогой читатель, могли бы быть размером в несколько сантиметров, с усиками и хвостиком, и читали бы все это, сидя в земляной дырке, как хоббит Бильбо. Мы не знаем этого наверняка, однако представляется вполне очевидным, что если вы хотите в конечном счете получить умеренно развитое общество мыслящих существ, то надо оказаться в нужном конце очень длинной цепи вытекающих друг из друга событий и явлений, включающих приемлемые периоды стабильности, перемежающиеся подходящим количеством сложных и напряженных ситуаций (к примеру — ледниковые периоды), и при этом полностью избежать настоящих планетарных катаклизмов. Может быть, это не лучший из миров. Но нам повезло — нам все-таки очень повезло с этим миром!

Самым распространенным элементом в земной коре является кислород. Его весовое содержание оценивается в 49 % массы земной коры.

Что такое жизнь

Что такое жизнь? Мы затрудняемся дать точное определение жизни, однако все точно могут различить живое и неживое. Как говорится, за живую и за мертвую лошадь дают разную цену.

Действительно, интуитивно мы все понимаем, что живо и что — мертво, но вот точно сформулировать различие обычно затрудняемся. Известно много попыток дать дефиницию, определение понятия «жизнь», но все они оказываются неидеальными. Поэтому умные люди вообще отказываются от определения, подменяя его тавтологией. Живое — это живое, то, в чем есть жизнь, что устроено как живое. «Жизнь — это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка». Такое определение дает Фридрих Энгельс — не так уж давно оно было у нас очень популярным. Что ж, не такое уж и плохое определение. Однако достаточно ли оно? Сам Энгельс так не думал. Для него обмен веществ — лишь существенный, но не единственный критерий жизни. Он может быть присущ и неживым объектам. Допустим, у нас есть два непрозрачных ящика с дырками «на входе» и «на выходе». Что внутри — неизвестно. Но мы можем производить измерения состояния воздуха у входного и выходного отверстий. Измерения показывают, что в обоих случаях мы имеем на выходе дефицит кислорода, повышенную концентрацию углекислого газа и водяных паров. Меряем температуру и видим, что на выходе воздух теплее, чем на входе. Мы вправе заключить, что в каждом ящике содержится система, способная к обмену веществ с окружающей средой. Вскрываем ящики и обнаруживаем… в одном из них живую мышь, а в другом — горящую свечу. Критерий обмена веществ здесь не срабатывает, не позволяет отличить живое от неживого, отличить процесс горения от процесса дыхания.

Если мы перекроем кран поступления воздуха, мышь погибает. Однако и мертвые организмы могут обмениваться веществами с окружающей средой. На этом, в частности, основан процесс образования окаменелостей: остатки животных и растений в слое горной породы отдают окружающей среде органику, и ее место занимают минералы. Особенно удивительны окаменевшие деревья: внешне они до мельчайших деталей сохраняют структуру древесины, однако она миллионы лет назад заместилась кремнеземом и окислами железа.

Какой вывод можно сделать из этого? Обмен веществ — это необходимое условие, если мы говорим о живом состоянии. Но одного обмена веществ недостаточно для определения жизни! Нужно еще что-то.

Попробуем еще раз. Во-первых, жизнь характеризуется активностью. Жизнь действует. Даже если она находится «в пассиве», приспосабливается к условиям (то есть «страдает»: «страдание» у Аристотеля — это категория подчинения, категория, противоположная действию: actio — passio), все равно сохраняется активная составляющая, самостоятельный акт как бы «из себя и для себя». Эта активность обязательно происходит с затратой энергии в системе: чтобы жить, тратятся силы! Во-вторых, жизнь — это поддержание и воспроизведение всегда конкретного порядка, определенной, специфической структуры. Именно специфической. Вот на что энергия-то идет и силы тратятся!

Что такое активное воспроизведение? Это такой процесс, когда система сама воспроизводит себя и поддерживает свою целостность, используя для этого элементы окружающей среды с более низкой упорядоченностью. Пассивный процесс такого рода отнюдь не признак жизни. Птицы из года в год воспроизводят свои гнезда, бобры строят плотины, но ни гнезда, ни плотины нельзя считать живыми объектами в отличие от их строителей. Короче говоря, вряд ли птицу можно получить, воспроизвести по гнезду, бобра — по плотине, а снежного человека — по его следу…

Далее о затрате энергии. Почему это является необходимым условием при определении жизни? Потому что это позволяет отличать живые существа от других самовоспроизводящихся структур, например кристаллов.

Еще в XVIII веке проводили аналогии между ростом организмов и ростом кристаллов. Действительно, каждому кристаллу присуща своя специфическая структура, возникающая спонтанно. Хлористый натрий кристаллизуется в виде куба, углерод (алмаз) — в виде октаэдра. Скопления, сростки кристаллов порой удивительно похожи на структуры живой природы. Вспомните хотя бы морозные узоры на оконных стеклах. Они иногда настолько бывают похожими на листья папоротников и иных диковинных растений, что кажутся более реальными, чем настоящие. Даже металлы образуют подобные структуры. Металлургам всего мира хорошо известна так называемая «елка Чернова». При отливке изделия из металла могут образовываться лакуны, раковины — так их называют специалисты. И вот иногда в таких раковинах сращиваются кристаллы железа — это очень похоже на известное растение.

Тем не менее, аналогии между морозными узорами и листьями папоротника неправомерны. Хотя эти структуры внешне сходны, процессы их возникновения диаметрально противоположны энергетически. Кристалл — система с минимумом свободной энергии. Что это значит? Это значит, что при кристаллизации энергия выделяется в виде тепла. Например, при возникновении одного килограмма «морозных узоров» должно выделиться 619 ккал тепла. Столько же энергии нужно затратить на разрушение этой структуры. Листья папоротника, наоборот, при своем возникновении и росте поглощают энергию солнечных лучей. Разрушая эту структуру, мы можем получить энергию обратно. Мы, собственно, это и делаем, например, сжигая каменный уголь, образовавшийся из остатков гигантских папоротников палеозойской эры, или просто греясь у банального костра. И дело здесь не в самом листообразном рисунке, внешне объединяющем лесной папоротник и узор на стекле. Бесформенный кусок льда той же массы потребует на расплавление и испарение столько же энергии. А на образование внешней сложности листа растения расходуется энергия, ничтожно малая по сравнению с той, что законсервирована в органике.

Но как же все-таки быть с внешним сходством? Дело вот в чем. И листья папоротника, и морозные узоры обладают максимальной площадью поверхности при данном объеме. Для папоротника (и любого другого растения) это необходимо, ибо дыхание и ассимиляция углекислого газа идет через поверхность листьев. В тех случаях, когда нужно снизить расходы воды на испарение, растения, например кактусы, обретают шарообразную форму с минимальной площадью поверхности. Но платить за это нужно снижением темпов ассимиляции СO2 и соответственно замедлением роста.

Водяные пары, кристаллизуясь на холодном стекле, также образуют структуру с максимальной поверхностью, потому что скорость потери свободной энергии при этом максимальна (кристаллы растут с поверхности). Так что аналогии между кристаллами и живыми организмами не имеют, так сказать, сущностного значения. Жидкость, выплеснутая из сосуда в условиях невесомости, приобретает форму шара (минимум энергии поверхностного натяжения). Но вряд ли это означает, что законы устройства космоса похожи на правила игры с шарами за бильярдным столом!