Эволюция Вселенной или Большой взрыв.

Догма о неизменном космосе. С времен Платона и Аристотеля мыс­лители и ученые отдавали предпочтение такой картине космоса, где не происходило существенных изменений Вселенной. В XVIII в. появилась гипотеза возникновения Солнечной системы, но это не поколебало «сферу неподвижных звезд». Несовершенство наблю­дательных инструментов укрепляло иллюзию отсутствия фактов изменчивости всего мира во времени.

Когда Эйнштейн создал ОТО, то он сразу же решил применить её к опи­санию всей Вселенной. Для этого потребовались идеи о ее основ­ных аспектах. В качестве метода ученый взял принцип неизмененности космоса. Поскольку уравнения ОТО не давали должно­го статического решения, ученый ввел гипотетический «космоло­гический член» как фактор устойчивости, уравновешивающий все­мирное тяготение. Так, в 1917г. возникла космологическая модель статической Вселенной.

Идея нестационарности Вселенной. В 1922-1924 гг. советский математик А. А. Фридман на основе ОТО получил модель космоса, меняющегося с течением времени. Без искусственных нововведений уравнения Эйнштейна указывали на нестационарность объектов Вселенной, они должны были либо сближаться, либо удаляться. Мир космических объектов должен меняться – таков был вывод Фридма­на. Хотя Эйнштейн, в конце концов, признал его математически правильным, абсолютное большинство ученых отдало предпочтение статической модели, за которой стояли мировоззрен­ческая традиция и авторитет Эйнштейна.

Эмпирическое подтверждение новой модели: разбегание галак­тик. В начале ХХ в. американский астрофизик В. М. Слайфер обнаружил, что большинство галактик удаляется от земного наблюдателя. Линии в их спектрах были смещены к красному кон­цу. Сравнение расстояний до галактик со скоростями их удаления позволило американскому астроному Э. Хабблу установить в 1929 г. эмпирическую закономерность: чем дальше галактика, тем больше скорость ее удаления от нас. Оказалось, что галактики удаляются не только от нашей галактики, но и друг от друга. Закон Хаббла стал подтверждением гипотезы Фридмана и указал на пред­почтительность расширяющейся модели Вселенной. Ее нужно было развивать, потому что она не давала ответа на вопрос: почему мегамир расширяется? Однако модель расширения вполне однозначно приводила к выводу о некотором начальном во времени состоянии, от которого исходит современное разбегание галактик. Подсчеты показали, что начало расширения Вселенной отстоит от настоящего вре­мени примерно на 15 миллиардов лет. Большая неточность свя­зана с неопределенностью учета среднего значения плотности ве­щества в космосе (проблема «скрытой» массы, возможная масса покоя нейтрино и т. п.).

Космологи становятся историками. Во второй половине XX в. космологи свои усилия сконцентрировали на создании физической теории самых ранних этапов расширения Вселенной. Наблюдатель­ные факты здесь могли играть только косвенную роль, на первое место выдвинулось физико-математическое мышление в форме гипотетических моделей. Перед астрофизиками встала проблема, родственная тематике историка и археолога – реконструировать историю космоса.

Проблема сингулярности.Самое начало расширения получило название сингулярного (лат. single – одиночный) состояния. Оно не описывается ОТО, так как здесь действуют квантовые эффекты тяготения, еще ожидаю­щие должного теоретического понимания. Но метод размерностей дает приблизительную оценку параметров сингулярного состоя­ния. Плотность материи здесь достигла величины порядка 10⁹³ г/см³, что на 80 порядков больше плотности атомного ядра. Для объяснения дальнейших метаморфоз привлекаются представления о физическом вакууме. Известны факты о том, что он способен самопроизвольно порождать пары «частица - античастица» без нарушения законов сохранения.

Эпоха Планка.Процессы, начавшиеся от сингулярного состояния до времени равного 10^-43 с, образовали этап, названный эпохой Планка. Здесь возникла некая теоретическая «развилка».

Гипотеза холодного начала. Данный вариант построен на том, что в ходе расширения нейтроны распадались на протоны, электро­ны и антинейтрино, затем протоны соединялись с нейтронами, об­разуя дейтерий. В дальнейшем реакции усложнения атомных ядер продолжались до тех пор, пока все вещество не превращалось в ге­лий. Но это явно не соответствовало наблюдаемым фактам, так как основным компонентом звездообразования выступает не гелий, а водород.

Модель горячего начала. Ее предложил русско-американский физик Г. Гамов с сотрудниками. В сверхгорячем веществе имеется много энергичных фотонов, они разбивают дейтерий, образуемый при слиянии нейтрона и протона, что в самом начале обрывает це­почку реакций, ведущих к синтезу гелия. При расширении Вселен­ная охлаждается до температуры, меньшей миллиарда градусов, здесь некоторое количество дейтерия сохраняется и приводит к синтезу гелия. Распространенность гелия в дозвездном веществе получалась около 30% по массе, что совпадало с эмпирическими данными. Гипотеза горячей Вселенной предсказывала важный факт – существование в настоящее время реликтового (лат. relictum – остаток) электромагнитного излучения, оставшегося от пе­риода, близкого к эпохе Планка. У этого поля температура должна оставаться около 5° шкалы Кельвина и оно должно быть представ­лено радиоволнами с длиной волны в сантиметровом и миллимет­ровом диапазонах.

Факт реликтового радиоизлучения в пользу горячей модели. Он был открыт непреднаме­ренно в 1965 г. американскими инженерами Пензиасом и Вилсоном. Температура излучения составила около 3° шкалы Кельвина и оно шло из всех участков космоса. В одном кубическом метре кос­мического пространства содержится около миллиарда фотонов ре­ликтового излучения, что намного превышает распространенность обычного вещества. Общая плотность энергии в 30 раз больше, чем плотность энергии в излучении звезд, радиогалактик и других ис­точников вместе взятых. Реликтовое излучение, несомненно, су­ществовало с самого начала расширения Вселенной и оно убеди­тельно свидетельствовало в пользу горячей модели. В первые мгновенья расширения «вещество» было однородным, сверхплотным и сверхгорячим. Ученые предполагают, что в столь необычном состоянии происходили фазовые превращения и струк­тура пространства была распавшейся или «пенистой». В конце эпо­хи Планка температура была около 10³² К.

Эра великого объединения и адронов.Предполагается, что существовавшие тогда сверхтяжелые час­тицы (бозоны) с понижением температуры стали образовывать адроны (кварки и лептоны).

Лептонная эра.Примерно через микросекунду вещество стало состоять только из легких частиц: протонов, нейтронов, электронов, мезонов, нейтрино и их античастиц, а также фотонов и гравитонов. При 10^-3 с исчезли антипротоны, антинейтроны и мезоны. Основную долю массы физической материи стало составлять излучение, электро­магнитное поле. При столкновении высокоэнергичных фотонов ро­ждались пары электронов и позитронов, они не только аннигили­ровали, но и порождали нейтрино и антинейтрино. По мере расширения температура падала и энергия частиц и ан­тичастиц уменьшалась. Эти частицы стали «вымирать». При 0,3 секунды нейтрино перестали взаимодей­ствовать с остальным веществом и сохраняются до сих пор в виде реликтового нейтринного потока. В силу своих особенностей и ни­зкой энергии обнаружить его пока не удалось.

Плазменная эра.Когда температура упала до миллиарда градусов, стали образо­вываться простейшие сложные ядра – гелий, дейтерий, литий. Синтез легких элементов закончился примерно через 300 секунд после начала расширения. 70% протонов – ядер атомов водорода и 30% ядер атомов гелия – такой химический состав вещества оста­вался неизменным на протяжении миллиарда лет вплоть до обра­зования звезд и галактик. При температуре ниже 5 • 10⁹ К энергия электронно-позитронных пар стала переходить в энергию фотонов и этот процесс составил содержание эры фотонной плазмы, кото­рая длилась почти миллион лет.

Эра протогалактик, протозвезд, звезд и планет.Температура продолжала падать и достигла 4000 К, это случи­лось при t=10¹³ секунд. В этот период ионизированный гелий начал превращаться в нейтральный элемент. Затем протоны стали захватывать электроны, трансформируясь в нейтральный во­дород. После рекомбинации космическая плазма стала нейтраль­ной и прозрачной для реликтового излучения, вещество и излуче­ние разъединились. В таких условиях открылся путь для формиро­вания отдельных небесных тел. Охлаждавшийся газ образовывал облака, из которых возникли протогалактики. Области повышен­ной плотности притягивали дополнительное вещество и их сила тя­готения увеличивалась. Медленное сжатие протогалактик протека­ло под действием самогравитации. Одна за другой сменялись пос­ледовательные стадии фрагментации и, в конце концов, в газовых облаках начался процесс звездообразования.

Сценарии будущей Вселенной.Темп расширения постепенно замедляется в силу взаимного гравитаци­онного притяжения всех образований. Но дальнейший ход зави­сит от значения плотности вещества Вселенной, которое для уче­ных пока является неопределенным (скрытая масса, проблематич­ность массы нейтрино). Если плотность ниже критического значения, то Вселенная будет расширяться очень и очень долго. Со временем звезды либо взорвутся, либо коллапсируют, образуя бе­лые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Галактики также будут постепенно коллапсировать с образованием черных дыр. В ходе квантовых эффектов черные дыры будут очень медленно (де­сятки миллиардов лет) испаряться, оставляя одно излучение. Смесь фотонов, нейтрино, гипотетических гравитонов и небольшого ко­личества электронов будет постепенно деградировать.

Совершенно другой сце­нарий будет реализовываться, если плотность массы – энергии сравняется с критическим значением. Расширение Вселенной пре­кратится, сменится сжатием, и она с ускорением будет коллапси­ровать. Через много миллиардов лет мегамир вернется к сингуляр­ному состоянию. Дальнейшие последствия здесь теоретически не ясны. Существует также модель пульсирующей Вселенной, где пер­венствующая роль попеременно переходит от тяготения к силам расширения. С уточнением значения плотности можно будет сде­лать выбор определенного варианта.

Инфляционные гипотезы рождения мультивселенной. В 1980 г. А. Гус (США) выдвинул сценарий инфляционного этапа. В условиях сверхдавления и сверхтеплоты первичный вакуум пришел в возбужденное состояние «ложного вакуума». В нем стал проявляться эйнштейновский «космологический член» (λ), соответствующий колоссальной силе отталкивания. Когда произошли спонтанные флуктуации в виде фазовых переходов от квантовой «пены» к «пузырькам» пространства, последние стали стремительно раздуваться: за 10^-35 с. размеры каждого пузырька увеличились в 10⁵⁰ раз. В ходе раздувания энергия псевдовакуума увеличивалась, и за счет этой в каждом пузыре рождалось многообразие элементарных частиц. Так возникло множество вселенных, где наша – одна из многих.

Оригинальное развитие инфляционной космологии придал российско-американский теоретик А. Д. Линде. Свою версию он назвал «хаотической инфляцией». Все обычные поля имеют направленность в виде разности потенциалов, такой векторности нет у скалярных полей. В условиях нормального вакуума колебания скалярного поля имеют маятниковый характер. Что и дает случайное, фоновое и холодное кипение квантовой пены. Когда вакуум пришел в возбужденное состояние, то отдельные микрофлуктуации стали превращаться в «пузыри» (увеличенные сферы). Одни из них коллапсировали, другие же под влиянием скалярного поля раздувались до гигантских размеров. Рождение частиц вело к быстрому разогреву и разделению на четыре типа полей. Так что все галактики и вселенные суть усиленные квантовые флуктуации.

Космологическая модель А. Фридмана и связанные с ней сценарии не могут объяснить две проблемы: 1) теория (ОТО) предсказывает кривизну космического пространства в несколько порядков, фактическая же кривизна близка к нулю (Вселенная плоскостна); 2) достаточно удаленные точки Вселенной не успели провзаимодействовать друг с другом (с = const) и в силу этого у них не может быть общих признаков. Однако наша Вселенная удивительно однородна, изотропна и едина (проблема горизонта). Инфляционная гипотеза имеет способность разрешить эти загадки. Инфляция исключает глобальную кривизну и утверждает плоский характер нашей Вселенной и других вселенных. Так же естественно в ней разрешается и проблема горизонта. Скалярные поля действуют без причинных сил, сохраняя при раздувании все параметры микрофлуктуаций.

Гипотеза А. Линде имеет фактуальные подтверждения. В 2002 г. исследовательские спутники дали спектрограммы, где одни участки неба представлены как холодные, а другие – как горячие. Такую пятнистость теория горячей Вселенной объяснить не может, зато она естественна для инфляционного сценария. Горячие пятна интерпретируются как фотографии раздутых квантовых флуктуаций, которые появились спустя 10^-30с. после сингулярности и существуют до сих пор. Холодные пятна соответствуют сколлапсировавшимся пузырям.

Большая часть космической материи скрыта. В свое время И. Ньютон определял массу тела в виде мер вещества, пропорциональной количеству атомов в объеме тела. Современные физики поняли, что одной теории микромира для объяснения массы недостаточно, нужно привлекать и космологию. В новый союз вступили теория струн и инфляционная космология. Последняя предсказала наличие «темной энергии» и «темной материи». Речь идет о таких формах вакуумного конденсата, которые избежали инфляции и последующего гравитационного сжатия и тем самым сохранили свои эволюционные потенции в законсервированном виде. Хотя «темная энергия» и «темная материя» невидимы, ибо не испускают фотонов, но они вносят мощный вклад в ускорение космического расширения. Современные вычисления с учетом имеющихся фактов дали следующую картину совокупной массы нашей вселенной.

В свою очередь теория струн пытается разгадать секрет темной материи. Здесь исходят из того, что любая масса формируется двумя видами поля Хиггса (W и Z - бозоны). Ключевой частицей темной материи предполагается «легчайший суперпартнер» (ЛСП). Взаимодействия ЛСП и лежат в основе скрытой массы темного вещества. Эксперименты по обнаружению спланированы на каллайдере Швейцарии. Еще более не ясен облик «темной энергии». Предполагается, что она близка к электромагнитному полю, не имеющему векторной направленности в пространстве. Более точно черную энергию можно понять, изучая темпы изменения расширения Вселенной в разные периоды эволюции. Это можно сделать, измеряя красное смещение сигналов от сверхновых звезд, находящихся на разных расстояниях. Данные исследования заложены в российско-американском проекте, предполагающем запуск особой лаборатории в космос (2013-2014 гг.).

Проблемы инфляционной теории. Инфляционная модель предсказывает статическую изотропию реликтового излучения: предпочтительных направлений нет. Но приборы со спутников дают совершенно другую информацию, существуют обширные фрагменты неба, где интенсивность излучения резко снижена. Возможны две гипотезы: 1) существует неучтенный поглотитель реликтового излучения, связанный с Солнечной системой (некое пылевое облако на периферии); 2) теория инфляции зашла в тупик и надо ставить проблему формы и размеров Вселенной. Утешает лишь одно, что только через проблемы развивается наука.

2. Эволюция солнечной системы.

В древности небо считалось неизменным. Господство религии в средние века сохранило это мнение с той лишь разницей, что космос признали одним из продуктов божественного творения. Истоки идеи возникновения Солнца и планет тянутся в XVIII в. Первая гипотеза появилась в 1755 г., И. Кант предположил, что исходное газопылевое облако состояло из части, которые в силу взаимного притяжения стали нагреваться. В 1796 г. Ж. Лаплас математически показал, что вращение туманности и разные скорости центробежного и центростремительного движения могли привести к обособлению раскаленных сгустков материи. Чем сильнее сжималось облако, там быстрее оно вращалось. Наконец центробежные силы отделили фрагменты вещества, из которых образовались планеты, оставшаяся масса стала Солнцем. Современная теория сохранила идею исходного газопылевого облака, но придала ей новый математический вид со сложной интерпретацией. Когда око­ло пяти миллиардов лет родилось Солнце, то оно было окружено обширным облаком пыли из песчинок графита, кремния и смер­зшихся углеводородов. Столкновения этих песчинок образовали камешки диаметром до нескольких сантиметров, рассеянные по гигантскому набору колец вокруг Солнца. Затем камешки объеди­нились в тела типа астероидов, а затем их группы сжались до обра­зования планет. Раскаленный солнечный «ветер» повлиял так, что около дальних планет (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) различные химические элементы встречаются в изобилии, тогда как около внутренних каменистых планет их сравнительно мало.

Английский астроном У. Гершель (1792-1871) обнаружил факты, необъяснимые гипотезой Канта-Лапласа. Два спутника планеты Уран обращаются в направлении, противоположном для всех планет, а плоскость их орбит перпендикулярна плоскости орбиты Урана. Данный фактор инициировал процесс выдвижения других гипотез происхождения Солнечной системы. В 1948 г. советский исследователь О. Ю. Шмидт предложил свою версию. Несколько миллиардов лет назад наше Солнце встретило большую газопылевую туманность и захватило её, заставив вращаться вокруг себя. Усиление гравитации дало слипание частиц в крупные сгустки и их объединение друг с другом. Так образовались планеты, разогрев которых обусловлен сжатием и радиоактивностью. Гипотеза Шмидта не может ответить на ряд вопросов. Для захвата большой туманности у Солнца мала масса. Почему Деймос как спутник в своем вращении обгоняет Марс?

Советский астрофизик В. А. Амбарцумян в 1947 г. разработал свою гипотезу. Пять миллиардов лет назад под влиянием взрыва в звездной ассоциации нашей Галактики возникло массивное сгущение холодной газопылевой материи. Оно стало сжиматься и раскручиваться, соответственно концентрировалась центральная часть, облако сплющивалось и по краям отрывались фрагменты. Сжатие в центре дало давление и температуру для начала термоядерной реакции, что означало рождение Солнца. На его периферии возникли планеты.

Шведский космолог Х. Альвен признал, что несколько миллиардов лет назад солнце имело высокую напряженность электромагнитного поля. Под его действием нейтральные атомы туманности, окружавшей звезду, стали ионизироваться и попадать в магнитную ловушку Солнца. Газовое облако закрепилось и его вращающиеся фрагменты стали планетами. Здесь есть слабое место. Ионизация должна оставить легкие элементы ближе к солнцу, а тяжелые элементы на периферии. Но факты об этом не говорят. Английский ученый Ф. Хойл разработал другую версию. Изначально существовала система «Солнце – туманность», обладавшая общим магнитным полем. Вращение солнца в туманности трансформировало ее в плоский диск. Он увеличивал свое вращение, а Солнце тормозилось. Раскручивание диска вырвало из него большие куски, ставшие планетами. Магнитное поле распределилось между Солнцем и планетами.

В 1996 г. российские астрофизики В. И. Зубов и Н. И. Кожин выдвинули еще одно предположение. Вся эволюция у них предполагает три этапа. На первом произошелвзрыв сверхновой звезды и ударная волна сильно сжала газопылевую туманность. На втором этапе рост гравитации порождает прото-Солнце (ПС) с термоядерным синтезом, а давление сильной ионизации и солнечного ветра оттеснило диффузные куски облака на периферию. Содержанием третьего этапа стала сжатие прото-Солнца до размеров Солнца и образование планет.

Эволюция звезд.Теория эволюции звезд создавалась многими теоретиками, но наибольший вклад внес немецкий физик Г. Бете. Он исходил из того, что для рождения звезды требуется значительное количество гравитационой массы, чтобы действова­ло соответствующее поле тяготения. Водород и гелий, составляю­щие газового облака, начнут сжиматься и соответственно будет повышаться внутренняя температура. Если она достигнет несколь­ких миллионов градусов, то начнутся реакции термоядерного син­теза. В них легкие элементы превращаются в более тяжелые, про­тоны водорода трансформируются в ядра гелия и в альфа-частицы с выделением огромной энергии. Газовое облако становится газо­образной плазмой. Испускание мощного потока излучения под­тверждает, что возникла звезда, и в очень коротком состоянии протозвезды она имеет яркий цвет и большую светимость. Затем звезда обретает устойчивость, переходит на стадию главной после­довательности. Средняя продолжительность жизни звезды сущес­твенно зависит от ее массы: звезды с большой массой живут очень недолго – несколько миллионов лет, маломассивные же звезды светят на протяжении миллиардов лет. В конце своей жизни типич­ная звезда становится красным гигантом (очень массивные звезды превращаются в сверхгигантов), ее цвет меняется, она быстро уве­личивается в размерах и ее светимость возрастает. Характер фи­нала опять же определяется массой звезды.

Первые звезды нашей Вселенной, имеющей возраст 15-20 млрд. лет, образовались из смеси водорода и гелия. Они проходили быст­рую эволюцию, при которой водород превращался в более тяже­лые элементы, включая углерод и кислород. Это вновь образован­ное вещество выбрасывалось в окружающее пространство, подвер­галось локальному сжатию, что приводило к рождению новых звезд, и цикл повторялся.

Биография Солнца. Наше Солнце представляет собой звезду вто­рого или третьего поколения. Согласно гипотезе Клейтона, сжатие, в результате которого образовалось Солнце, было вызвано взры­вом звезды, ускорившим концентрацию межзвездного вещества. Затем уже силы тяготения продолжили сжатие, превращая со­бственную энергию в тепло. За несколько десятков миллионов лет температура внутри облака достигла 10-15 млн. градусов. Термо­ядерные реакции пошли полным ходом, процес сжатия закончил­ся, так родилось Солнце.

Смерть звезды. Время жизни звезды определяется синтезом тя­желых элементов из более легких. Этот процесс имеет необрати­мый характер и он ведет к неизбежному старению звезды. При уве­личении атомного номера элементов, участвующих в термоядерных реакциях, уменьшается выделяемая энергия. С приближени­ем атомного номера к группе железа (Ni, Fe) термоядерной синтез не приносит значительной энергии. Звезда начинает остывать, на­рушается равенство, обеспечивающее ее равновесие, и она стре­мительно сжимается под воздействием гравитации. Иногда такой процесс коллапса (лат. collapsus — ослабевший, упавший) сопровож­дается взрывом сверхновых звезд. Светимость сверхновой в актив­ной фазе превышает светимость целой галактики. В нашей Га­лактике такие фейерверки происходят примерно один раз за 20-30 лет.

Судьба Солнца. Как обычную звезду, Солнце также ожидает со­ответствующий финал. Через 8-10 млрд. лет, когда весь водород центральной части будет исчерпан, Солнце начнет сжиматься, быс­тро нагреваясь до значительной температуры. Тепло, передаваемое при этом внешней оболочке, приведет к ее расширению до гиган­тских размеров. Солнце расширится настолько, что поглотит Мер­курий и будет сжигать свое горючее в сто раз быстрее, чем в насто­ящее время. Оно вступит в стадию «красного гиганта». Когда тем­пература центральной части достигнет 100 млн. градусов, начнет сгорать и гелий, превращаясь в тяжелые элементы. На последней стадии Солнце потеряет внешнюю оболочку, которую унесут с со­бой в пространство раскаленные ветры, и останется в виде цен­трального ядра с очень большой плотностью и размерами, как у Земли. Пройдет еще несколько миллиардов лет, Солнце остынет, превратившись в «белый карлик».

Судьба звезды определяется ее начальной массой. Если масса звезды Ms<3 • 10³³ г (массы Солнца), то в результате коллапса она превращается в белый карлик. Если устанавливается значение 3-10³³ r<Ms<10³⁴ г, то гравитационный коллапс развертывается по следующему сценарию. Когда в центральной области звезды накап­ливается достаточное количество железа, термоядерные реакции прекращаются и начинается коллапс. Вначале постепенно повыша­ется температура и при определенном ее значении протон-элек­тронные пары начинают превращаться в пары нейтрон-нейтрино. Сразу же нейтрино покидают звезду, коллапс ускоряется и темпе­ратура увеличивается до тех пор, пока железо не начнет распадать­ся, поглощая энергию ядра звезды. При нескольких миллиардах градусов все электроны и протоны превратятся в нейтрино и нейтроны. С уходом вовне всех нейтрино центральное ядро за несколько секунд переходит в сильно сжатое состояние, где плот­ность может достигать значений, в десятки триллионов раз превы­шающих плотность воды. В этом состоянии находится нейтронная звезда или пульсар.

Нейтронная звезда или пульсар.При образовании пульсара энергия сжатия будет передаваться внешней оболочке, и когда она нагреется до миллиардов градусов, то отбрасывается вовне большим давлением излучения и потоком нейтрино со скоростью тысячи километров в секунду. Внешний наблюдатель увидел бы почти мгновенное превращение звезды в стремительно расширяющийся ярко светящийся шар (вспышка но­вой звезды). В 1967г. Хьюиш впервые наблюдал пульсар в центре Крабовидной туманности. Этот шар из нейтронной жидкости вра­щается вокруг своей оси со скоростью свыше 30 оборотов в секун­ду. Магнитное поле, которое в триллионы раз больше магнитного поля Земли, увлекается вращением пульсара и, взаимодействуя с околозвездной плазмой, производит различные эффекты. Пульсар подобен вращающейся фаре, излучающей свет со всеми длинами волн, со вспышками света, разделенными одной тридцатой се­кунды.

Черная дыра.В случае Ms>10³⁴г силы отталкивания не могут противостоять гравитационному стягиванию и происходит коллапс. С нарастаю­щей скоростью тело звезды сжимается, превращаясь в малый объ­ект с почти бесконечной массой. Произошло катастрофическое «схлопывание» пространства-времени с образованием почти за­мкнутого мира. Колоссальное гравитационное поле «запирает» со­бственное излучение, и для внешнего наблюдателя объект стано­вится невидимым. У нормальной звезды в ходе термоядерных ре­акций 0,7% массы вещества превращается «масс-энергию» излуче­ния. В черной же дыре эта доля составляет 30-40% и такой сгусток излучения не выходит наружу. Поэтому обнаружение черных дыр остается сложной научной проблемой. (Существование черных дыр предсказал американский физик Р. Оппенгеймер).

Предполагается, что черные дыры могут быть большими и ма­ленькими. Дыры, возникающие в результате коллапса галактик как крупных объединений звезд, в сотни и тысячи раз превосходят раз­меры Солнечной системы. Размеры относительно небольших чер­ных дыр – километры и есть дыры с размерами элементарных час­тиц. Если по объему дыра совпадает с протоном, то весит она в 10⁴⁰ раз больше, чем он (~миллиарды тонн). Для микроскопических чер­ных дыр действуют квантовые закономерности, вызывающие своеобразное «испарение» частиц. Этот процесс запускает кол­лапс, который завершается мощным взрывом.

Черная дыра и элементарная частица есть одно и тоже. Поначалу черные дыры считались объектами исключительно космологии, но 1970-е гг. это убеждение развенчали. Оказалось, что их объяснение невозможно без теории элементарных частиц. Черные дыры характеризуются массой, зарядом и спином, что является типичным набором свойств микрообъектов. Американский космолог Дж. Уиллер как-то заявил: «у черных дыр нет волос». Это означает, что все черные дыры в сути одинаковы и являются гигантскими элементарными частицами. И все же такой вывод является гипотезой. Точное доказательство тождества черной дыры и элементарной частицы дала теория струн. В ней установлено, что трехмерная сфера внутри пространства Калаби-Яу может коллапсировать без катастрофических разрывов, так как обертывающая ее брана служит надежным защитным экраном. В такой эволюции масса дыры может уменьшаться до нуля, что дает безмассовую частицу, подобную фотону.

Черные дыры имеют мизерную температуру и огромный рост энтропии. Превращение черной дыры в элементарную частицу является фазовым переходом, родственным трансформациям воды (жидкость – лед – пар). Черная дыра и микрообъект суть две фазы одной струнной материи. Все зависит от того, как свертываются измерения пространства Калаби-Яу, что можно оценить в терминах энтропии.

Теория струн легко разрешила проблему энтропии. В 1970 г. Я. Бекенштейн выдвинул догадку о том, что черные дыры обладают очень большой энтропией как функцией беспорядка. Он предложил следующий мысленный эксперимент. Если вблизи горизонта событий дыры оказались молекулы и попали вовнутрь, то энтропия окружающей среды уменьшиться и настолько увеличится энтропия самой дыры. Поскольку любые единицы материи вокруг дыры втягиваются в нее, стало быть, у тенденции роста энтропии нет других альтернатив. У Бекенштейна нашлось немало оппонентов. Одни заявляли, что черная дыра – самый упорядоченный объект Вселенной, ибо масса, заряд и спин дают её точную идентификацию. Другой структурности у нее быть не может. Другие ученые утверждали, что энтропия относится к микромиру, а черная дыра есть макрообъект.

В 1974 г. Бекенштейна поддержал Ст. Хокинг. Математическими расчетами он показал, что черные дыры обладают чрезвычайно малой внутренней температурой и, следовательно, обречены на энтропию. Воображение поражают её огромные значения. Если черная дыра имеет три массы Солнца, её энтропия равна единице с 78 нулями. Но если такой объект прост до примитивности, то в чем причина великого беспорядка? Четкий ответ смогла дать только теория струн. В 1996 г. Э. Строминджер и К. Вафа показали, что микроскопическими компонентами дыр являются размерности пространства Калаби-Яу, связанные в наборы бран.

Дыры лучше называть не черными, а серыми. Чернота дыр оказалась сильно преувеличенной. Астрофизики поначалу полагали, что у черной дыры нет никаких выходов, но теоретические соображения и расчеты Хокинга убедили всех в наличии выходящего излучения. Оно является невидимым и подобно тепловому излучению раскаленного камина. Такое «испарение» вполне материально и масса черных дыр со временем уменьшается. Дискуссионным является вопрос о том, сохраняется или исчезает информация затянутых в дыру объектов. Теория струн обещает в меру оптимистическое решение.

Эволюция галактик определяет их форму. Астрономы пытались уста­новить, под действием каких процессов галактики принимают ту или иную форму. В ранних теориях предполагалось, что разные типы галактик представляют собой эволюционную последователь­ность. Считалось, что галактики возникают как объекты одного типа и в ходе эволюции превращаются в объекты другого типа. Но позднее выяснилось, что галактики всех типов имеют примерно одинаковый возраст и при этом эллиптические галактики состоят почти исключительно из старых звезд, а галактики других типов со­держат относительно больше молодых звезд. Форма галактики свя­зана со скоростью образования в ней новых молодых звезд уже после ее рождения. В эллиптических галактиках очень мало звезд возникло после стадии образования галактики и поэтому здесь на­ходится ничтожное количество молодых звезд. В галактиках типа Sa звезды продолжают образовываться до сих пор, но скорость это­го процесса невелика, в галактиках типа Sb темп звездообразова­ния выше, галактики типа Sc очень активны, а наиболее бурно звез­дообразование протекает в галактиках типа Sг. Все определяется тем, сколько газа и пыли сохранила галактика: неправильные га­лактики сберегли большую часть своего газа и своей пыли для ро­ждения новых звезд, эллиптические же галактики израсходовали почти весь свой материал на первую взрывную вспышку звездооб­разования. Таким образом, форму галактики определяют ее масса, момент вращения и характер членства в скоплении галактик.

Скопления галактик и сверхскопления.Галактики обычно объединены в группы. Некоторые, вроде Млечного пути (куда входит наше Солнце), принадлежат к неболь­шим организациям, другие являются членами огромных скоплений, содержащих многие десятки тысяч галактик. Достоверной теории их происхождения еще нет. Предполагается, что сверхскопления возникли из флуктуации про­странственной кривизны с возмущениями плотности вещества и излучения.

Космическая сеть: узлы и пустоты. В 1981г. была открыта огромная область пространства разме­ром со сверхскопление, почти лишенная отдельных галактик и их скоплений. Астрономы назвали ее пустой. Сейчас известно еще не­сколько пустот, крупнейшая из которых имеет размер 2 миллиарда на 1 миллиард световых лет. Вместе с этими открытиями пришло понимание того, что галактики образуют сеть с большими пустота­ми в промежутках между ними. Эта картина весьма созвучна иде­ям Демокрита, учившего о единстве атомов и пустоты. Напрашива­ется и другая параллель. Древние греки представляли космос в виде огромного храма. Современная наука пришла к этой же картине – Вселенная похожа на здание: вещество расположено в каркасе из стен, полов и потолков, но именно пустое пространство комнат де­лает здание домом.

Активные ядра галактик.Начиная с 1949 г., астрономы стали активно изучать галактики в качестве радиоисточников, их оказалось немного (около 1%), Ис­следования показали, что в центре радиогалактики находится объ­ект небольших размеров (меньше 1/10 светового года в поперечни­ке), испускающий в сильном магнитном поле в двух противополож­ных направлениях струи релятивистских электронов очень большой энергии. Такие необычные источники стали называть актив­ными ядрами галактик (АЯГ). Для объяснения огромного расхода энергии в АЯГ требовалось найти какое-то «горючее». Предполага­ется, что подходящим источником выступает поглощение одной га­лактики другою. Если относительно небольшая галактика слишком близко приблизится к гигантской галактике, то газ, пыль и звезды первой будут оторваны от ядра и смешаются с внешними частями второй. Этот материал в дальнейшем попадает в АЯГ, представляю­щее собой сверхмассивный объект типа черной дыры. Ее мощное гравитационное поле втягивает в себя газ, пыль и другие объекты, но перед тем как исчезнуть в дыре, этот высокоэнергетический ма­териал выбрасывает потоки электронов. Они и дают наблюдаемую радиокартину.

Квазары. В 1960 г. была обнаружена «звезда», испускающая огромное ко­личество энергии в радиодиапазоне. Этот факт был необычен, ибо типичными радиоисточниками считались газовые облака, остатки сверхновых и галактики, но отнюдь не звезды. Кроме того, спектр излучения указывал на химические элементы, не встречающиеся на звездах. «Квазизвездные радиоисточники» стали сокращенно называть квазарами, так как их было открыто более 3000. Спек­тральная загадка была разгадана уже в 1961 г. В спектрах содержались очень сильные красные смещения, вы­зываемые эффектом Доплера, но причина самого эффекта была непонятна своей неопределенностью. Это могло быть удаление ква­заров от нас с непостижимой скоростью порядка 150000 км/с. Со­гласно другой гипотезе, сильное гравитационное поле также спо­собно увеличивать длину волны света. Но обнаружились такие большие красные смещения, что от простой гравитационной моде­ли пришлось отказаться. Проблемный характер усилил факт пере­менности блеска квазара, светимость некоторых из них может ме­няться в 100 раз и весьма быстро – на протяжении одного дня. Од­нако объяснения требовал главный факт: как может объект разме­ром в Солнечную систему излучать света в 100 раз больше, чем га­лактика из сотен миллиардов звезд?

К 1983 г. было окончательно установлено, что квазары являются активными ядрами галактик, преимущественно двойных или пере­сеченных спиральных галактик. Была построена гипотетическая модель, подобная модели АЯГ. Центром квазара выступает черная дыра с массой около 100 миллионов масс Солнца. Она окружена несколькими горячими газовыми облаками и несколькими облас­тями холодного газа. По всему совокупному облаку разбросаны облака пыли, движущиеся с высокими скоростями. Во всем этом, в условиях сильного магнитного поля движутся частицы высоких энергий, испускающие радио- и особенно мощное рентгеновское излучение. Черная дыра окружена вращающимся диском, выража­ющим форму падения газа и пыли в дыру. Диск обеспечивает теп­ловую энергию для излучения света, создает магнитные вспышки, параллельные струи электронов. Частицы газа высокой энергии образуют плазму, объясняющую рентгеновское излучение. Горя­чий газ за пределами диска дает в спектре квазара эллипсоидные линии, холодный газ периферии – линии поглощения.

Истоки жизни.

Осмысление проблемы происхождения жизни имеет длительную историю. Ее начальная форма представ­лена древними мифами (образ «древа жизни»). С развитием миро­воззренческой культуры тематика зарождения жизни перешла в религию и философию. С возникновением науки разнообразие взглядов на историю жизни не только увеличилось, но и приобрело качественно иной характер.

Концепция вечной жизни.Некоторые фило­софы и ученые (В. И. Вернадский и другие) полагают, что жизнь на Земле не возникала, она существовала всегда. Можно говорить только о различных изменениях форм жизни. В качестве аргумен­тов фигурируют два положения: а) совершенствование методов измерения геологического времени дает все более высокие оценки возраста Земли (от 6 тысяч лет до 5 миллиардов лет); 6) отсутствие экспериментов, подтверждающих зарождение жизни. Принцип «живое от живого» возводится здесь в мировоззренческую идею, объединяющую разных мыслителей. Это и виталисты с их при­знанием некоей жизненной, нематериальной силы и космист К. Э. Циолковский с его «вечно живыми атомами».

Религиозный креационизм: жизнь сотворена Богом. В древних религиях, где признавалось мно­жество богов, выделялся бог, ответственный за начало жизни. С появлением мировых религий причиной жизни становится единый Бог. Согласно иудейско-христианским представлениям мир и все живые организмы сотворены за два дня из шести дней творения (Библия). Креационизм (лат. creatio – создание) означает здесь то, что Бог как сверхъестествен­ное существо чудесным образом из ничего сотворил все живое. Такой акт требует со стороны человека религиозной веры.

Идея влияния внеземной цивилизации и космического разума.Представители ненауки нередко признают некую сверхцивилизацию, существующую во Вселенной и выступающую в роли своеобразного космического эксперимен­татора, который и занес жизнь на Землю. Из-за отсутствия серьез­ных аргументов здесь нет нужды в комментировании.

Наукообразная версия. И все же отдельные ученые делают по­пытки придать данному подходу научный характер. По мнению индийского астронома Ч. Викрамасингхе, жизнь на Земле возникла от общегалактической живой системы, где естественным путем родился разум, значительно превосходящий наш. Этот разум со­творил земную жизнь и выступает движущей силой ее эволюции, добавляя информационные гены из космоса в земные генетичес­кие системы. Таким образом, эволюция видов управляется вселен­ским разумом. Показательно то, что вариант космической жизни – разума в сути своей мало чем отличается от религиозной версии. И здесь, и там мировозренческий постулат никак не обусловлен какими-то факта­ми. Вера в любой форме недосягаема для рациональной критики.

Идея панспермии.В этой догадке жизнь также име­ет внеземное происхождение, но в качестве ее представителя призна­ются относительно низкие формы жизни. Идея панспермии (греч. pan – весь, sperma – семя) предполагает, что земная жизнь не яв­ляется единственной формой, ибо жизнь в виде некоторых «семян» широко распространена во Вселенной. Некоторые ученые XIX в. (Св. Аррениус и др.) разделяли данное учение.

Критика скептиков. Главный контраргумент сводился к тому, что космос губителен для всех проявлений жизни. Предположим, что в какой-то далекой галактике существует жизнь. Но как из таких удаленных мест семена жизни могут добраться до Земли? Если допустить их перемещение на кометах и метеоритах, то холод и космическая радиация все это погубит.

Семена на метеоритах. Но оказалось, что в рассуждениях американских ученых Д. Уормфлэша и Б. Вейса аргументация скептиков теряет свою критическую силу. Более тридцати метеоритов на Земле имеет марсианское происхождение. В начале 1980-х гг. американские исследователи об­наружили на Антарктиде осколок породы, выбитый когда-то с по­верхности Марса крупным метеоритом. Под электронным микрос­копом в толще камня обнаружены окаменевшие останки микроор­ганизмов, похожих на земные бактерии. Анализ на масс-спектро­метре также показал присутствие сложных углеводов. Стало быть, примитивная жизнь на Марсе существовала и, может быть, сущес­твует до сих пор. Кроме того, марсоходы передали информацию о том, что в прошлом на Марсе бушевали водные потоки и были формы жизни. Когда микроорганизмы попали на метеорит, то внутри его они нашли спасение от солнечного ультрафиолета. При прохождении земной атмосферы тепловой нагрев внутри метеорита не достигает 100 ⁰ С. Передача эстафеты жизни с Марса на Землю вполне вероятна.

Американские астрономы, изучая газо­вую туманность, отстоящую от Земли на 25 тысяч световых лет, выделили спектр, присущий аминокислотам и другим органическим веществам. В материале некоторых метеоритов были обнаружены опреде­ленные «предшественники живого» – цианогены, синильная кис­лота и органические соединения. Но скептики настаивали на доводе о том, что при очень низкой температуре космической среды и жес­тких излучениях любые формы жизни погибнут. Это положение решил опровергнуть голландский ученый М. Гринберг, считавший, что на нашу планету жизнь занесли кометы, в газовых хвостах ко­торых зародились клетки. В лаборатории он попытался воспроиз­вести основные кометные условия. Частички метана, окиси угле­рода и воды Гринберг довел до температуры минус 269° Цельсия, подверг ультрафиолетовому облучению. В результате возникли сложные органические соединения. Хотя некоторые видные совре­менные ученые (Ф. Крик) признают «направленную пан­спермию», большинство биологов скептически относятся к идее «космического посева».

Самопроизвольное зарождение жизни.В древних мифах все пред­ставлялось одушевленным и, стало быть, живым. Эту традицию пе­реосмыслили первые натурфилософы, когда стало формироваться мнение о различии живого и неживого. Они полагали, что из пер­воэлементов-стихий (вода, огонь, земля, воздух) возникли растения и животные. Указывались и некоторые промежуточные вещества – ил, тина и т. п. Аристотель подчеркнул непрерывность и посте­пенность перехода от неживого к живому («лестница существ»).

Самозарождение в опытах не наблюдается. В XVII в. итальянец Ф. Реди на простых опытах показал невозможность самозарождения. Он сформулировал вывод о том, что все живое возникает только от живого (мухи→личинки→черви). На основе изучения бактерий французский микробиолог Л. Пастер в 1860г. обосновал вывод Реди и сделал его универсальным.

Гипотеза биохимической эволюции.Самозарождение произошло очень давно. Эта догадка является научным варантом развития идеи самозарождения жизни. Выводы Реди и Пастера признаются здесь справедливыми, но только для современных условий на Земле. Если возраст Земли составляет примерно 5 млрд. лет, то в далеком прошлом все было не так как теперь. И тут некоторые ученые полагают, что в какой-то древний период истории Земли при особых условиях химическая эволюция перешла в биологическую ветвь эволюции. Вся суть проблемы сконцентрировалась в промежуточном звене между двумя эволю­ционными линиями.

Гипотетические версии. Все возникшие гипотезы предполага­ют две идеи: а) промежуточным звеном был доклеточный предок в виде молекулярной системы с исходным генетическим кодом («генобиоз»); б) искомой единицей выступила протоклеточная струк­тура со способностью к элементарному обмену веществ при содей­ствии некоторых ферментов («голобиоз»; греч. holos – весь). Вто­рая идея получила конкретизирующее развитие в трудах отечес­твенного биолога А. И. Опарина (1894-1980).

Протоклеточное образование.В 1923 г. А.И. Опарин выдвинул следующую гипотезу. Атмосфера первичной земли содержала воду, аммиак, двуокись углерода и метан. Отсутствие кислорода способствовало созданию органических веществ (это подтверждают опыты). Энер­гию для синтеза органических углеводородов давала высокая ультрафиоле­товая радиация Солнца (озонового слоя еще не было). В океанах стали постепенно накапливаться органические вещества с образо­ванием «первичного бульона» как источника жизни.

Для проверки этой концепции в 1953 г. С. Миллер провел опыты, где синтезировал ряд аминокис­лот, аденин, рибозу. После этого Орджел в сходных эксперимен­тах получил простые нуклеиновые кислоты.

Бульон нагревается вулканом. К представлению Опарина о «пер­вичном бульоне» близка гипотеза немецкого исследователя Г. Вехтерсхойзера о том, что источником жизни стали подводные вулка­ны. В их кратерах есть минералы из соединений железа и серы, обладающие свойствами катализатора. Микробиолог О. Стеттлер на батискафе обследовал один из таких вулканов и обнаружил на километровых глубинах, больших давлениях и температуре более 300° Цельсия растения и животных.

Роль коацервации. В теории Опарина в эволюционном пути к организмам решающую роль играют белки. Они притягивают к себе молекулы воды и создают вокруг них оболочку. Слияние та­ких комплексов дает коацервацию (лат. coacervus – сгусток, куча), т. е. отделение коллоидных гелей от водной среды. Коацерваты об­разовали ферменты, дальше шло формирование липидной оболоч­ки и примитивной клетки.

Серьезные проблемы. В этом сценарии перехода от сложных ор­ганических веществ к простым живым организмам существует много белых пятен. Так, здесь нет даже намека на возможное объ­яснение того, как возникла способность к самовоспроизведению. Но, несмотря на это, рассмотренная гипотеза остается одной из са­мых перспективных направлений биологической науки.

Современные версии коацервации. Бельгийский биохимик М. Флоркин (1900-1979) конкретизировал концепцию Опарина идеей становления жизни через эволюцию химических сетей. Случайное варьирование разных реакционных путей вело к их усложнению и канализированию. В 1997 г. А. В. Олескин, И. В. Ботвинко и Т. А. Кировская вполне убедительно признали доклеточным предшественником игру малых молекул: полиметаллов (Fe²⁺, Zn²⁺, Al³⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Mg²⁺), соединения серы, фосфора, азота и аминокислоты. Функция наследственной передачи признаков первоначально зависела от «неорганических генов» – матриц для синтеза молекул, построенных на основе алюминосиликатов глины. Сложился следующий сценарий. Дождевые капли, пронизанные ультрафиолетом Солнца, поглощали частицы соединений металлов и неметаллов в ходе пыльных бурь. Их поверхность оказалась достаточной для фотоиндуцированного гетерогенного катализа и последующего синтеза сложных молекул. С дождевыми потоками эти капли поступали в океан, где жизнь дозревала по опаринскому сценарию.

Современные биохимики конкретизируют детали возможного процесса коацервации. Капли, вобравшие в себя соединения металлов и неметаллов, провзаимодействовали с парафинами в составе океана. Формировались липиды – маслянистые вещества – одни молекулы которых притягивали воду, а другие ее отталкивали. Из капелек формировались двухслойные пленки, а они образовывали замкнутые липидные пузырьки, окруженные мембраной. Последние стали осуществлять отбор нужных фосфатных молекул, пузырьки же приобрели способность преобразовывать солнечную энергию в энергию электричества. Далее пузырьки усвоили соединения азота, развернули ферментный катализ и сформировали упрощенный вариант белкового синтеза. Протоклетка стала полноценной клеткой.

Г. Меллер (США) предположил, что вначале возникли нуклеиновые кислоты как матричная основа синтеза белков. В начале 1980-х гг. была установлена способность РНК к саморепродукции в отсутствие белковых ферментов. Древняя РНК совмещала в себе черты генотипа и фенотипа, т.е. была подвержена как генетическим преобразованиям, так и естественному отбору. Процесс эволюции шел от РНК к белку, а затем к молекулам ДНК.

Биолог Л. Маргулис (США) обратила внимание на чрезвычайную активность бактерий. Каждый день они выбрасывают до 15 % своих генов и поддерживают в биосфере свою глобальную обменную сеть. Вполне возможно, что и на заре жизни они внесли важный вклад. За счет обмена генами в первые два млрд. лет бактерии заложили прокариотную основу биосферы. Затем они создали эукариотов путем особого симбиоза (греч. symbiosis – совместная жизнь). Длительное пребывание бактерий в составе крупных клеток преобразовало последние в ядерные структуры. Бактерии стали ядерными органеллами и началась эра эукариотов.

Учение Вернадского о биосфере.Идею биосферы высказал французский ученый Ж. Б. Ламарк (1744 -1829).Данный термин ввел в научный оборот в 1875 г. австрийский палеонтолог Э. Зюсс. Современный и развернутый смысл понятия «биосфера» (греч. bios - жизнь, sphaira - шар) разрабо­тал русский ученый В. И. Вернадский (1863—1945). В 1919 г. он вы­сказал основную идею живого вещества, а в 1926 г. дал детальное учение.

Развитие материи к живому веществу и его эволюция. Самый низший уровень земной материи – это «косное вещество», состоящее из разнообразия неживых тел: минералов, горных пород, воды и воздуха. Здесь господствуют обратимые циклические обращения. «Биокосное вещество» демонстрирует различные сочетания косного и живого: почву, нижнюю часть атмосферы и верхний слой воды. Самую высокую сложность являет «живое вещество», состоящее из микроорганизмов, растений и животных. Оно совершенствуется в ходе необратимой эволюции таксонов. Если в косных телах медленно течет геологическое время, то в живых чрезвычайно быстро пульсирует историческое время. За одну секунду геологического времени проходит сто тыс. лет исторического времени. Вот почему можно считать, что жизнь существует практически вечно.

Биосфера – это система жизни в земле, воде и воздухе. У жизни есть свое микропространство, обладающее асимметрией: белки поляризуют свет вправо, а нуклеиновые кислоты – влево (Л. Пастер, 1862). Своими геохимическими функциями (энергетическая, концентра­ционная, деструктивная, средообразующая, транспортная) биос­фера сформировала атмосферу, гидросферу, литосферу и геосфе­ру. Таково большое пространство жизни. Пищевые и обменные связи между ее элементами дали биосфере силу сформировать его. Они составили функциональную основу закона кон­центрации энергии в живом веществе. Благодаря ему биосфера обрела планетарное единство, став динамически устойчивым «мо­нолитом жизни».

Био­сфера - это оболочка нашей планеты, где живое взаимодействует с преобразованной косной природой. Жизнь сосредоточена в трех областях: а) аэробиосфере (жизнь в воздухе); б) гидробиосфере (жизнь в открытой воде); в) литобиосфере (жизнь внутри земной тверди). Фитосфера как наиболее продуктивный слой на суше вместе с фотосферой (освещенные слои гидросферы) образуют активную пленку жизни. Также густо населен нижний слой аэро­биосферы высотой до 50 метров от земной поверхности. По мере возвышения мощное дыхание жизни постепенно угасает и прекра­щается на высоте после 33 км. В гидротермах дна океана на глубинах в 3 км и давлении около 300 атмосфер обнаружены организмы, живущие при 250°С. Вода тут не кипит из-за высокого давления. В ходе бурения дна Атлантического океана английские ученые на глуби­не четырех километров в грунте обнаружили неизвестные бакте­рии. Жизнь существует и в глубинах земной тверди, особенно в подземных водах (пещерные водоемы, пластовые воды). В жизни подземных животных и бактерий нет сезонных ритмов, они актив­ны круглогодично.

Биосфера существует как открытая система. На ее входе имеет­ся космическое излучение со значительной энергией, а также кос­мическое вещество. На выходе биосферы наблюдаются осадочные биогенные породы и уходящие в космос газы.

Важным космическим условием жизни стало оптимальное положение планеты Земля по отношению к Солнцу. Если бы наша планета была бы к нему значительно ближе, то чрезмерное тепло не дало бы жизни никаких шансов. Более далекое расположение обусловило бы холод, также губительный для жизни. Кроме того, наклон земной оси к плоскости орбиты оптимален и устойчив, что дает постоянство климата на планете. У Марса ось вращения непрерывно меняется и температура на поверхности колеблется от – 60 ⁰ до + 50 ⁰ С. Для Земли стабилизатором оси выступает Луна. Основным внешним энергетичес­ким источником эволюции биосферы было и остается солнечное излучение. На ранней стадии оно обусловило окисление минераль­ных веществ, а затем и фотосинтез. С появлением травоядных, хищников и разлагающих организмов сформировался устойчивый вещественно-энергетический цикл. Продуктивность жизни резко возросла и объем биомассы стал стремительно увеличиваться. В росте разнообразия жизни важную роль сыграло не только геогра­фическое расселение видов, но и климатические катаклизмы. Так, периодические отклонения Солнечной системы от плоскости Га­лактики под влиянием звезды Немезиды ведут к активным геоло­гическим процессам, существенно обновляющим характер биоге­оценозов. Какая-то мощная космическая катастрофа 65 млн. лет назад привела к гибели до 80% видов жизни. Но на месте исчезнув­ших гигантских рептилий быстро появились млекопитающиеся, давшие современный животный мир. Таким образом, биосфера не раз демонстрировала свою устойчивость по отношению к космическим ударам.

Жизнь осуществляет циклические потоки атомов в биосфере. Биосфера производит биогеохимические токи атомов: круговороты кислорода, водорода, азота, углерода, воды и углекислого газа. Составляя 0,01 долю всей биосферы, жизнь стала мощной геохимической силой. Вместе с тем, такая активность стабилизирована. Вернадский сформулировал закон – для данного геологического периода количество живого вещества биосферы постоянно. Если в одном месте Земли количество видов убавляется, то в другом месте – прибавляется. Предельная совокупность жизни образовалась за 60 млн. лет. В пос­ледующие 50 млн. лет число видов не увеличивалось. Все это гово­рит о том, что хотя ресурсы биосферы огромны, все же они конеч­ны и исчерпаемы.

Эволюция биогеоценозов.Данную теорию в 1940 г. разработал российский ботаник В. Н. Сукачев как дополнение и развитие концепции биосферы. Биогеоценоз представляет собой един­ство биоценоза как совокупности популяций, проживающих в одной эконише из косной среды. Под послед­ней подразумевается вещество, физические поля и энергия. В зависимости от их пе­реработки и усвоения выделяются три типа биообразований: про­дуценты (лат. producens – производящий) – первичный уровень жизни, непосредственно перерабатывающий косную материю (водоросли, растения, микроорганизмы); консументы – вторич­ный уровень, где вещество и энергия получаются за счет исполь­зования продуцентов (растительноядные животные); редуцен­ты (лат. reducere – отодвигать назад) как третичный уровень, представители которого живут за счет консументов (паразиты, хищники).

Через данные три уровня проходит круговорот вещества, т.е. при прямом и непосредственном участии жизни идет использова­ние, переработка и восстановление вещественных структур. Ста­ло быть, осуществляется биогенная миграция атомов. Что касается энергии, то с одного уровня иерархии на другой, более высокий уровень переходит около 10% энергии, поступившей на предыду­щий уровень. Обратный поток не превышает 0,5%. Отсюда ясно, что круговорота энергии в биогеоценозе не существует, имеется однонаправленный энергетический поток.

За рубежом популярна гипотеза Геи как единого суперорганизма с развитым гомеостазом. По сути дела её можно оценить в качества слабого варианта концепции биосферы Вернадского.