2. Солнечная система

Солнечная система состоит из Солнца, планет и их спутников, множества астероидов и их осколков, комет и межпланетной среды.

Вот уже два века проблема происхождения Солнечной системы волнует выдающихся мыслителей нашей планеты. Этой проблемой занимались, начиная от философа Канта и математика Лапласа, плеяда астрономов и физиков XIX и XX столетий.

И все же мы до сих пор довольно далеки от решения этой проблемы. Но за последние три десятилетия прояснился вопрос о путях эволюции звезд. И хотя детали рождения звезды из газово-пылевой туманности еще далеко не ясны, мы теперь четко представляем, что с ней происходит на протяжении миллиардов лет дальнейшей эволюции.

Переходя к изложению различных космогонических гипотез, сменявших одна другую на протяжении двух последних столетий, начнем с гипотезы великого немецкого философа Канта и теории, которую спустя несколько десятилетий независимо предложил французский математик Лаплас. Предпосылки к созданию этих теорий выдержали испытание временем.

Точки зрения Канта и Лапласа в ряде важных вопросов резко отличались. Кант исходил из эволюционного развития холодной пылевой туманности, в ходе которого сперва возникло центральное массивное тело - будущее Солнце, а потом планеты, в то время как Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей с высокой скоростью вращения. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, туманность, вследствие закона сохранения момента количества движения, вращалась все быстрее и быстрее. Из-за больших центробежных сил от него последовательно отделялись кольца. Потом они конденсировались, образуя планеты.

Таким образом, согласно гипотезе Лапласа, планеты образовались раньше Солнца. Однако, несмотря на различия, общей важной особенностью является представление, что Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. Поэтому и принято называть эту концепцию гипотезой Канта-Лапласа.

Однако эта теория сталкивается с трудностью. Наша Солнечная система, состоящая из девяти планет разных размеров и масс, обладает особенностью: необычное распределение момента количества движения между центральным телом - Солнцем и планетами.

Момент количества движения есть одна из важнейших характеристик всякой изолированной от внешнего мира механической системы. Именно как такую систему можно рассмотреть Солнце и окружающие его планеты. Момент количества движения можно определить как запас вращения системы. Это вращение складывается из орбитального движения планет и вращения вокруг осей Солнца и планет.

Львиная доля момента количества движения Солнечной системы сосредоточена в орбитальном движении планет-гигантов Юпитера и Сатурна.

С точки зрения гипотезы Лапласа, это совершенно непонятно. В эпоху, когда от первоначальной, быстро вращающейся туманности отделилось кольцо, слои туманности, из которых потом сконденсировалось Солнце, имели (на единицу массы) примерно такой же момент, как вещество отделившегося кольца (так как угловые скорости кольца и оставшихся частей были примерно одинаковы), так как масса последнего была значительно меньше основной туманности, то полный момент количества движения кольца должен быть много меньше, чем у «протосолнца». В гипотезе Лапласа отсутствует какой-либо механизм передачи момента от «протосолнца» к кольцу. Поэтому в течение всей дальнейшей эволюции момент количества движения «протосолнца», а затем и Солнца должен быть много больше, чем у колец и образовавшихся из них планет. Но этот вывод противоречит с фактическим распределением количества движения между Солнцем и планетами.

Для гипотезы Лапласа эта трудность оказалась непреодолимой.

Остановимся на гипотезе Джинса, получившей распространение в первой трети текущего столетия. Она полностью противоположна гипотезе Канта-Лапласа. Если последняя рисует образование планетарных систем как единственный закономерный процесс эволюции от простого к сложному, то в гипотезе Джинса образование таких систем есть дело случая.

Исходная материя, из которой потом образовались планеты, была выброшена из Солнца (которое к тому времени было уже достаточно <старым> и похожим на нынешнее) при случайном прохождении вблизи него некоторой звезды. Это прохождение был настолько близким, что его можно рассматривать практически как столкновение. Благодаря приливным силам со стороны налетевшей на Солнце звезды, из поверхностных слоев Солнца выброшена струя газа. Эта струя останется в сфере притяжения Солнца и после того, как звезда уйдет от Солнца. Потом струя сконденсируется и даст начало планетам.

Если бы гипотеза Джинса была правильной, число планетарных систем, образовавшихся за десять миллиардов лет ее эволюции, можно было пересчитать по пальцам. Но планетарных систем фактически много, следовательно, эта гипотеза несостоятельна. И ниоткуда не следует, что выброшенная из Солнца струя горячего газа может сконденсироваться в планеты. Таким образом, космологическая гипотеза Джинса оказалась несостоятельной.

Выдающийся советский ученый О. Ю. Шмидт в 1944 году предложил свою теорию происхождения Солнечной системы: наша планета образовалась из вещества, захваченного из газово-пылевой туманности, через которую некогда проходило Солнце, уже тогда имевшее почти современный вид. При этом никаких трудностей с вращением момента планет не возникало, так как первоначально момент вещества облака может быть сколь угодно большим. Начиная с 1961 года эту гипотезу развивал английский космогонист Литтлтон, который внес в нее существенные улучшения. По обеим гипотезам почти современное Солнце сталкивается с более или менее рыхлым космическим объектом, захватывая части его вещества. Тем самым образование планет связывается с процессом звездообразования.

Вещество, из которого сложены тела Солнечной системы, можно условно разделить на три группы. Во-первых, это горные породы, состоящие из различных минералов, которые нам хорошо известны на Земле. Современные знания позволяют прогнозировать характер глубинных пород, из которых состоят земные недра. Анализ доступного в настоящее время внеземного вещества показал его общее подобие веществу земному по химическому и минералогическому составу. Основными минералообразующими элементами во всех случаях являются кремний, железо, алюминий, магний и титан в окисленном состоянии, то есть при значительном включении кислорода в химические соединения. Средняя температура плавления этих материалов достигает около 2000 К. Условно эту группу можно назвать «земным веществом».

Углерод, азот, кислород и в меньшем количестве водород, входящий в некоторые химические соединения, составляют распространенную группу планетных летучих веществ. В виде газов эти элементы образуют атмосферы отдельных планет или крупных спутников. Но чаще летучие компоненты вещества Солнечной системы существуют при температурах ниже 273 К в твердом состоянии, то есть в виде льда. Поэтому эту группу назовем условно «льдами».

Наконец, такие газы, как водород и гелий, наиболее обильно встречающиеся на Солнце, с небольшими примесями неона, аргона и некоторых других элементов отнесем к группе «солнечного вещества». Температура кипения подобной смеси составляет около 15 К.

Наблюдаемое в настоящее время распределение химического состава с учетом характерных значений критических температур позволяет сделать заключение о первоначальном распределении в протопланетном околосолнечном облаке, которое определяло условия формирования различных тел Солнечной системы.

Для первых сотен миллионов лет в истории Солнечной системы решающим фактором формирования планет и спутников была астероидная и кометная бомбардировка. Достаточно сказать, что современное «лежачее» положение Урана, ось вращения которого наклонена к эклиптике на 980, по-видимому, является результатом столкновения с достаточно крупным телом.

В этот период на Земле и других планетах земного типа формировалась первичная кора. В настоящее время на нашей планете не сохранилось каких-либо следов той эпохи. Вместе с тем, на малых телах, остановившихся на ранних стадиях своего развития, можно обнаружить хорошо отождествляемые признаки первичной коры, которые, например, наблюдаются на Луне, Меркурии и, частично, на Марсе.

Следы наиболее ранних процессов планетной эволюции, протекавших более 4,0 млрд. лет назад, проявляются в древних формах рельефа на Меркурии, Луне и Марсе. По современным представлениям механизм переноса тепла в недрах Луны, Меркурия и Марса в основном происходил в виде конвекции. Наглядным примером является многофазное формирование лунной коры, при котором более поздние слои выплавлялись из мантии в виде глобальных лавовых потоков, перекрывая уже существовавшие формы рельефа. При весьма близком внешнем сходстве Луны и Меркурия (сильно кратерированная поверхность, лавовые поля и т.п.), должно существовать принципиальное отличие в глобальных процессах, поскольку установлено, что по внутреннему строению Меркурий отличается от Луны огромным ядром. Радиус ядра Меркурия составляет около 75% от радиуса планеты, что соответствует 42% объема (у Луны ядро занимает только 4% объема). В сочетании с высокой средней плотностью Меркурия (5,3 г/см³) это отличие пока ждет своего объяснения.

Некоторые геологические структуры на Марсе носят очевидные признаки длительного конвективного кругооборота в недрах планеты. Из трех небольших по размерам тел земной группы Марс обладал наиболее длительным периодом глобальной эндогенной (внутренней) активности. Если подобные процессы на Меркурии и Луне прекратились на рубеже 3,0 - 2,5 млрд. лет назад, на Марсе они продолжались еще около одного миллиарда лет.

Современная поверхность Венеры имеет очень молодой возраст - всего лишь несколько сотен миллионов лет. Следы более древних формаций практически не сохранились (95% этих образований уничтожены поздними наслоениями). Современный процесс потери эндогенного тепла на Венере, по-видимому, подобен лунному, то есть происходит с использованием теплопроводности пород мантии и коры. Но природа более раннего механизма этих процессов остается неизвестной. Возраст поверхности Венеры ближе всего к возрасту земной поверхности. Однако, обладая иной тепловой историей Венера сформировала принципиально другую среду - значительно отличающийся от земного химический состав атмосферы, высокие значения давления и температуры у поверхности.

Процессы формирования вторичной планетной коры можно проследить по их следам на Луне, где вторичная кора образовалась в результате плавления пород верхней и средней мантии. Несмотря на то, что по объему вторичная кора на Луне составляет лишь 1% от общего объема современной лунной коры, эта структура хорошо выражена в глобальных формах рельефа.

Возвышенные плато на Марсе по своим размерам близки к земным континентам и возвышаются на 4 - 6 км над средним уровнем (средним радиусом) планеты. Если бы на Марсе существовала гидросфера подобная океанам Земли, эти области оказались бы выше уровня моря, превратившись в материки. Поскольку появление возвышенных плато на Марсе является следствием длительного конвективного кругооборота в его недрах, не исключено, что этот же процесс мог развиваться и в недрах Земли на определенной стадии ее развития.

О процессах формирования третичной планетной коры, которой является континентальная кора Земли, дают понятия некоторые структуры рельефа, существующие на Венере. Остается пока неизвестным, как возникла на Земле «тектоника плит», существующая в настоящее время. Согласно этой концепции твердая оболочка планетного тела представляется как система взаимодействующих между собой отдельных жестких плит. Именно на границах плит наиболее часто происходят события, относящиеся к сейсмической, тектонической и вулканической активности. На той части Меркурия, которая известна в настоящее время, присутствуют признаки некоторого глобального тектонического процесса. Дальнейшее изучение покажет, насколько идентичными могут оказаться тектонические процессы, отразившиеся в застывших формах Меркурия, и явления глобальной тектоники, имевшие место в геологической истории Земли.

3. Эволюционная теория Дарвина

Прежде чем мы начнем рассматривать эволюционную теорию Дарвина, необходимо дать три ключевых понятия в рассматриваемом вопросе. Это понятия вида, популяции, мутации.

Вид – это совокупность особей, сходных по строению, имеющих общее происхождение, свободно скрещивающихся между собой.

Популяция – это совокупность особей одного вида, населяющая некоторую территорию, частично или полностью изолированная от других популяций.

Мутация – это внезапно возникшее естественное или искусственное изменение наследственных структур, ответственных за хранение генетической информации и ее передачу.

Создание теории эволюции Чарлза Дарвина (1809-1882) было подготовлено достижениями естествознания того периода и высоким уровнем развития капитализма. Англия первой половины XIX в, была страной развитой промышленности, сельского хозяйства и крупнейшей колониальной державой. Она вела оживленную торговлю со многими странами мира, в связи с чем возрастал спрос на сырье и стимулировалось развитие методов интенсивного растениеводства и животноводства. Достигла расцвета селекция - наука о выведении новых и улучшении существовавших сортов растений и пород животных. Главным методом селекции в то время был отбор и сохранение к разведению лучших сортов растений или пород животных.

Селекционеры Англии создали ценные сорта пшеницы и других зерновых, картофеля, плодовых, декоративных растений, ряд пород крупного и мелкого рогатого скота, свиней, собак, кроликов, голубей, домашней птицы. Однако их работа не имела теоретического обоснования. Для изучения неисследованных стран в поисках источников сырья, новых рынков сбыта товаров английское правительство организует специальные экспедиции, в которых принимают участие и ученые. В одной из них совершил кругосветное путешествие в качестве натуралиста молодой Ч. Дарвин. Он собрал богатый фактический материал, послуживший источником при разработке теории эволюции.

Важнейшими научными предпосылками теории Дарвина были также теория Ч. Лайеля о постепенных изменениях поверхности Земли под действием природных сил, успехи палеонтологии, сравнительной эмбриологии и систематики. Важное значение в утверждении принципа развития живой природы имела клеточная теория (1839), которая убедительно показала единство строения растений и животных[3].

Наблюдения Дарвина позволили задуваться над причинами сходства и различий между видами. Главная его находка, обнаруженная в геологических отложениях Южной Америки, - это скелеты, вымерших гигантских неполнозубых, очень сходных с современными броненосцами и ленивцами. Еще большее впечатление произвело на Дарвина изучение видового состава животных на Галапагосских островах.

На этих вулканических островах недавнего происхождения Дарвин обнаружил близкие виды вьюрков, сходные с материковым видом, но приспособившиеся к разным источникам питания - твердым семенам насекомым, нектару цветков растений. Дарвин сделал вывод: птицы попали на остров с материка и изменились вследствие приспособления к новым условиям обитания. Таким образом, Дарвин ставит вопрос о роли условий среды в видообразовании. Аналогичную картину Дарвин наблюдал и у берегов Африки Животные, обитающие на островах Зеленого мыса, несмотря на некоторое сходство о материковыми видами, все же отличаются от них существенными чертами. С позиции сотворения видов Дарвин не мог объяснить я особенности развития и описанного им грызуна туко-туко, живущего в норах под землей и рождающего зрячих детенышей, которые затем слепнут. Перечисленные и многие другие факты поколебали веру у Дарвина в сотворение видов. Вернувшись в Англию, он поставил перед собой задачу: разрешить вопрос о происхождении видов[4].

В основе теории Дарвина - свойство организмов повторять в ряду поколений сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом - свойство наследственности.

Наследственность вместе с изменчивостью обеспечивает постоянство и многообразие форм жизни и лежит в основе эволюции живой природы.

Одно из основных понятий своей теории эволюции - понятие «борьба за существование» - Дарвин употреблял для обозначения отношений между организмами, а также отношений между организмами и абиотическими условиями, приводящих к гибели менее приспособленных и выживанию более приспособленных особей.

Понятие «борьба за существование» отражает те факты, что каждый вид производит больше особей, чем их доживает до взрослого состояния, и что каждая особь в течение своей жизнедеятельности вступает в множество отношений с биотическими и абиотическими факторами среды.

Дарвин выделил две основные формы изменчивости:

- определенную изменчивость - способность всех особей одного и того же вида в определенных условиях внешней среды одинаковым образом реагировать на эти условия (климат, почву);

- неопределенную изменчивость, характер которой не соответствует изменениям внешних условий.

В современной терминологии неопределенная изменчивость называется мутацией.

Мутация - неопределенная изменчивость в отличие от определенной носит наследственный характер. По Дарвину, незначительные изменения в первом поколении усиливаются в последующих. Дарвин подчеркивал, что решающую роль в эволюции играет именно неопределенная изменчивость. Она связана обычно с вредными и нейтральными мутациями, но возможны и такие мутации, которые оказываюся перспективными.

Неизбежным результатом борьбы за существование и наследственной изменчивости организмов, по Дарвину, является процесс выживания и воспроизведения организмов, наиболее приспособленных к условиям среды, и гибели в ходе эволюции неприспособленных - естественный отбор.

Тезис о естественном отборе наряду с принципами борьбы за существование, наследственности и изменчивости - основа дарвиновской теории эволюции[5].

Согласно Дарвину, механизмом, с помощью которого из предшествующих видов возникают новые виды, служит естественный отбор. Эта гипотеза (или теория) основана на трех наблюдениях и двух выводах.

Наблюдение 1: Особи, входящие в состав популяции, обладают большим репродуктивным потенциалом.

Наблюдение 2: Число особей в каждой данной популяции примерно постоянно.

Вывод 1: Многим особям не удается выжить и оставить потомство. В популяции происходит «борьба за существование».

Наблюдение 3: Во всех популяциях существует изменчивость.

Вывод 2: В «борьбе за существование» те особи, признаки которых наилучшим образом приспособлены к условиям существования, обладают «репродуктивным преимуществом» и производят больше потомков, чем менее приспособленные особи[6].

Итак, согласно эволюционной теории Дарвина в природе имеет место постоянная борьба за существование (межвидовая, внутривидовая, борьба с неблагоприятными условиями среды), в результате чего происходит естественный отбор, т.е. выживание наиболее приспособленных.