CC BY
195
Общество, культура, наука образование ф
Современные проблемы науки
Урусов
Вадим Сергеевич,
академик РАН, доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой кристаллографии и кристаллохимии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, заведующий лабораторией кристаллохимии ГЕОХИ им. В.И. Вернадского РАН, научный руководитель лаборатории кристаллохимии Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН, член Комиссии по разработке научного наследия академика В.И. Вернадского при Президиуме РАН
* Окончание. Начало: И/Я. - 2009. - № 1. -С. 60-88.
** Нумерация рисунков сквозная по статье, начиная с первой части.
Симметрия-диссимметрия в эволюции мира*
В статье рассказывается о проявлениях симметрии и ее непременного антипода диссимметрии в развитии Вселенной и планеты Земля от Большого взрыва до возникновения и развития жизни на Земле. В первой части статьи были введены основные понятия учения о симметрии-диссимметрии, обсуждаются законы сохранения и симметрии, принцип минимальной диссимметризации, раскрывается роль диссимметрии в эволюции Вселенной. Отдельное внимание было уделено стреле времени, «неравноправию» положительных и отрицательных чисел как следствию стрелы времени, энтропии и необратимости времени, флуктуации и диссипа-тивным структурам. Во второй части статьи описывается история Земли как необратимый процесс эволюции и диссимметризации - от минерального до живого вещества.
История Земли как необратимый процесс эволюции и диссимметризации
Сгустки материи во Вселенной - туманности, звезды, планеты т. п. - являются продуктами гигантских флуктуаций и длинной цепи бифуркаций, в которых самоорганизованное развитие сопровождается непрерывным понижением энтропии за счет выброса избыточной энергии и энтропии в окружающее пространство. Таким образом, планета Земля «живет за счет отрицательной энтропии», точно так же, как это делает любой живой организм и живое вещество в целом (см. выше).
Крупномасштабной иллюстрацией этого процесса в истории нашей Земли может служить дифференциация исходно более или менее однородного вещества на самых ранних этапах его аккреции из протопланетного облака на оболочки - ядро, мантию, земную кору, гидросферу и атмосферу (рис. 12)**.
Урусов Вадим Сергеевич
Этот процесс продолжается и поныне, о чем непрерывно свидетельствуют такие явления, как глобальные изменения климата, вулканические извержения, землетрясения, накопление новых слоев осадков, перемещения границ океанов и суши и многое другое. Все эти события требуют в конечном счете огромного расхода энергии, запасенной в недрах Земли (главным образом за счет гравитационной энергии и радиоактивного распада), и выноса ее сначала на поверхность, в жидкую и газовую оболочки Земли с их биосферой, а затем в окружающее пространство. Заметим здесь, что на таких планетах, как наши ближайшие соседи Луна и Марс, подобные процессы давно прекратились, и их «эволюционный порыв» исчерпан, т. е. обмен энергией и веществом с Космосом практически закончен, и цепочка бифуркаций остановлена в точке наибольшего возможного понижения симметрии. Потока тепла от Солнца и более далекого Космоса хватает только на процессы гипергенной эрозии самой верхней и очень тонкой «пленки», покрывающей открытую поверхность этих планет. Поэтому едва ли возможно рассчитывать на существование какой-либо жизни на современном Марсе, даже если она когда-либо там и зарождалась.
Что же касается Земли, то свидетельств ее развития в сторону непрерывного понижения симметрии достаточно на любом уровне ее познания и в любой науке о Земле и жизни. В глобальном масштабе это переход от симметрии однородной вращающейся сферы да/да к симметрии вращающегося цилиндра да/ш* (см. рис. 4) и затем нескольких вложенных друг в друга цилиндров (точнее, эллипсоидов вращения), заполненных различным по плотности и составу веществом. Движение вещества в каждой из оболочек (например, конвекция в жидком внешнем ядре или в мантии) более или менее независимо друг от друга, и поэтому общая (суммарная, или «суперпозиционная») симметрия Земли существенно ниже симметрии вращающегося эллипсоида, но при этом сохраняет высокую степень псевдосимметрии.
Геология создала довольно полную историю образования современного облика верхней оболочки - земной коры - за последние 3 млрд лет. Следы присутствия жидкой воды на Земле около 4 млрд лет назад допускают возможность зарождения примитивной жизни в столь давние времена1. Сейчас имеется много аргументов в пользу того, что практически все важные для появления жизни органические молекулы, такие, как АТР (аденозинтрифосфат) и РНК (рубинуклеиновая кислота), могли появиться в химических реакциях из простых предшественников (цианистого водорода, формальдегида и т. п.) в первичных атмосфере и гидросфере Земли. Такие взаимодействия, приводившие к упорядочению строения и усложнению функций, понижению симметрии и появлению низкоэнтропийных продуктов, требовали одновременного осуществления сопряженных реакций с опережающим производством энтропии2.
Рис. 12. Оболочечное строение земного шара
Ось симметрии бесконечного порядка да направлена по оси вращения Земли, а поперечная плоскость симметрии т (псевдосимметрии) совпадает с экваториальной плоскостью.
1
Федонкин М.А. Две летописи жизни: опыт сопоставления. (Палеобиология и геномика о ранних этапах эволюции биосферы)// Проблемы геологии и минералогии. - Сыктывкар: Геопринт, 2006. - С. 331-350.
2
Галимов Э.М. Феномен жизни. Между равновесием и нелинейностью: происхождение и принципы эволюции. - М.: УРСС, 2001.
Вернадский В.И. Философские мысли натуралиста. - М.: Наука, 1988.
4 Вернадский недооценивал масштабы преобразования минерального вещества: «...при таком резком отличии живого от косного эволюционный процесс не имеет места среди минералов и вообще косных тел нашей Земли... биогенные минералы являются единственным проявлением эволюции в минералогии». См: Вернадский В.И. Философские мысли натуралиста. - М.: Наука, 1988. - С. 286, 287.
5
Шубников А.В. О равноправии положительных и отрицательных чисел // Вопросы философии. - 1966. -Т. 20, вып. 6. - С. 55-58.
Появление и развитие жизни изменило весь ход геологической истории верхних оболочек Земли, особенно с момента образования кислородной атмосферы в результате фотосинтеза, которым овладели растения. В этом процессе они используют солнечный свет, который приносит энергию в виде фотонов видимого спектра. Переизлучается эта энергия в виде «радиационного тепла», которое эффективно выносит энтропию в окружающее пространство. Этот постоянно действующий механизм обеспечивает потребности живого вещества в поступлении энергии и оттоке энтропии. Данные палеонтологии и современной биологии ярко рисуют картину непрерывной эволюции организмов от простейших ко все более и более сложным. На вершине этой пирамиды стоит разумное существо - человек, научная и производственная деятельность которого превратилась в мощную геологическую силу3.
Диссимметризация минерального вещества в процессе эволюции
Существенно, что, несмотря на внешние отличия, история минерального вещества Земли в целом следует по тому же пути постепенного усложнения, дифференциации и дис-симметризации, как это неоспоримо устанавливается для живого вещества4. Это становится очевидным, если сопоставить минеральный мир окружающего нашу планету Космоса и ее собственный минеральный мир. Действительно, число различных минеральных видов, обнаруженных в метеоритах разного типа и на поверхности Луны, - не более 150, тогда как число минеральных видов, открытых на Земле, приближается к 4000. Таким образом, если исходным веществом для образование планет земной группы и Луны служило вещество метеоритов, то разнообразие минеральных видов Луны, рано закончившей свою эволюцию, изменилось незначительно, в то время как на Земле произошло (и происходит) весьма существенное увеличение разнообразия минеральных видов, т. е. осуществилась гораздо более глубокая дифференциация одного и того же (или близкого) по химическому составу вещества. Тем не менее число минеральных видов остается намного (по крайней мере на два порядка) меньшим, чем число возможных и уже полученных в лаборатории химических соединений. Это является следствием действия ряда факторов, осуществляющих отбор наиболее стабильных в каждой конкретной обстановке сочетаний атомов химических элементов, который автор5 предложил называть «естественным отбором» минеральных видов.
Урусов Вадим Сергеевич
Таблица 1
Распределение важнейших, распространенных и редких минеральных видов по сингониям (в % от общего числа мв) и их индексы симметричности и и Is
Выборка мв Трикл. Мон. Ромб. Тетр. Триг. Гекс. Куб. и Is
Важнейшие (200 мв) 5 25 25 9 18* 18 0,82 0,48
Распростр. (644 мв) 5,0 31,5 25,0 7,0 9,8 6,2 15,0 0,61 0,44
Редкие (3314 мв) 9,7 33,4 21,2 8,0 8,5 10,5 8,6 0,55 0,40
Все мв (3958 мв) 8,9 33,1 21,8 7,8 8,7 9,8 9,6 0,56 0,35
*Сумма гексагональных и тригональных мв.
В свете рассмотренного выше следует ожидать постепенного понижения симметрии в процессе эволюции твердого вещества Земли. Факты подтверждают это с полной определенностью. Таблица 1 содержит данные о средней симметричности важнейших, распространенных и редких минеральных видов. Можно видеть, что индекс симметричности, определенный как отношение числа минеральных видов высшей и средней категорий симметрии к минеральным видам низшей категории симметрии, существенно уменьшается при переходе от первой группы к последней, составляющей более 80% всех минеральных видов6. Эти данные свидетельствуют о том, что увеличение разнообразия минерального вещества (роста дифференциации химического состава) приводит к заметному уменьшению средней симметричности. Это направление развития соответствует одновременному понижению энтропии твердой составляющей, что сопровождается мощным выбросом энтропии в жидкую (гидросферу) и газовую (атмосферу) оболочки Земли, а затем и в окружающий космос.
На рис. 13 показано изменение индекса симметричности минеральных видов от вещества ближнего Космоса (метеоритов и Луны) к Земле и от ядра Земли к ее верхней твердой оболочке - земной коре7. Очевидно, что уменьшение симметричности сопровождает как процесс «созревания» земного вещества по сравнению с исходным космическим материалом, так и переход от глубин к поверхности Земли. На рис. 14 из статьи Н.П. Юшкина8 видно, что, несмотря на значительно меньшее разнообразие, биоминералы, образующиеся в результате жизнедеятельности организмов, имеют столь же низкую среднюю симметрию, как и минералы литосферы.
6
Урусов В.С. Принцип минимума диссимметри-зации и его нарушение редкими новыми минералами // Докл. АН. -2002. - Т.386, №3. -С. 379-383.
7 Урусов В.С. Новые уроки симметрийной статистики минеральных видов // Проблемы геологии и минералогии. Сыктывкар: Геопринт, 2006. С. 19-30.;
Урусов В.С. Симметрий-ная статистика минералов и эволюционная диссимметризация минерального вещества // Зап. Рос. минералогического об-ва. - 2006. - Ч. 135, №6. - С. 2-20.
8
Юшкин Ф.П. Новые биогеологические прорывы // Смирновский сборник - 2005. - М., 2005.- С. 55-68.
Индекс симметричности в
Важнейшие J200 МВ) \ Рапространенный ^.(650 МВ)
Редкие -(3300 МВ)
Все МВ (4000 МВ)
Ядро (1МВ)
Индекс симметричности I
Нижняя мантия (10 МВ)
.Средняя мантия (20-30 МВ)
Верхняя мантия> (50-100 МВ)
Земная кора (>3000 МВ)
Рис. 13. Уменьшение
1 симметричности с увели-
-- 0,8 чением распространен-
-- 0,6 ности минеральных видов
(слева)и при переходе
0,4 от ядра Земли до земной
0,2 0 коры (справа)
1
0
Н
100%
Рис. 14. Соотношения минеральных видов высших (В), средних (С) и низших (Н) видов симметрии в глобальных геоминеральных системах
9
Вернадский В.И. Философские мысли натуралиста. - М.: Наука, 1988. - С. 265, 284.
10
Там же. - С. 261.
11
Леммлейн Г.Г. О числе левых и правых кристаллов кварца в каком-либо одном месторождении// Тр. БИОГЕЛ. - 1939. -Вып. 5. - С. 225-237.; Леммлейн Г.Г. Относительное число правых и левых кристаллов кварца // Зап. Минералогического об-ва. -1944. - Ч. 73, вып. 2-3. -С. 94-100.
Правизна-левизна в минеральном веществе
В.И. Вернадский в своих трудах и заметках, посвященных проблеме пространства - времени, неоднократно обращался к мысли о принципиальном различии свойств пространтсва -времени живого и неживого (косного) веществ. Он основывал свою точку зрения на признании того факта, что симметрия правого и левого нарушается только жизнью, но нет фактов ее нарушения в неживой природе. Он писал, в частности, в 1938 г.: «В симметрии живых организмов чрезвычайно резко выражены пра-визна и левизна, которые для кристаллов являются частным случаем... Между симметрией косного вещества нашей биосферы и симметрией живого вещества существует резкое различие, без всяких переходов и исключений...» 9.
В связи с этими фактами Вернадский заключал: «Логически правильным выводом из принципа Пастера-Кюри является принцип: Omne vivum e vivo». Этот принцип («все живое происходит только от живого»), который был назван им в 1924 г. принципом Реди, ведет к представлению о вечности жизни. «Организмы размножаются поколениями, благодаря чему все их тела как бы обособлены от окружающей их природы, абиогенеза нет, т. е. получение их от косной природы иным путем не наблюдается». Каким именно путем возникла жизнь на Земле, например, возможен ли ее перенос на Землю из Космоса метеоритами или под действием светового давления (панспермия Ю. Либиха, Г. Гельмгольца, лорда Кельвина, С. Аррениуса), этот вопрос Вернадский по существу оставлял без ответа, указывая лишь на отсутствие фактов абиогенеза. Он отвергал как ошибочное объяснение Пастера открытой им диссимметрии молекул живого вещества тем, что «жизнь началась на нашей планете в один из прошлых периодов геологической истории, когда Солнечная система проходила через левое космическое пространство», хотя признавал «гениальной интуицией идею Пастера о связи этого явления с геометрическим пространством живых организмов»10.
Размышления Вернадского об особом геометрическом пространстве, в котором существует жизнь, оказали большое
Рис. 15. обычная (а), правая (б)и левая (в) формы кристалла кварца
Урусов Вадим Сергеевич
влияние на современную ему научную мысль, правда, в основном в нашей стране. В частности, в его биогеохимической лаборатории Г.Г. Леммлейн11 проделал тщательные измерения частоты встречаемости правых и левых разновидностей одного из наиболее распространенных минералов - кварца (рис. 15).
Он сделал вывод о равенстве этих частот, т. е. о полном паритете правизны-левизны в минеральном мире, хотя его численные результаты свидетельствовали о некотором небольшом преобладании левых разновидностей кварца (50,87_0,69%). Эти наблюдения Вернадский использовал как подтверждение своей точки зрения, что «число образующихся... правых и левых многогранников при кристаллизации (в отсутствие в ее среде живых организмов) одинаково»12.
Однако спустя несколько лет, уже после смерти Вернадского, тщательный статистический анализ13 показал, что эмпирические данные Леммлейна и некоторых других исследователей достоверно показывают, что частота встречаемости левых разновидностей кварца примерно на 1% больше, чем правых. Этот же вывод следует из сводки, приведенной в известном минералогическом справочнике14, табл. 2.
Таблица 2 Относительная распространенность правого и левого кварца (См.: Дэна Дж., Дэна Э.С., Фрондель К. Система минералогии. Т.3. Минералы кремнезема - М.: Мир, 1966)
Количество изученных кристаллов Левый, % Правый, % Район
4442 50,05 49,95 Бразилия
2415 50,68 49,32 Бразилия
Колумбия
1811 50,6 49,4 Швейцария
6404 50,61 49,39 СССР
298 (несдвойникованные) 50,7 49,3 США
Аляска
383 (дофинейские двойники) 50,1 49,9 США
Аляска
214 (несдвойникованные) 52,3 47,7 Австрия
840 (дофинейские двойники) 50,7 49,3 Австрия
Всего 16807 50,5 49,5
Хотя данные этой таблицы указывают, что распространенность левых кварцев на 0,5% больше, чем правых, авторы сводки делают осторожный вывод, что «число правых и левых разновидностей (почти) одинаково».
Возможно ли в принципе небольшое, но заметное, нарушение симметрии правое-левое в веществах неорганического
11
Леммлейн Г.Г. О числе левых и правых кристаллов кварца в каком-либо одном месторождении// Тр. БИОГЕЛ. - 1939. - Вып. 5. - С. 225-237.; Леммлейн Г.Г. Относительное число правых и левых кристаллов кварца // Зап. Минералогического об-ва. -1944. - Ч. 73, вып. 2-3. -С. 94-100.
12
Вернадский В.И. Философские мысли натуралиста. - М.: Наука, 1988. - С. 261.
13 Вистелиус А.Б. О распространенности энантиомофных типов кварца // Зап. Мин. общ. - 1950. - Ч. 79. Вып. 3. - С. 191-195.
14
Дэна Дж., Дэна Э.С., Фрондель К. Система минералогии. Т. 3; Минералы кремнезема. -М.: Мир, 1966.
15
Вульф Ю.В. Избранные работы по кристаллофизике и кристаллографии. - М.; Л.: Изд. техн.-теор. лит., 1952.
происхождения, например в кварце? Ясно, что никаких внутренних причин для появления такого феномена нет, поскольку кристаллические структуры правого и левого кварцев отличаются только направлением вращения винтовой оси третьего порядка, соответственно влево (31) или вправо (32) на угол 120°. Во всем остальном химические и физические свойства обеих модификаций совершенно тождественны. Поэтому искать причины возможной диссимметризации кристаллов кварца можно только в процессах его кристаллизации под влиянием некоторых специфических черт симметрии маточной среды.
Обратимся к давно известным фактам поведения кристаллизационной среды вокруг растущего кристалла. Еще в своей докторской диссертации в 1895 г. Ю.В. Вульф наблюдал и фотографировал восходящие концентрационные токи вокруг растущего кристалла15. Если кристаллизация протекает достаточно быстро, то диффузия не успевает выровнять концентрации в окружающем кристалл растворе, и он может стать настолько легким, что под действием силы тяжести начинает подниматься вверх, а на его место притекает новая порция более концентрированного раствора. Это действие может усиливаться тем, что процесс кристаллизации обычно сопровождается выделением тепла, и относительно более теплый раствор вокруг кристалла стремится вверх благодаря меньшему удельному весу. Теперь нам остается внести в эту картину следующий штрих: если кристалл вращается относительно раствора, то в силу принципа суперпозиции симметрии может возникать предпочтительный рост тех граней кристалла, которые более интенсивно обтекаются концентрационными потоками. В случае энантиоморф-ных кристаллических форм этот эффект может повысить относительную вероятность роста одной из двух возможных форм.
Теперь нужно представить себе, какие внешние факторы могут вызвать относительное вращение растущего кристалла и обтекающих его концентрационных токов. Используем для понимания происхождения этого возможного феномена аналогию с движением водных потоков в поле силы тяжести и вращения Земли вокруг своей оси. Согласно известному закону Бэра, реки, текущие в меридиональном направлении, подмывают в Северном полушарии правый берег, а в Южном полушарии -левый. Это происходит благодаря инерционной силе Корио-лиса, которая действует против вращения Земли и старается вернуть водный поток в направлении его движения в сторону понижения рельефа (рис. 16).
Рис. 16. Схемы, поясняющие природу закона Бэра: а - подмывание одного из берегов рек северного полушария. В южном полушарии реки ведут себя противоположным образом; б - уточнение, принадлежащие А. Эйнштейну
Урусов Вадим Сергеевич
Гораздо менее известна одна из работ А. Эйнштейна16, посвященная более детальному рассмотрению природы закона Бэра. Это исследование позволяет более глубоко понять причины того, что тот берег, который подмывается, становится обычно более крутым и высоким. Эйнштейн учел тот простой факт, что из-за сил трения скорость водного потока всегда больше в его середине, чем у дна и берегов. В результате сложения силы Кориолиса и скоростей воды возникает вращение потока вокруг его средней, более быстрой струи (см. рис. 16). Именно это вращение и играет роль своеобразного «ротора», который вгрызается в берег, эродирует его и выносит породу, создавая крутизну подмываемого берега и образуя диссимметрию ложа реки.
Во время интенсивного роста кристалла обтекающие его концентрационные токи имеют подобное же распределение скоростей: наиболее обедненные части маточной среды оказываются ближе к кристаллу и движутся вверх быстрее, тогда как более далекие слои меньше отличаются по концентрации растворенного вещества от среднего состава и поэтому поднимаются медленнее (рис. 17).
Теперь достаточно наложить на это движение силы инерции, которые могут быть связаны с тем же вращением Земли, чтобы заставить вращаться наоборот.
В опытах по росту кристаллов Ю.В. Вульф часто использовал установки с горизонтально вращающимся кристаллизатором (или кристаллом) для исключения влияния на форму кристаллов односторонне вертикально направленной (с симметрией покоящегося конуса да т) силы тяжести, определяющей соответствующую ориенгацию концентрационных токов. Он считал, что «только кристаллы, выросшие во вращающихся сосудах, обнаруживают форму, зависящую исключительно: 1) от внутренних сил кристалла и 2) от сил взаимодействия кристалла и его маточного раствора»17. Действительно, в результате суперпозиции симметрии обеих сил среда кристаллизации становится асимметричной и перестает навязывать какую-либо симметрию растущему кристаллу.
Если же ось вращения совпадает (или приблизительно совпадает) с направлением силы тяжести, то суммарная симметрия среды становится симметрией вращающегося влево да^ или вправо <хгл конуса. Если, кроме того, допустить, что собственная левая или правая винтовая ось некоторого энан-тиоморфного кристалла (32 или 31, 43 или 41, 65 или 61, 64 или 62) направлена вдоль оси вращения бесконечного порядка, то принцип суперпозиции симметрии требует выбора только одного из двух возможных направлений винтовой оси, оставляя предпочтительной кристаллизацию лишь одной из двух возможных энантиоморфных модификаций кристалла. Даже малого воздействия этого направленного возмущения на
16
Эйнштейн А. Причины образования извилин в руслах рек и так называемый закон Бэра // А. Эйнштейн. Мир и физика. М.: Тайдекс Ко, 2003. -С. 273-276. (Die Ursache der Maanderbildung der Flusslaufe und des sogenannten Baerschen Gesetzes. Naturwiss. 1926. Bd. 14. S. 223-224).
17 Вульф Ю.В. Избранные работы по кристаллофизике и кристаллографии. - М.; Л.: Изд.
.-теор.
, 1952.
Рис. 17. Сверху - концентрационное поле растущего кристалла, снизу - область интенсивного перемешивания концентрационных токов
18 Леммлейн Г.Г. Наблюдения над скрученными кварцами // Изв. АН СССР. Отд. математики и естественных наук. -1937. - С. 937-964.
движение концентрационных токов достаточно, если это воздействие продолжается длительное время.
Сказанное относится в полной мере к кристаллизации не только из водных сред, но и из более вязкого расплава, который подогревается снизу и имеет градиент температуры, направленный вдоль силы тяжести, по вертикали, т. е. подчиняется симметрии юш неподвижного конуса. Сама жидкость остается неподвижной, действует только теплопроводность. Когда разность температур между нижней и верхней границей расплава достигает некоторой критической величины, тепловой поток сменяется тепловой конвекцией. В результате появляются шестиугольные, типа пчелиных сот, ячейки Бенара (рис. 18), в которых горячая жидкость поднимается вверх по центру ячеек, в то время как более холодная опускается вниз вдоль стенок ячеек.
Рис. 18. Слева - градиент концентрации растворенного вещества вокруг кристалла в зависимости от скорости роста, справа - ячейки Бенара вокруг кристаллов в расплаве
Если теперь к этому типу спонтанно самоорганизованного кругового движения добавить постоянно действующее вращение контейнера (стенок емкости, контактов магмы с вмещающими породами и т. п.) относительно его содержимого, то система в целом снова приобретает симметрию вращающегося влево югл или вправо конуса. В случае длительного действия такой внешней силы возможно некоторое предпочтительное зарождение и дальнейший рост одной из энантиоморфных форм кристаллов кварца, кристаллизующихся и расплава.
Имеется много наблюдений, которые свидетельствуют о роли вращения растущих кристаллов относительно природных сред кристаллизации. В частности, существуют своеобразные скрученные кристаллы, например, скрученные кристаллы кварца (рис. 19), которые отчетливо указывают на то, что относительное вращение кристалла и концентрационных токов действительно может иметь место. В кристаллах нормального габитуса, вытянутых вдоль главной оси третьего порядка, скручивание обычно происходит вокруг этой оси. В правом кристалле (с левой винтовой осью 32) скручивание происходит влево (против часовой стрелки), а в левом (с правой винтовой осью 31) -вправо (по часовой стрелке)18. Если относительное вращение кристалла и среды имеет некоторое избранное направление, вызванное, например, вращением Земли вокруг своей оси, то одна из энантиоморфных модификаций, например, левая, может действительно оказаться несколько более предпочтитель-
Урусов Вадим Сергеевич
ной в процессе кристаллизации. Во всяком случае, приведенные выше факты и рассуждения оставляют право на существование за такой гипотезой и делают настоятельной новую проверку ее на более достоверном фактическом материале.
Скрученные кристаллы описанного выше типа довольно редки, но более важно то, что подобное вращение винтовых осей симметрии наблюдается в гораздо более распространенных полу- и скрыто-кристаллических формах кремнезема, таких, как халцедоны. Большинство волокон халцедона представляют собой волокна кварца, вытянутые в том же кристаллографическом направлении, что и скрученные кварцы. Волокна халцедона также обычно закручены, причем шаг винта халцедонового волокна измеряется долями мм, а толщина его - несколькими микронами19.
Рис. 19. Кристалл скрученного кварца
19
Там же.
Диссимметрия (гомохиральность) жизни
Со времен великих открытий Пастера, т. е. более 150 лет тому назад, не вызывает сомнения отчетливое предпочтение организмами только одной из энантиоморфных разновидностей органических молекул, составляющих живое вещество, -правых (ё - сахара) или левых (I - белки) - рис. 20.
Рис. 20. Гомохиральность жизни: фрагменты молекул левого белка (I - аланин) и правого сахара (й - рибоза)
].-а.[;ьш11[ О-риГхтеа
Те же вещества, полученные искусственно в химической лаборатории, являются рацемическими смесями, т. е. содержат поровну ё - и I - энантиомеры.
Гомохиральность - одно из наиболее замечательных свойств молекулярного строения живого вещества. Она играет кардинальную роль в процессе воспроизводства жизни. Для правильной пространственной ориентации нуклеиновых оснований (аденина А, гуанина Г, цитозина Ц и тимина Т) в право-закрученной двойной спирали молекулы ДНК, хранилище генетического кода, необходимым условием является, чтобы молекула сахара была представлена во всей цепи одним и тем же энантиомером. При произвольном чередовании ё - и I -Сахаров нуклеиновые основания не смогут образовать так называемые комплементарные пары А-Т и Г-Ц, соединенные друг с другом водородными связями. Кроме того, соответствующие нуклеотиды в двух цепях спирали расположены антипараллель-но. Таким образом, последовательность оснований в одной
20
Schrodinger E. What is life? Cambridge University Press. (Рус. Пер.: Шрендингер Е. Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки. 2-е изд. - Ижевск: Удмуртский ун-т, 1999).
Рис. 21. Ионный насос. Нервный сигнал - перемещение по волокну области с обратным (антисимметричным) распределением зарядов (+ внутри и -снаружи)
21
Эйген М. Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул. - М.: Мир, 1973.
цепи однозначно определяет последовательность оснований в другой (комплементарной) цепи молекулы ДНК.
Одной из наиболее важных и интересных особенностей пространственной организации молекулы ДНК является ее высокая псевдосимметричность. Действительно, двойная спираль подчиняется действию винтовой оси псевдосимметрии, поскольку в каждом новом шаге спирали, захватывающем длину около 34А и 10 нуклеотидов, порядок взаимного расположения пар А-Т и Г-Ц несколько отличается от соседнего шага. Именно по этой причине хромосомную нить Э. Шредингер назвал «апериодическим кристаллом». Он писал: «по сравнению с апериодическими кристаллами они (периодические кристаллы. - В.У.) кажутся несколько элементарными и скучными. Различие в структуре здесь такое же, как между обычными обоями, на которых рисунок повторяется с правильной периодичностью, и шедевром вышивки, который повторяет сложный, последовательный и полный замысла рисунок, начертанный великим мастером»20.
Другой тип диссимметрии живого проявляется на клеточном уровне и относится к неравновесному распределению ионов Na+ и К+ между клетками и внеклеточной средой. Ионный гомеостаз клетки - относительное постоянство внутриклеточных концентраций ионов - обеспечивается работой специфических ферментов - «ионных насосов» (рис. 21).
Они ведут транспорт ионов Na+ из клетки и ионов К+ в клетку, сопровождающий передачу нервного импульса. Поскольку ионный насос осуществляет сопряженный перенос
и К+ в противоположных направлениях, его можно представить в виде двух ионных каналов, натриевого и калиевого, в которых концентрации ионов и профили потенциальной энергии связаны операцией антисимметрии (ионы натрия и калия меняются местами в схеме на рис. 21).
Нарисованная выше схематическая и упрощенная картина указывает на радикальную диссимметризацию молекул живого вещества, резко отличающую его от веществ неорганической природы. Природа такого крутого поворота в симметрии вещества при переводе от косной к живой материи до сих пор до конца не разгадана. Нельзя сказать с уверенностью, возникла ли хиральная диссимметрия в предбиологический (до зарождения жизни) период или некоторые примитивные формы жизни использовали обе ё, - и I - формы, и только последующая эволюция привела к гомохиральности, выбрав ё - сахара и I - аминокислоты. Оба взгляда имеют своих сторонников и противников.
В связи с этим возникает естественный вопрос, как быстро совершился переход к гомохиральности жизни, был ли он результатом случайности (М. Эйген21), или это было следствием чрезвычайно малой, но систематически и длительно повторяющейся хиральной диссимметрии. В этом вопросе также отсутствует согласие из-за отсутствия убедительных эксперимен-
Урусов Вадим Сергеевич
тальных фактов. Однако имеются некоторые теоретические соображения, которые склоняют к мысли, что предбиологический процесс нарушения симметрии может быть вызван небольшим воздействием с пониженной симметрией (слабые электрические силы, спин-поляризованные электроны радиоактивного распада, электромагнитное излучение некоторых звезд с круговой поляризацией). Такое слабое, но постоянное воздействие приводит к тому, что скорости производства или уничтожения одного из энантиомеров становятся больше, чем другого. Например, теоретически показано, что диссимметрия слабых электростатических взаимодействий способна вызвать в одном акте избыточное образование одного из энантиомеров в соотношении 1:1017. Тогда уже через 104-105 лет преобладающим окажется тот энантиомер, образование которого предпочтительно под действием слабых электростатических сил22.
Для объяснения тайны происхождения биологической го-мохиральности предложено много различных сценариев. Однако в контексте нашего анализа общего хода диссимметризации в ходе эволюции Земли как целого* наиболее интересными представляются соображения о связи нарушений симметрии в неорганическом мире Земли, точнее земной коре и Мировом океане как субстратах, на которых развилась жизнь, и в органических молекулах, построивших собственно живое вещество.
Догадки о возможной роли кристаллического вещества земной коры в первичном появления гомохиральности пред-биологических органических веществ высказывались неоднократно24. А.И. Опарин в своей известной книге о происхождении жизни25 высказывал мнение, что на самые простые формы неживой материи может быть распространен дарвиновский принцип отбора и эволюции. Связь между двумя мирами - живого и неживого - может быть установлена при их совместном историческом анализе. В частности, он обращал внимание на то, что, с одной стороны, кристалл рождается, растет и развивается (изменяется) в течение всей своей жизни. С другой стороны, вирусы (молекулы РНК) могут принимать кристаллическую форму и сохранять ее неопределенно долгое время. Вирус размножается за счет метаболизма того живого организма, в котором он паразитирует. В этих отношениях вирусы представляются образованиями, в каком-то смысле промежуточными между неорганическими кристаллами и живыми организмами.
Соглашаясь принципиально с рассуждениями Опарина об отдаленной аналогии между процессами роста кристаллов и размножением организмов, Дж. Бернал в своей книге на ту же тему26 говорил, что «обобщенная кристаллография дает нам ключ к молекулярной биологии».
Стоит заметить, что полуаморфные и скрытокристалли-ческие разновидности кремнезема (халцедоны, опалы и др.) обладают большим сродством к органическим веществам,
22
Пригожин И., Конде-пуди Д. Современная термодинамика: от тепловых двигателей до диссипативных структур. - М.: Мир, 2002.
23
Там же.
Этот анализ вполне вписывается в гипотезу Дж. Лавлока (см.: Schrodinger E. What is life? Cambridge University Press. (Рус. Пер.: Шрен-дингер Е. Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки. 2-е изд. - Ижевск: Удмуртский ун-т, 1999).) о Гее - «живой» Земле, которая рассматривает нашу планету в целом как сложную единую систему, способную к саморегуляции и самоорганизации. Дж. Лавлок признавался (см.: Лавлок Дж. Предыстория Геи // В.И. Вернадский: Pro et contra. СПб.: Рус. Христианский гуманитар. ин-т, 2000. - С. 556-557.), что В.И. Вернадский был его великим предшественником, о трудах которого он ничего не знал в период создания своей гипотезы в 1972 году.
24
Бернал Д. Возникновение жизни. - М.: Мир, 1969.; Опарин А.И. Возникновение и начальное развитие жизни. - М.: Медицина, 1966.
25
Опарин А.И. Возникновение и начальное развитие жизни. - М.: Медицина, 1966.
26 Бернал Д.. Возникновение жизни. - М.: Мир, 1969.
*
Диатомовые водоросли - важнейшие продуценты органического вещества, которые дают почти четверть всей первичной растительной массы.
27
Пенроуз Р. Новый ум короля: о компьютерах, мышлении и законах физики. - М.: УРСС, 2003.
28 Симаков К.В. Очерк истории «переоткрытия времени»//
B.И. Вернадский: Pro et contra. - СПб.: Рус. Христианский гуманитарный ин-т, 2000. -
C. 737-745.
29
Кюри М. Избранные труды. - М.; Л.: Наука, 1966. (Сер. «Классики науки»).
30 Яншина Ф.Т. О происхождении жизни на Земле в трудах
В.И. Вернадского // Вернадский В.И. Живое вещество и биосфера. -М.: Наука, 1994. - С. 647-655.; Яншина Т.Ф. Эволюция взглядов В.И. Вернадского на биосферу и развитие учения о ноосфере. -М.: Наука, 1996.
31
Вернадский В.И. О значении почвенной атмосферы и ее биогенной структуры // Почвоведение. - 1944. -№ 4/5. - С. 137-143.
биологическим тканям и микроорганизмам и легко образуют совместные постройки. Достаточно напомнить о диатомовых водорослях, которые строят свой панцирь из кремнезема*. Подобное свойство синтетических опалов сегодня широко используется в создании композиций этого материала с биологическими образованиями27. Наши микроструктурные исследования плохо раскристаллизованных кремнеземов - гейзеритов, образующихся из современных термальных источников, например, на Камчатке, показывают, что они постоянно содержат в себе значительные количества следов микроорганизмов. Древнейшие пластовые строматолиты (возраст 3,5 млрд лет) имеют биогенную природу и считаются аналогами современных цианобактериальных матов. В более молодых протерозойских породах обычны остатки индивидуальных мумифицированных клеток и замещенных кремнеземом микрофоссилий28.
Попытки осуществить синтез органических веществ с нарушением хиральной симметрии предпринимались неоднократно. Многие из ранних результатов, описанных в книге29, указывают на возможность использовать энантиомеры неорганических кристаллов и минералов, в частности кварца, для частичного разделения рацемических смесей органических молекул. Вот несколько примеров такого синтеза: рацемическая смесь (+) и (-)-форм бутанола-2 разделяется измельченным кварцем, причем левый кварц адсорбирует (+)-форму бутанола активнее, чем (-)-форму; правый кварц адсорбирует оптически активный изоамиловый спирт на 2,3% больше, чем левый кварц; оптически активные цис-формы многих комплексных соединений разделяются на правом и левом кварцах и т. п. Несмотря на то что достигнутые в лаборатории степени разделения энантиомеров обычно невелики и составляют только доли процента, подобных и даже намного меньших эффектов должно быть вполне достаточно природе для того, чтобы запустить свой вековой механизм спонтанного выделения одной из форм энантиомеров и последующего «оживления» (создания специфических функций жизни) органического вещества. Таким образом, нельзя отрицать, что связь между нарушением симметрии правого и левого в неорганической природе, если она существует, и запуском механизма нарушение хиральности первичной жизни вполне допустима.
В связи с упомянутыми ранее высказываниями В.И. Вернадского о принципе Реди и его точке зрения о непреодолимом различии симметрии правизны-левизны в косном и живом мирах следует указать на то, что в последние годы своей жизни он уже не был столь убежден в их верности30. В одной из последних своих работ31 он писал: «В наше время этот вопрос едва ли мог так просто трактоваться, как это было возможно в прошлом столетии, когда вопрос об абиогенезе, казалось, был окончательно решен в отличительном смысле после работ Л. Пастера». А за четыре месяца до смерти
Урусов Вадим Сергеевич
в одном из последних своих писем он сообщал: «Работы И.Г. Холодного... заставили меня переменить мои представления о возможности синтеза живого вещества в природе» (11 сентября 1944 г.)32.
Эволюционная диссимметризация живого вещества
Понижение симметрии в ходе эволюции форм жизни было отмечено впервые, вероятно, еще современником Дарвина биологом и философом Г. Спенсером (1857). Его принцип интеграции требует целесообразного объединения и координации действий разных частей живой системы (клетки, организма, вида, популяции, биоценоза). Степень интеграции есть результат приспособительной эволюции, которая, в частности, отражается в наилучшем сочетании симметрии организма и среды его жизнедеятельности. Действительно, простейшие одноклеточные организмы, свободно подвешенные в водной среде (без направленного влияния силы тяжести) имеют форму сферы (симметрия ю/юш)*, симметрия ползающих существ понижается, и в ней остаются только одна вертикальная и одна горизонтальная плоскости симметрии (шш), растения, рост которых преодолевает действие силы тяжести, имеют симметрию конуса (ю/ш) или ее осевых подгрупп (включая запрещенную в кристаллографии ось пятого порядка), а внешняя морфология рыб, птиц и животных, которые передвигаются в одной из плоскостей этого конуса, сохраняет, в полном соответствии с принципом Кюри, лишь одну вертикальную плоскость симметрии ш (рис. 22).
32
Урусов В.С. Вернадский и «прочность научного факта»// Вопросы истории естествознания и техники. - 2005. -Вып. 2. - С. 134-146.
В древнейшем мире микроскопических одноклеточных объектов по мере уменьшения возраста вмещающих пород увеличивается размер клетки, растет ее морфологическая сложность и таксономическое разнообразие, что служит свидетельством прогрессирующей эвка-риотизации (совершенствования организации эвкариотной клетки с ее ядром, системой мембран и цитоскеле-том). См.: Урусов В.С. Естественный отбор минеральных видов // Соросовский образовательный журнал. -1998. - № 4. - С. 50-56.
Рис. 22. Последовательность диссимметризации организмов под действием среды (Г. Спенсер, 1857): ю/ю т (простейшие) ю т (растения) т (животные)
Сообщества простейших животных часто обнаруживают пониженную по сравнению с отдельным организмом симметрию, но наилучшим образом совместимую с симметрией среды. Так, например, экспериментально установлено, что в морфологии колоний Рапёоппа Могиш Вогу наиболее часто встречаются 4-, 6- и 8-клеточные колонии, которые на каждой стадии стремятся сохранить наиболее симметричную форму33. 4-клеточные колонии приобретают тетраэдрическую симметрию (43ш), 6-клеточные - октаэдрическую (шЗш), 8-клеточные имеют три перпендикулярные оси 2-порядка (222). В более
33 Войтеховский Ю.Л, Тимофеева М.Г., Степен-щиков Д.Г. Принцип Кюри и морфологическое разнообразие колоний Рапёоппа Могиш (Ми11.)Вогу (Уо1тосасеае) // Журнал общей биологии. -2006. - Т. 67, № 3. -С. 206-211.
Рисунок
Леонардо да Винчи
крупных 16-клеточных колониях тетраэдрическая симметрия и симметрия 222 встречаются в пропорции 3:1, которая, между прочим, совпадает с отношением соответствующих порядков симметрии 24:8. Во всех этих видах симметрии присутствуют три перпендикулярные оси 222, что отвечает отсутствию направленной двигательной активности колоний и разрешает им свободное вращение в водной среде, в соответствии с принципом суперпозиции симметрии Кюри.
Этот принцип может быть существенно уточнен при рассмотрении эволюции отдельных таксономических групп организмов: например, в ходе филогенеза из простых цилиндрических участков тела (теломов) развились все органы современных высших растений (стебли, корни и листья). И здесь снова очевиден постепенный переход от высоких к все более низким видам симметрии. В конце этого ряда находятся растения с круговыми или колебательными движениями органов (нутации). Можно заметить и признаки нарушения симметрии правого и левого в морфологии некоторых растений. Так, большинство лиан завивается против часовой стрелки; нередко завивание сопровождается скручиванием побега. У большинства классов деревьев (например, хвойных) ветви и листья расположены по спирали, т. е. подчиняются лево- или правозакручен-ной винтовой оси.
Подобным образом постепенное понижение симметрии отчетливо фиксируется в онтогенезе организмов, который изучается эмбриологией. В этой науке со времени открытия и описания яйца человека и млекопитающих, установления сходства эмбрионов высших и низших животных (К.М. Бэр, первая половина XIX в.), общепризнанны факты последовательного появления в эмбриогенезе признаков типа, класса, отряда и т. д. Известно, что зародыши разных групп животных имеют большее сходство между собой, чем взрослые организмы: развитие рептилий, земноводных, рыб, птиц, млекопитающих и человека начинается с оплодотворения яйца, имеющего максимально высокую сферическую симметрию. В дальнейшем зародыш испытывает превращения с постепенной дифференциацией органов и усложнением их функций, которые сопровождаются понижением симметрии. Например, зародышевое развитие лягушки проходит стадии яйца, его постепенного деления на бластулы, появления зачатков жабр, глаз и рта. На более поздней стадии появляется личинка - головастик, которая по морфологии напоминает предка земноводных - рыбу. И только когда головастик развивает конечности и отбрасывает хвост, возникает молодая особь лягушки, во внешней симметрии которой можно отметить только одну вертикальную плоскость симметрии.
Той же морфологической симметрии подчиняются все высшие животные: насекомые, рыбы, птицы и млекопитающие, включая человека (так называемые билатерально-
Урусов Вадим Сергеевич
симметричные животные). Наивысшей степени диссимметри-зации, по сравнению с другими животными, достигает весь организм человека. «Человек диссимметричен, несмотря на то что по внешнему облику он имеет плоскость симметрии»34. Общеизвестны факты левостороннего расположения сердца, правостороннего расположения печени и др. Человек - обычно правша, т. е. две его руки выполняют разные функции и физически развиты по-разному, и поэтому многие созданные им предметы быта принадлежат к одной энантиоморфной модификации. Таковы, например, ножницы для правшей и левшей, которыми можно пользоваться либо правой, либо левой рукой. В отличие от человека, трудно себе представить птицу или рыбу - левшу или правшу. Такая диссимметрия представляла бы прямую опасность для жизни особи. Однако имеются исключения, которые практически всегда связаны с животными, ведущими ползающий образ жизни, т. е. меньше зависящими от направления силы тяжести: такова диссимметрия в строении тела камбалы или клешней краба. Раковины пресноводных моллюсков - прудовиков - почти всегда завиты в одну сторону (по правому винту), что должно облегчать им движение по дну водоема.
Цефализация и церебризация
В постепенном эволюционном совершенствовании всех отрядов, высших животных происходит еще одно важное морфологическое событие, которое называется цефализацией (от греч. кефаАл - голова). Это понятие было введено в 1855 г. еще одним современником Ч. Дарвина и Г. Спенсера - крупным натуралистом Дж.Д. Дэна, после его кругосветного путешествия на корабле «Пикок» (1838-1842), последовавшего чуть позже знаменитой экспедиции Дарвина на «Биггле» (1831-1836). Цефализация описывает филогенетический процесс обособления головы у билатерально-симметричных животных и включение в ее состав функциональных отделов, расположенных у их предков в других частях тела. Такие группы низших двусторонне-симметричных животных, как черви, имеют две плоскости симметрии: вдоль и поперек вытянутого тела, на котором нет четко выраженной головы. Цефализация устраняет поперечную плоскость симметрии тем более отчетливо, чем выше стоит животное в ряду эволюции. Под степенью цефализации понимают также отношение массы головного мозга к массе тела животного. Степень цефализации позвоночных наиболее высока у птиц, а из млекопитающих - у китообразных и приматов, особенно у человека.
Оценка В.И. Вернадским роли этого эволюционного процесса весьма высока: «Чрезвычайно важным для понимания планетного значения жизни благодаря появлению в ходе геологического
34
Шубников А.В. Проблема диссимметрии материальных объектов. - М.: Изд. АН СССР, 1961.
Рисунок
Леонардо да Винчи
35
Вернадский В.И. Философские мысли натуралиста. - М.: Наука, 1988.- С. 59.
Рисунок
Леонардо да Винчи
времени разумно мыслящего и научно работающего существа является то, что это появление связано с процессом эволюции жизни, геологически всегда шедшим без отходов назад, но с остановками, в одну и ту же сторону - в сторону уточнения и усовершенствования нервной ткани, в частности мозга. Это бросается в глаза, если сопоставить последовательность геологических наслоений с археозоя и морфологических структур отвечающих им форм жизни.
Длившийся более двух миллиардов лет этот выражаемый полярным вектором, т. е. проявляющий направленность, эволюционный процесс неизбежно привел к созданию мозга человека рода Homo, примерно больше полмиллиона лет назад»35.
Развивая приведенную выше мысль Вернадского, можно сказать, что наибольшего эволюционного развития в эволюции человека достигла его голова, а точнее - его мозг. Действительно, объем мозга за 1 млн лет, прошедших в антропогенезе от Ното erectus до Homo sapiens, вырос в 3 раза. Особого развития достигла покрытая извилинами часть мозга, расположенная сверху (головная кора), которая называется собственно большим мозгом и делится на правое и левое полушарие. Таким образом, по морфологическим признакам мозг человека сохраняет зеркальную симметрию.
Пропорция между головной корой мозга и мозгом в целом у человека больше, чем у животных. Однако можно думать, что по естественным причинам простой рост мозга и его коры не может продолжаться с той же скоростью: человек просто не удержит слишком большой и тяжелый череп. Вместе с тем развитие мозга не останавливается и идет по пути его усовершенствования и специализации, которые выражаются в дис-симметризации внутреннего строения и функций мозга. Этот процесс мы предлагаем назвать церебризацией (лат. сегеЬгит -мозг), в дополнение к цефализации и в качестве ее последнего этапа в процессе антропогенеза.
Хорошо известно, что за левую половину человеческого тела практически полностью отвечает правое полушарие мозга, тогда как за правую - почти исключительно левое. Например, в левой и правой частях зрительной коры формируется четкое изображение правой и левой областей поля зрения соответственно. Звуковые сигналы приходят на противоположные части мозга: правая часть височной доли обрабатывает в основном звуки, приходящие слева, а левая слуховая кора - звуки, поступающие справа. Осязание связано с так называемой сематосенсорной корой, которая графически условно изображается в виде так называемого сематосенсорного гомункулуса - искаженной человеческой фигурки, которая наглядно иллюстрирует те части коры, расположенные за линией, разделяющей лобные и теменные доли и связанные с теми частями тела, от которых поступает та или иная осязательная информация (рис. 23).
Урусов Вадим Сергеевич
Рис. 23. Соматосенсорный и двигательный гомункулусы коры головного мозга
На этом же рисунке показан участок лобной доли, известный как двигательная кора. Над ним изображен так называемый двигательный гомункулус, который наглядно изображает те участки линии раздела между лобной и теменной долями, которые приводят в движение различные части тела. И снова правая часть двигательной коры отвечает за движение левой части тела, а левая - правой.
Чувственная информация от зрительной, слуховой и двигательной зон головного мозга обрабатывается соответствующими вторичными областями, которые вырабатывают план действий и передают команды мышцам. Остальные участки головного мозга относятся к третичным, или ассоциативным. Именно в них в основном и выполняется наиболее сложная и абстрактная умственная деятельность - подвергается анализу информация, происходит запоминание, распознается и воспроизводится речь.
У подавляющего большинства правшей и даже большей части левшей речевые центры находятся в основном в левой половине головного мозга. Здесь расположены зона Брока, отвечающая за построение фраз, и зона Вернике, отвечающая за понимание языки (рис. 24).
Интересным исключением из общей картины диссимме-трии функций мозга и тела человека оказалась функция мозжечка, ответственного за контроль движений тела, равновесие и точность действий: правая половина мозжечка управляет в основном правой стороной тела, а левая - левой, т. е. этот орган обладает относительно более высокой симметрией. Мозжечок, расположенный в пределах заднего мозга, является наиболее древней частью мозга и действует инстинктивно, как действует большинство живых существ. Может быть, именно это обстоятельство и есть причина отсутствия указанной диссим-метрии функций мозжечка, сильно развитой в более «молодой» с точки зрения эволюции его части - переднем мозгу.
Наконец, может быть поставлен несколько странный на первый взгляд вопрос и о симметрии места обитания человеческого сознания36. Если считать, вслед за многими философами и психологами, язык главным атрибутом человеческого сознания и отличия разумного человека от животного, то сознание оказывается связанным с левой половиной коры головного мозга. На самом деле ситуация, по-видимому, еще сложнее, как показывают опыты на разделенных больших полушариях мозга.
Рис. 24. Зоны Вернике и Брока в левом полушарии головного мозга
36 Пенроуз Р. Новый ум короля: о компьютерах, мышлении и законах физики. - М.: УРСС, 2003.
Заключение: новые загадки, сомнения, размышления
37 Грин Б. Элегантная Вселенная: суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории. - М.: УРСС, 2005.
«Личная память и такие науки, как история, археология, палеонтология и др. - это всё различные способы сознания повернуть течение времени в обратном направлении, запрещенном для материального мира
Заканчивая эту работу, следовало бы, как это обычно делается, дать некоторые определенные выводы, например, указать на ведущее направление в изменении симметрии вместе с эволюцией Природы - ее симметризацию или диссимметризацию. Однако неясность и нерешенность многих ключевых вопросов в развитии структуры Вселенной и даже окружающего нас наблюдаемого Мира ведет к тому, что исследователь неизбежно сталкивается с противоречиями и неопределенностями в попытках ответить на такие гносеологические вопросы. Например, сегодня наука не в состоянии ответить на один из кардинальных вопросов: стремится ли наша расширяющаяся Вселенная, начальная энтропия которой была чрезвычайно мала, к высшей симметрии однородной покоящейся сферы с максимумом энтропии, т. е. к «концу света»? Нельзя исключить при современном состоянии знаний, что в отдаленном будущем расширение остановится, а может быть, даже сменится сжатием, и эволюция Мира, вместе с поворотом стрелы времени, пойдет вспять, т. е. в сторону понижения симметрии. Ответить на этот вопрос космология пока еще не может, поскольку неясна роль «темной материи», которая составляет около 80% всей материи Вселенной, и особенно «темной энергии», пронизывающей пространство и ответственной за взаимное отталкивание материи, благодаря которому, вероятно, и совершается сам процесс расширения.
Обращаясь к областям флуктуации и сгусткам материи -галактикам, звездам и планетам, ученый снова встречает целый ряд непростых вопросов и проблем, хотя общее направление в изменении симметрии с ходом времени здесь кажется более ясным - оно идет в сторону понижения симметрии (диссим-метризации). Но тогда что такое предельно симметричные «черные дыры», возникающие на месте угасающих звезд, -«гробницы» материи, энтропии и энергии, или «окна» в другие Вселенные (модель Мультивселенной37)?
Не меньше проблем и загадок связано с тайной происхождения и эволюции жизни и особенно с «отщеплением» разума и сознания от собственно человеческой плоти, которая связывает его «пуповиной» с живым, но не мыслящим существом. Достаточно указать на следующий парадокс сознания: хотя в наблюдаемом нами мире стрела времени имеет только одно направление - в будущее, в разуме человека и его научной деятельности время легко обращается вспять, вплоть до момента творения Вселенной. Личная память и такие науки, как история, археология, палеонтология и др. - это всё различные способы сознания повернуть течение времени в обратном направлении, запрещенном для материального мира.
Урусов Вадим Сергеевич
На этом фоне возникает поистине драматическая диссим-метрия разумной личности: краткость жизни от рождения до смерти и стремление сознания охватить весь мир в бесконечном времени и пространстве. Все религии человечества и те различные формы, и которые облекается вера в высший разум или высшее существо, есть не что иное, как попытки человеческого ума самым кратким и в значительной мере интуитивным путем преодолеть пропасть между эфемерностью каждой отдельной жизни «мыслящего тростника»* и бесконечной протяженностью и сложностью окружающего его мира.
Вообще же появление жизни на Земле и особенно сознающего самого себя и свое окружение человека представляется почти невероятным событием, исключительным даже в масштабах Вселенной38. Так называемый мягкий антропный принцип предполагает, что все соотношения между мировыми физическими константами огромной степенью точности именно таковы, чтобы где-то во Вселенной появилась сознательная жизнь. Земля оказалась именно тем крохотным островком в огромном мироздании, где это оказалось возможным. Из жесткого антропного принципа следует, что место нашей Вселенной уникально среди бесконечного множества все других возможных Вселенных, где физические законы настроены несколько или существенно иначе. В контексте нашего анализа приходится сделать логический вывод о том, что наибольших масштабов упорядочение и диссимметризация материи достигает именно история нашей планеты.
Ученым и философам как передовым носителям человеческого сознания и создателям научного знания свойственна естественная потребность заглянуть в будущее, т. е. мысленно опередить ход стрелы времени. И здесь нельзя обойтись без краткого упоминания учения о ноосфере (сфере разума), сформулированном В.И. Вернадским с особой ясностью и настойчивостью. Он писал, в частности: «Научная мысль и та же научная методика, единые для всех, сейчас охватили все человечество, распространились по всей биосфере, превращают ее в ноосферу»39.
На наш взгляд, процесс создания ноосферы, будучи объективным следствием эволюции неживого и живого вещества Земли, сознательной деятельности человеческого общества, должен идти в историческом смысле медленно и противоречиво, подвергаясь многочисленным опасностям и рискам. Однако не станет ли достижение гармонии людей друг с другом и с природой в ноосферном будущем, если оно все-таки возможно, последним циклом в цепи бифуркаций с максимальной диссимметризацией, ведущим к концу эволюции и истории человечества? Что в таком случае последует за ноосферой? На этот и многие другие вопросы мы сегодня еще не имеем ясных ответов.
«...Душа не то поет, что море, и ропщет мыслящий тростник» (Ф.И. Тютчев, 1865). Эту метафору использовал В.И. Вернадский (см.: Вернадский В.И. Философские мысли натуралиста. - М.: Наука, 1988. - С. 58), когда говорил о человеке как создателе науки.
38 Грин Б. Элегантная Вселенная: суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории. - М.: УРСС, 2005.; Пенроуз Р. Новый ум короля: о компьютерах, мышлении
и законах физики. - М.: УРСС, 2003.
39
Вернадский В.И. Философские мысли натуралиста. - М.: Наука, 1988. - С. 88.
процесс создания ноосферы, будучи объективным следствием эволюции неживого и живого вещества Земли, сознательной деятельности человеческого общества, должен идти в историческом смысле медленно и противоречиво, подвергаясь многочисленным опасностям и рискам.»
