Что происходило в начале?

Изучая природу, как мы это делали в нашей книге, мы неизбежно приходим к вопросу: как произошли вещи? Мы стремимся узнать, как возник наш мир. Вот почему все существующие религии, а также многие философские системы описывают начало мира, а иногда пророчат и его неминуемый конец.

Есть ли какой-нибудь научный ответ на эти вопросы? Как всегда в науке, ответ может быть только частичным. Наши научные познания о природе постоянно растут. Каждое новое научное открытие как-то обогащает их. Но всегда остается множество явлений, которых мы не понимаем. Поэтому, когда мы пытаемся описать то, что происходило очень давно или наступит через много лет, или, наконец, то, что происходит чрезвычайно далеко от нас, наши заключения неизбежно оказываются весьма зыбкими. В частности, рассуждая о материи, находящейся в условиях, очень несходных с земными, мы неизбежно допускаем множество ошибок. Недостаточность наших знаний проявляется при этом значительно острее. Так как мы вынуждены экстраполировать наши сведения и наш опыт, небольшая ошибка или неправильная интерпретация может повести к совершенно ложным заключениям. И тем не менее делать выводы очень заманчиво, и многие ученые пытались нарисовать возможную или вероятную картину прошлого на основе наших нынешних знаний, т. е. пытались рассказать историю того, как мог возникнуть и развиться мир и как он принял тот вид, какой он имеет сейчас.

Наука есть познание природы, но она предполагает и понимание пределов доступного в настоящее время. Поэтому нельзя ожидать, что нам удастся создать себе исчерпывающее представление о природе. Например, мы ничего не знаем о настоящем начале природы — если оно вообще существовало. Все что мы можем — это пойти вспять так далеко, как нам позволяют наши нынешние познания, т. е. настолько, насколько мы сможем доверять своим заключениям. Наш рассказ не ответит нам на любой вопрос о начале Вселенной. Мы начнем его с несколько более позднего времени, с периода, когда мир находился в состоянии, о котором мы имеем известную информацию. Самое раннее известное нам состояние вещества — это то, в котором оно находилось в виде разреженного водорода. Наш рассказ будет ограниченным, но тем не менее впечатляющим, так как в нем речь пойдет о развитии материи, о развитии материи от водородной туманности к миру, где есть живые системы.

Среди многих вопросов, на которые сегодня нельзя ответить, один связан с расширением Вселенной. В гл. I мы узнали, что все галактики удаляются от нас. Если это движение происходило таким же образом и раньше, то должен был существовать момент, когда вся материя Вселенной была сосредоточена в одном месте, — «начало» расширения. Мы не знаем, всегда ли расширение оставалось неизменным. Если в прошлом не было изменений, то надо заключить, что 10–20 миллиардов лет назад все галактики находились в весьма малом объеме; концентрация материи тогда должна была быть совершенно необычной. Об этом гипотетическом начале можно сказать очень немногое, кроме того, что существовавшие тогда условия весьма резко отличались от всего, нам известного.

Имеется школа ученых, которая отстаивает интересную точку зрения, позволяющую избежать такого аномального состояния. Согласно спекулятивному предположению этих ученых, расширение Вселенной сопровождалось непрерывным созданием материи в пространстве. Предполагается, что, как только при расширении Вселенной между галактиками появляются аномально большие пустоты, в них сразу же образуется материя, которая потом собирается в новые звезды и галактики. Согласно этой гипотезе, количество образовавшейся новой материи как раз достаточно, чтобы, несмотря на расширение, расстояние между галактиками оставалось примерно одинаковым. Эта интересная идея показывает, что можно по крайней мере представить себе расширяющуюся Вселенную без начала и конца. Не было «нагромождения» галактик много миллиардов лет назад, потому что тогда было меньше галактик; большинство галактик, которые мы видим, было создано в промежутке между кажущимся началом и нынешним временем. И наоборот, не должно быть разрежения галактик в будущем, потому что непрерывно будут создаваться новые галактики. Галактики непрестанно рождаются и разбегаются в бесконечном пространстве. Вот что означает расширение Вселенной согласно этой школе ученых.

Очень мало фактов подкрепляют эту гипотезу, но ничто ей и не противоречит. Конечно, представление о создании материи из ничего противоречит нашим обычным представлениям о сохранении материи и энергии. Однако количество вновь рождающейся материи, необходимой для того, чтобы Вселенная не разрежалась, настолько мало, что его никогда не удается заметить в лаборатории. Потребовалось бы создание лишь одного водородного атома в год в каждом кубическом километре Вселенной; такое малое количество заметить невозможно.

В настоящее время эти предположения носят чисто спекулятивный характер и не подтверждаются никакими наблюдениями. Возможно, однако, что будущие наблюдения и более глубокое понимание процессов, происходящих в галактиках и между ними, когда-нибудь приведут к появлению более обоснованных представлений о начале и конце мира, основанных на фактах, а не на фантазиях. Несомненно, однако, что спекулятивные идеи о непрерывном создании материи имеют известный интерес, так как из них следует хотя бы логическая возможность существования расширяющейся Вселенной без начала или конца.

 

Эволюция звезд

Итак, сегодня мы не можем объяснить возникновение и развитие всей Вселенной. Мы слишком мало знаем, как образовались галактики и как они развиваются. Поставим себе более скромную задачу. Мы располагаем достаточными знаниями и достаточной интуицией для описания по крайней мере одного этапа развития — образования материи в том состоянии, в котором мы ее видим на Земле, из разреженного водорода. Наша Галактика, а также все другие галактики заполнены так называемым межзвездным газом, который занимает огромные пространства и состоит почти полностью из водорода. Его так много, что он составляет значительную часть всей массы галактик. О происхождении этого газа нам известно очень мало. Часть его, несомненно, была выброшена во время звездных взрывов, но значительные его количества должны были существовать еще до образования звезд. Отсюда мы начнем наш рассказ; мы хотим показать в нем, как из газообразного водорода возникли все те вещи, которые мы видим вокруг нас и среди которых мы живем.

Однако и здесь необходимо сделать оговорку. Даже эта частичная история Вселенной основана на довольно ненадежных заключениях и теориях, относящихся к поведению материи в весьма необычных условиях. Поэтому многие утверждения, излагаемые в этой главе, весьма гипотетичны и обоснованы гораздо хуже, чем содержание предыдущих глав.

Водородный газ. Начнем с рассмотрения огромного облака газообразного водорода. Большая туманность Ориона — пример такого облака (фото XI).

Мы видим ее потому, что она освещена соседними звездами. В таком облаке немного порядка и немного разнообразия. Атомы водорода движутся хаотически, сталкиваясь друг с другом случайным образом.

Облако испытывает медленные изменения под влиянием силы тяжести. Конечно, гравитационное притяжение между водородными атомами крайне мало из-за их малой массы. Но если облако очень велико, то общий гравитационный эффект множества атомов становится важным. За очень долгие периоды времени случайно происходит сгущение, и возникшее таким способом образование служит более сильным центром притяжения, чем отдельный атом. Поэтому оно притягивает все больше атомов и становится все более сильным центром, который в свою очередь притягивает все новые и новые атомы в занимаемую им область. Наконец, образуется один или несколько сгустков водородных атомов; они становятся все крупнее и крупнее, и их рост не прекращается, пока они не притянут к себе большую часть вещества всей туманности.

Гравитационная сила сближает атомы, так что их сгустки становятся меньше и плотнее. Атомы «падают» к центру притяжения под действием силы тяжести. «Падая», они приобретают скорость; попадая в плотные области, они сталкиваются с другими атомами и передают энергию движения остальному веществу. Таким образом, сжатие сгустков заставляет атомы двигаться все быстрее и быстрее и сталкиваться друг с другом. Гравитационная энергия превращается в энергию беспорядочного теплового движения. Газ в сгустке уплотняется и нагревается.

Первая стадия образования звезд. Гравитационное сжатие увеличивает температуру, и через какое-то время она достигает уровня, при котором энергия, передаваемая при столкновении, превосходит предел устойчивости водородного атома. Тогда атомы переходят в возбуждённые квантовые состояния; при возвращении в основные состояния атомы излучают свет. Испускается характеристическое излучение водородного атома. На этой стадии объект становится светящимся — мы видим излучающий газ.

Гравитационное сжатие продолжает действовать и дальше; оно сдавливает атомы все сильнее и вызывает все большее повышение температуры. Наступает момент, когда атомы в центре сгустка сближаются так тесно, что их электронные оболочки начинают мешать друг другу; температура становится столь высокой, что электроны отрываются. Объект начинает излучать огромное количество света, но это уже не чисто водородное излучение — оно содержит свет всех длин волн, испускаемый свободно движущимися электронами и тесно сжатыми атомами. Сгусток становился настоящей звездой на первой стадии ее развития (рис. 55 и 56).

Рис. 55. Облако водородного газа.

Рис. 56. Первые три стадии образования звезд. а — газовый водородный шар; б — в центре шара происходит горение водорода и развивается противодавление; при этом тепло «вытекает» из центра шара; в — красный гигант; горение гелия в центре шара; из центра «вытекает» огромное количество тепла, оно рассеивает окружающее вещество по большой сфере.

Вторая стадия образования звезд. Гравитационное сжатие продолжалось бы неограниченно долго, нагревая и уплотняя звезду, если бы не возникал некий новый процесс. Когда температура становится очень высокой, начинаются ядерные процессы. Надо ожидать, что они должны происходить в центре звезды, где температура выше всего. Когда температура звезды становится достаточной для ядерного горения водорода, т. е. примерно достигает 5 миллиардов градусов, начинается вторая стадия в жизни звезды.

Ядерное горение водорода было описано в гл. VII. Напомним, что протоны (ядра атомов водорода) через много времени после того, как они освободились от электронов, сталкиваются друг с другом при высокой температуре и образуют дипротоны, которые становятся дейтронами в результате радиоактивного превращения. Затем пары дейтронов сливаются и образуют ядра гелия (см. рис. 46). Это ядерный пожар, зажженный теплом, развивающимся при сжатии в центре звезды. Он выделяет огромную энергию, и возникающее в центре противодавление останавливает гравитационное сжатие. После этого размер звезды в течение долгого времени остается неизменным.

Горение водорода — процесс медленный, но эффективный. Тепло, выделяющееся при этом пожаре, доходит до поверхности звезды и поддерживает ее свечение. Оно поставляет энергию, необходимую для постоянного испускания света с поверхности звезды в пространство, и сохраняет ее жизнь в течение долгого времени. Проходит несколько миллиардов лет, прежде чем водород в середине звезды истощится и превратится в гелий.

Третья стадия образования звезд. После израсходования большей части водорода в центральной области, горение водорода прекращается, а вместе с ним перестанет действовать и противодавление, уравновешивающее гравитационное сжатие. Снова начнет действовать сила тяжести, что приведет к дальнейшему сжатию. Это всегда связано с повышением температуры, потому что атомы «падают» внутрь звезды и увеличивают свою скорость. Наступает момент, когда в центре достигается температура, примерно равная 100 миллиардам градусов, при которой начинает гореть гелий. Это начало третьего этапа в жизни звезды. Ядерный гелиевый пожар возникает от слияния трех ядер гелия в ядро углерода (см. гл. VII). Гелий горит очень быстро и производит гораздо больше тепла, чем медленное горение водорода. Тепловое давление в центре не только останавливает сжатие, но и заставляет разлетаться остаток вещества звезды. На этой стадии звезда состоит из очень горячего и плотного центра, где идет ядерное горение, окруженного гигантской сферой из очень разреженного материала. Большая часть этого разреженного вещества состоит из водорода, который избежал сгорания на второй стадии, так как не находился в горячем центре. Такие звезды называются красными гигантами; их красный цвет объясняется тем, что большая часть вещества находится так далеко от раскаленного центра, что светится красноватым, а не белым светом, как это было на второй стадии образования звезды.

В стадии красного гиганта развитие звезды идет быстро. Вскоре в центре звезды достигается температура, при которой ядра гелия приходят в тесное соприкосновение с вновь образованными ядрами углерода. При этом возникает новый вид ядерного горения, в результате которого образуется кислород. Его ядро состоит из четырех ядер гелия. Дальнейшее повышение температуры позволяет соединяться пяти, шести и большему числу ядер гелия, давая неон, магний, кремний, серу и т. д.

На этой стадии температура в середине звезды так высока, что ее центр становится как бы печью, производящей элементы. В ней могут образовываться не только соединения ядер гелия, но и ядра других типов. Некоторые из них получаются при столкновении чисто гелиевых по составу ядер с протонами, другие — от присоединения к уже образовавшимся ядрам нейтронов. Нейтроны, пригодные для такого присоединения, испускаются при энергичных ядерных столкновениях, при которых они просто срываются с ядер и движутся в веществе, пока их не захватит другое ядро. Таким способом получаются многие типы ядер; некоторые из них содержат избыток протонов или нейтронов и поэтому радиоактивны. Они превращаются в более устойчивые формы.

Следует помнить, что эти реакции, приводящие к образованию ядер, совершаются только в самом центре звезды. Остальная ее часть слишком холодна для этого. Поэтому вещество звезды в основном состоит из водорода, который служит огромным резервуаром горючего для печи, производящей элементы и находящейся в центре звезды.

Взрыв и возрождение. Мы мало знаем о том, что происходит в звезде, когда третья стадия кончается и ядерный огонь гаснет из-за истощения горючего в центре. Есть много теорий эволюции звезд после третьей стадии. Возможно, что звезда сжимается до очень малых размеров, нагреваясь до сверхвысоких температур и становясь тем, что называют белым карликом. Для наших целей дальнейшее ее развитие не столь интересно, так как оно не приводит к образованию новых элементов. Важно, однако, одно обстоятельство: в конце третьей стадии, когда ядерный пожар догорает, в некоторых звездах, хотя и не во всех, происходит внезапная перестройка вещества, выражающаяся в виде сильнейшего взрыва. Эти взрывы иногда видны, когда какая-либо звезда-гигант внезапно становится исключительно яркой. Такая звезда называется сверхновой. Во время этой вспышки большая часть вещества звезды исторгается в межзвездное пространство и смешивается с исходным водородом. Когда в пространстве, где происходил взрыв сверхновых, снова образуются звезды, входящий в них водород уже не чистый, к нему примешаны следы других элементов, и звезда, развивающаяся из такого газа, уже с самого начала содержит много разных элементов.

Взрыв звезды — сравнительно редкое событие. Вероятно, только несколько процентов звезд проходят через эту стадию сильной перестройки. Тем не менее такие события очень важны, так как ядра, образовавшиеся в центре звезды, распространяются по всему пространству. Они важны и по другой причине: есть много тяжелых ядер, которые не могут образовываться даже в самых горячих центрах звезд. Таковы, например, золото, свинец, уран. Взрыв звезды создает условия для очень интенсивных ядерных столкновений, при которых могут возникать и сложнейшие ядерные структуры. Поэтому весьма вероятно, что эти тяжелые ядра создавались в процессе взрыва и затем рассеивались во всем мировом пространстве.

Новое, «второе поколение» звезд образовано исходным водородом, в который добавлено вещество, возникшее при взрывах звезд. Развитие звезд второго поколения не сильно отличается от развития звезд первого поколения, так как примесь вещества, отличного от водорода, очень мала. Газ, из которого образуются звезды второго поколения, почти весь состоит из водорода.

Солнце является примером звезды, возникшей из водородного облака, загрязненного остатками взорвавшихся звезд. Оно находится теперь во второй стадии своего развития, так как водород в нем превращается в гелий. Это медленное и постоянное горение водорода поставляет энергию, которую Солнце непрерывно излучает в виде тепла и света уже несколько миллиардов лет. Если бы Солнце образовалось из чистого водородного облака, оно не содержало бы ничего, кроме водорода и гелия. Солнце действительно состоит главным образом из водорода и гелия, но, исследуя свет, излучаемый его поверхностью, мы находим и следы других элементов; наличие этих элементов подтверждает, что Солнце относится к «позднейшему поколению» звезд, что вещество, из которого оно состоит, образовалось в другой, более ранней звезде.

 

Создание Земли

При образовании Солнца из исходного «загрязненного» водородного облака должны были происходить какие-то особые процессы, в результате которых небольшие клочки материи начали обращаться по орбитам вокруг Солнца. Мы знаем, что Солнце окружено девятью планетами, которые гораздо меньше него (рис. 57).

Рис. 57. Орбиты и символы планет.

Происхождение этих маленьких клочков материи очень важно для нас, так как мы живем на одном из них. Мы имеем очень неясные представления о механизме создания этих планет. Один способ их возможного образования таков. При сжатии газового облака и его превращении в звезду остались маленькие кусочки облака. Они уплотнились под действием силы тяготения и образовали сгустки, которые обращаются вокруг Солнца как планеты. Вначале эти сгустки состояли, конечно, из того же материала, что и все остальное, т. е. из водорода, слегка загрязненного более тяжелыми элементами. Когда же они собирались в планеты, началось разделение элементов. Планеты, в особенности самые маленькие, состоят главным образом из более тяжелых элементов и содержат мало водорода и гелия. Это объясняется двумя причинами. Во-первых, тяжелые атомы притягиваются сильнее легких; так как сила притяжения в маленьких сгустках была невелика, легкие элементы, такие, как водород, ускользнули из этого поля тяготения и рассеялись. Во-вторых, вследствие малого размера сгустков их гравитационное сжатие не вызывало сильного нагревания, как в звездах. Поэтому атомы образовали молекулы, и большинство молекул объединилось в жидкости и твердые тела. Газообразные элементы частично улетучились, а частично образовали газовые слои на поверхности планет — атмосферы. Планеты (в особенности меньшие из них) состоят главным образом из веществ, встречающихся в виде твердых тел (например, железо и горные породы).

Иными словами, при образовании меньших планет, таких, как Земля, большая часть водорода улетучилась и осталось главным образом вещество, примешанное к исходному водороду в результате предыдущего взрыва звезды. Состав нашей Земли обусловлен заражением исходного газового облака солнечной системы. Процесс возникновения Земли освободил большую часть водорода и удержал тяжелые элементы, образовавшиеся в центре какой-то ранее существовавшей звезды. Это не значит, что на Земле совсем не осталось водорода. С нашей планеты улетучился только газообразный водород. Те водородные атомы, которые образовали с другими атомами молекулы жидкостей и твердых тел, остались. Например, множество водородных атомов соединилось с кислородом, давая молекулы воды, и осталось на Земле в виде жидкой воды или льда.

Теперь мы можем набросать историю вещества, составляющего Землю, от его возникновения в чисто водородном облаке до современного состояния.

Исходное водородное облако превратилось в звезды, и по крайней мере одна из них должна была взорваться. Вещество, образовавшееся при взрыве, рассеялось по другим водородным облакам, из которых тоже возникли звезды; одна из них — наше Солнце. Во время образования Солнца малые количества вещества в непосредственной близости от Солнца превратились в сгустки и образовали планеты, которые удержали главным образом тяжелые элементы. Поэтому все, что мы видим вокруг себя — углерод бумаги, графита, карандаша, кремний горных пород, железо инструментов и машин, — пришло из центра взорвавшихся горячих звезд и через миллиарды лет собралось на нашей планете — Земле.

Эти объекты — бумага, горные породы, машины— возникли из простого газообразного водорода, состоявшего только из протонов и электронов. Гравитационное сжатие устанавливает в центрах звезд такие условия, при которых протоны втискиваются в конфигурации квантовых состояний атомных ядер, после того как часть протонов в результате радиоактивного процесса превращается в нейтроны. Создаются новые и более дифференцированные единицы — ядра. Они представляют какое-то упорядоченное устройство, в противоположность хаотическому движению в газообразном водороде. Большинство таких единиц образуется во время взрыва звезд.

Позднее, когда ядра изгоняются в холодное пространство, они собирают вокруг себя электроны, которые после этого уже не движутся беспорядочным образом. Эти электроны образуют конфигурации, характерные для тех атомов, вид которых определяется данным ядром. Создается больший порядок, появляется больше специфических единиц — атомов различных элементов. На этой стадии атомы распределены в пространстве беспорядочно. Они представляют только небольшую долю всех атомов газа, беспорядочно движущихся в пространстве. Большая часть этого газа — водород.

Но позднее, когда из него развивается другая звезда, новые атомы отделяются от водорода и собираются в планеты. Благодаря низкой температуре планет происходит дальнейшая дифференциация. Образуются молекулы, которые собираются в жидкости и твердые тела на поверхности планет. Мы видим, как природа спускается здесь по квантовой лестнице, переходя со ступеньки на ступеньку. Она начинает с протонов и нейтронов, образует ядра в центрах звезд, потом атомы в пространстве и, наконец, молекулы и кристаллы на тех немногих планетах, где имеются подходящие температуры.

При этом развитии только небольшая часть водорода превращается в другие элементы. Требуются огромные количества водорода, чтобы создать условия, при которых небольшая его часть объединится в более сложные единицы. Звезды должны собраться, взорваться и вновь собраться для того, чтобы пренебрежимо малая доля исходной материи превратилась в те разнообразные вещества, которые мы видим на Земле.

Сколько времени длилось это развитие? Как мы узнали в гл. II, солнечная система образовалась около 4,5 миллиарда лет назад. Взрыв звезды, при котором освободились различные атомы, должен был произойти раньше; есть указания, что это случилось 7—10 миллиардов лет назад. Длительность жизни звезды считают примерно равной 10 миллиардам лет. Следовательно, первое водородное облако начало образовывать звезды примерно 20 миллиардов лет назад. Потребовалось чрезвычайно много времени и чрезвычайно большое количество материала, чтобы создать вещество нашего мира.

 

Развитие жизни

Начала. Мы проследили эволюцию нашего мира от водородного облака до развития звезд с их планетами. Планеты — это собрания вещества в более «прогрессивной» форме, они состоят главным образом из более сложных элементов, чем водород. Земля, например, состоит из множества элементов. В тело Земли входят тяжелые металлы, главным образом железо; наружные ее слои состоят из горных пород и минералов, на поверхности Земли мы видим много воды. Земля окружена слоем газа — атмосферой.

Остальные этапы эволюции нашей планеты происходили под этим защитным слоем газа, на поверхности Земли. Это история дальнейшей дифференциации материи, образования и распространения сложных единиц материи, из которых состоит живой мир на Земле. Любое утверждение о происхождении и ранних стадиях развития жизни может быть только гадательным, так как условия того времени существенно отличались от нынешних.

Рассматривая эту проблему, как и предыдущие проблемы развития звезд и планет, мы находимся в положении исследователей, пытающихся начертить карту неизвестного континента. Их знания отрывочны, они видели только малые участки побережья, наблюдали устья рек и участки их русла в глубине материков. Пытаясь составить карту, они должны были, полагаясь на свое воображение, воспроизвести неизвестные части побережья и предположить, что наблюденные ими устье и отдельные участки реки являются частями одной реки. Это лучшее, что они могут сделать. Позднейшая карта покажет, что они чрезвычайно сильно упростили и исказили картину, и что два водных пространства не принадлежат одной и той же реке. Однако, несмотря на ошибки, в этой карте можно будет узнать в общих чертах контуры материка.

Наши сведения о развитии мира тоже отрывочны. Мы должны прибегать к воображению почти на каждом шагу, чтобы восполнить неизвестное. Многое, из того, что я здесь скажу, позднее, вероятно окажется неверным. Однако есть веские основания полагать, что уже теперь мы правильно представляем себе общий ход событий.

Постараемся увидеть нашу планету такой, какой она была 3 миллиарда лет назад (рис. 58).

Рис. 58. Первобытная Земля до возникновения на ней жизни.

В целом вид Земли не столь сильно отличался от ее нынешнего вида. Ее орбита вокруг Солнца и ее внутреннее строение были почти такими же, как и теперь. Иной была только поверхность Земли. Были только скалы и вода — ничего больше. Атмосфера содержала азот, двуокись углерода, метан, аммиак, но в ней не было кислорода. Кислород сильно реагирует с большинством веществ и образует стойкие соединения. Следовательно, этот элемент может существовать в атмосфере только в том случае, если он непрерывно воспроизводится в каком-то процессе, освобождающем кислород из химических соединений. В гл. VIII мы показали, что это происходит в настоящее время в хлорофилле зеленых растений, но на ранних стадиях развития Земли растения еще не существовали.

На Землю падает солнечный свет, с которым на нее приходит тепло. Расстояние между Землей и Солнцем таково, что температура на большей части земной поверхности поддерживается в пределах между 0 и 100 °C и значительная часть воды может оставаться жидкой. Это обстоятельство имеет чрезвычайно большое значение для дальнейшей истории Земли, так как жидкая вода наилучшим образом «воспринимает» многие химические вещества и позволяет им реагировать друг с другом.

Отсутствие кислорода имело очень важные последствия: ультрафиолетовые лучи от Солнца свободно достигали поверхности Земли, тогда как теперь они почти полностью поглощаются кислородом в самых верхних слоях атмосферы. Ультрафиолетовый свет химически активен. Он разрушает химические связи между атомами и позволяет им соединяться другим способом. Он производит таким способом новые химические соединения из старых. Мы можем предположить поэтому, что солнечное излучение создало много новых, до того не существовавших химических соединений. Среди этих соединений, несомненно, были также молекулы, играющие столь важную роль в живых структурах, как, например, сахар, нуклеотиды и аминокислоты. Их образование должно было протекать очень медленно. Ультрафиолетовым лучам сначала пришлось разложить молекулы, содержащие необходимые атомы; затем случай сблизил эти атомы в положениях, необходимых для образования новых молекул. Простые структуры должны были возникать чаще сложных, потому что гораздо вероятнее сблизиться в правильном положении нескольким атомам, чем большему их числу. Спирты и сахар были образованы солнечным светом во много больших количествах, чем аминокислоты и нуклеотиды.

Образование новых соединений шло очень медленно, но за много миллионов лет эти вещества накопились. Возникнув на поверхности воды, они спускались в нижние слои и были там защищены от разложения ультрафиолетовыми лучами. В настоящее время такое накопление было бы невозможным, так как аминокислоты и нуклеотиды быстро поглотились бы живыми организмами или разложились бы от окисления свободным кислородом атмосферы. Только стерильные условия ранних периодов эволюции допускали медленное накопление этих веществ. Случилось так, что в водах Земли постепенно начали появляться небольшие количества сахара и аналогичных соединений и еще меньшие количества аминокислот и нуклеотидов.

В больших океанах эти молекулы оказывались очень далеко друг от друга. Но в малых прудах и в небольших водоемах их концентрация могла становиться уже заметной. Некоторые нуклеотиды могли даже соединяться и образовывать небольшую цепь нуклеиновой кислоты, а некоторые аминокислоты— соединяться в белковую цепь. Небольшие водоемы могли поэтому содержать короткие цепи нуклеиновых кислот и белков. Однако цепи, образованные при случайных соединениях, отличны от тех, которые нужны для жизни. Эти цепи не имеют особого значения и не обладают особой химической активностью.

Один раз мог образоваться один белок, другой раз иной.

Нуклеиновые кислоты, образованные случайным соединением нуклеотидов, имели большее значение. Мы видели в гл. VIII, что цепь нуклеиновой кислоты типа ДНК может точно воспроизводиться, расщепляясь на две половинки, причем каждая из этих половинок потом собирает нуклеотиды, необходимые для построения двух одинаковых полных цепей. Таким образом, если цепочка нуклеиновой кислоты помещена в среду, содержащую нуклеотиды, в среде возникает все больше и больше повторений цепи, пока весь запас нуклеотидов не истощится. Если случайное сближение образовало одну цепь, она заставит все нуклеотиды в своей окрестности соединяться подобным же способом. Нуклеиновые кислоты способны производить свои повторения, если около них имеются нуклеотиды. Во многих отношениях этот процесс и есть основа жизни, потому что он позволяет сложным структурам воспроизводиться в благоприятных условиях.

Нуклеиновые кислоты могут делать больше, чем просто воспроизводиться. В гл. VIII мы узнали, что они служат шаблонами, по которым строятся аминокислоты, строятся в определенном порядке, нужном для образования белков. Вероятно, каждая цепь нуклеиновой кислоты (или винтовая лестница типа ДНК) служит как бы формой для одного или нескольких белков. Поэтому, если в жидкости, где есть и аминокислоты, присутствует нуклеиновая кислота, она заставит аминокислоты соединяться в белковые цепи; будут получаться те белки, для которых данная нуклеиновая кислота служит как бы шаблоном.

Поэтому, согласно нашим представлениям, когда бы нуклеотиды ни соединялись в луже воды в цепь нуклеиновой кислоты, эта цепь не только воспроизводилась, но и вызывала образование некоторых белков. Все нуклеотиды и аминокислоты в окрестности расходовались, превращаясь в нуклеиновые кислоты и белки того типа, который определялся первой случайно образовавшейся нуклеиновой кислотой.

Этот процесс должен был идти очень медленно по двум причинам. Во-первых, аминокислот и нуклеотидов было мало и они были очень далеки друг от друга в воде. Большая часть молекул, образованных ультрафиолетовым светом, оказались простыми, такими, как сахар и алкоголь, и не годились для образования нуклеиновых кислот или белков. Во-вторых, для построения цепей нужна была энергия. А на этой примитивной стадии была только тепловая энергия или энергия излучения, и ни одна из них не была достаточно эффективной для этих цепей. Тем не менее в течение миллионов лет, прошедших между образованием планеты и возникновением жизни, нуклеиновая кислота воспроизводилась много раз.

 

Игра случая

Представим себе, что произошло, когда одна из этих случайных встреч произвела особую нуклеиновую кислоту, являющуюся шаблоном для тех белков, которые делают нуклеотиды из сахара и аммиака. Тогда воспроизводство копий сильно ускорилось, потому что образовавшиеся белки должны были использовать весь имеющийся сахар и аммиак и синтезировать из них гораздо больше нуклеотидов для новых повторений нуклеиновой кислоты. Водный резервуар, в котором это случилось, должен был стать гораздо богаче нуклеиновыми кислотами, чем другие водные резервуары.

Такой водный резервуар должен был отличаться и в других отношениях от прочих. В нем было больше нуклеотидов, и случайные комбинации нуклеиновых кислот осуществлялись в нем гораздо чаще, и, что еще важнее, та особая нуклеиновая кислота (шаблон для производящего нуклеотиды белка) время от времени присоединяла новые нуклеотиды к своей цепи. Такое удлинение не оставалось единичным актом, а воспроизводилось затем в каждом повторении нуклеиновой кислоты. Добавления к цепи были делом случая и поэтому не давали, как правило, шаблонов для нужных белков. Но в течение многих лет могло случиться так, что в одной избранной луже воды образовалась более длинная нуклеиновая кислота, такая, которая была способна производить более чем один «полезный» белок.

На этой стадии развития полезными были следующие белки:

а) производящий нуклеотиды из сахара, фосфата и аммиака;

б) производящий аминокислоты из сахара, фосфата и аммиака;

в) «сжигающий» молекулы сахара, т. е. способный передать энергию, содержащуюся в сахаре, тем носителям энергии, которые мы встретили в гл. VIII под именем АТФ;

г) служащий оболочкой, или «шубой», нуклеиновой кислоты; оболочка эта имеет маленькие поры, которые могут пропускать внутрь небольшие молекулы и не пропускают наружу большие;

д) образующий специальные молекулы, способные синтезировать сахар с помощью солнечного света (например, хлорофилл).

Обсудим теперь действие этих полезных белков. Мы уже описали важную роль белка а) для образования нуклеиновых кислот. Белок б) должен усиливать приток аминокислот, медленный процесс, ранее обусловленный только действием ультрафиолетовых лучей. Вклад белка б) должен, очевидно, ускорить процесс образования всех видов белков, если имеется шаблон в виде нуклеиновой кислоты.

Белок в) ускоряет процесс образования цепей, так как он дает нужные носители энергии, помогающие присоединять одну молекулу к другой в цепи. До того, как появились эти носители энергии (АТФ), энергия, необходимая для сочленения цепей, поставлялась теплом, а при этом цепи строятся с трудом и очень медленно.

Белок г) выполняет самое ответственное задание. До образования этого белка сама вода в большей или меньшей степени действует, как одно целое. При размножении нуклеиновой кислоты используется весь имеющийся запас нуклеотидов.

Например, в том счастливом водоеме, где образовались белки, производящие нуклеотиды, эти последние будут способствовать размножению всех видов нуклеиновых кислот, а не специально той, которая является шаблоном для белков, ответственных за ее образование. Эта особая нуклеиновая кислота в целом водоеме не сможет использовать свое преимущество — создавать эти белки — по сравнению с другими нуклеиновыми кислотами. Все нуклеиновые кислоты будут размножаться и потреблять сырье. Но если наша особая эффективная нуклеиновая кислота способна произвести и оболочку, продуктивный белок и образованные им нуклеотиды держатся вместе, так что они становятся доступными только данной нуклеиновой кислоте. Тогда только она сможет произвести много повторений и будет развиваться гораздо быстрее других. Последние не только будут лишены растущего притока нуклеотидов, но, кроме того, этот приток будет наибольшим как раз там, где строительные материалы находятся ближе всего к месту «потребления».

Жизнь начала существовать после того, как нуклеиновые кислоты смогли производить белки типов а), б), в), г). Здесь мы уже имеем нечто, похожее на бактериальную клетку. Когда такая единица появилась в луже воды, которая содержала сахар и некоторые простые химические вещества, она действительно стала жить. Аминокислоты и нуклеотиды производились в ней самой: первые складывались в нужные белки с помощью нуклеиновой кислоты, служившей шаблоном, нуклеотиды использовались при воспроизведении нуклеиновой кислоты. Когда эта единица стала слишком большой, она разорвалась, и каждая нуклеиновая кислота образовала свою новую единицу. Этот разрыв и переформирование могли быть первым и простейшим способом деления клеток. То был довольно расточительный способ, так как многие вещества при этом терялись. Теперь у клеток существует гораздо лучший способ деления — без потери вещества.

Но даже и такая усовершенствованная химическая единица не могла бы вечно размножаться, так как она «питалась» простейшими химическими веществами, такими, как сахар, фосфат и аммиак. На Земле нет недостатка в аммиаке и фосфатах. Это простые соединения с малой энергией, и их количество достаточно велико. Но возможности получения сахара были ограниченными. Сахар, химическое соединение с большой энергией, производился только ультрафиолетовыми лучами Солнца, и притом в малых количествах. Когда образовавшийся в воде сахар истощался, живые единицы не могли больше размножаться. Одни разрушались внешними причинами, такими, как столкновения, действие избыточной радиации, или от потери белков в примитивном процессе деления и т. д. Не возмещаясь, они должны были вымирать.

Отсюда ясно, почему белок д) имеет такое огромное значение. Нуклеиновая кислота, которая в добавление к белкам а) — г) может производить и белок д), находится в весьма привилегированном положении: живая единица, содержащая эту кислоту, не зависит больше от сахара, находящегося в воде. Такая живая единица производит собственный сахар с помощью обычного (не ультрафиолетового) солнечного света как источника энергии и нуждается для этого только в очень простых химических веществах с малой энергией, таких, как вода и углекислота.

Важно понять, что все пять типов белков только ускоряют естественные процессы. Например, белки а) и б) производят из более простых веществ те же белки и аминокислоты, которые уже образовывались в воде, но без этих белков процесс шел с гораздо меньшей скоростью. Белок в) доставляет энергию в «готовой расфасовке», но энергия была и раньше, только в форме тепла, форме очень неэффективной. Белок г) образует небольшое собственное тело из воды для каждой нуклеиновой кислоты и этим колоссально ускоряет химические реакции. Белок д) создает вещество, которое, используя весь солнечный свет, производит сахар гораздо продуктивнее, чем это делалось с помощью ультрафиолетовых лучей. Таким образом, белки — это исключительно действенные катализаторы естественных процессов.

Эволюция жизни. Теперь мы достигли момента, когда природа готова к бурному развитию. Подведем итог. В некоторых местах на Земле возникли определенные комбинации цепных молекул. Эти комбинации обладают замечательным свойством воспроизводить самих себя, если есть сырой материал в виде простых молекул. Это воспроизведение осуществляется с помощью специальной цепной молекулы — нуклеиновой кислоты. Действительно, только нуклеиновая кислота воспроизводит самое себя. Каждое новое повторение этой молекулы вызывает образование тех же белков и создает вновь те же единицы.

Однажды возникнув, такие комбинации должны накопляться в больших количествах. В частности, быстро размножаться будут те комбинации, которые, воспроизводясь, эффективно используют как сырой материал простые химические соединения, потому что этого сырья много на Земле.

Дальнейшее развитие основано на взаимодействии двух факторов. Один — это самовоспроизведение единиц, другой называется «мутацией» строения нуклеиновой кислоты. Мы называем «мутацией» следующее явление: в процессе самовоспроизведения нуклеиновая кислота обязательно в отдельных случаях не повторяет себя в точности, время от времени происходят изменения.

Надо ожидать двояких изменений. Во-первых, в процессе повторения происходят ошибки. Новая нуклеиновая кислота не точно такая же, как старая. Если новая форма оказывается неспособной производить необходимые белки, единица, в которой произошло изменение, больше не способна развиваться. Если же, несмотря на изменение, новая форма нуклеиновой кислоты тоже производит необходимые белки, изменение будет повторяться дальше в каждом воспроизведении и с этого момента сохранится в потомстве.

Во-вторых, нуклеиновая кислота может добавлять к себе новые группы нуклеотидов и увеличивать тем самым свою длину. Несомненно, что цепи первых нуклеиновых кислот были очень коротки, они служили шаблонами только для немногих белков. Когда случайно добавлялись новые нуклеотиды, эти добавки воспроизводились в повторениях. В большинстве случаев они были бесполезны для производства белков. Но за долгие периоды время от времени должно было случаться так, что получались лучшие белки или что от удлинения нуклеиновой кислоты образовывались новые белки, позволявшие более эффективно использовать сырые материалы для воспроизведения. Когда это происходило, новый тип единиц быстро замещал старый, так как он быстрее размножался и употреблял для этого весь имевшийся материал.

Может случиться и так, что новые белки позволят единице размножаться при других внешних условиях. Например, старая единица лучше всего размножалась в теплой воде, а новая будет размножаться в более холодной, или старая — в более глубоких слоях воды, а новая — в более мелких вблизи берегов. Тогда новые типы не вытеснят старые, а населят области Земли, где существуют новые условия.

Здесь мы видим процесс естественного отбора. Он с необходимостью вступает в игру, когда определенные единицы обладают способностью самовоспроизведения и когда программа, ими управляющая, испытывает случайные изменения. Оба эти фактора, самовоспроизведение и мутация, работают рука об руку. Если мутации не влияют на воспроизведение, ничего особенного не происходит, изменения только передаются по наследству. Если мутации таковы, что уменьшают размножение, то пораженные единицы вымрут, а если мутации благоприятствуют размножению, — заменят старые единицы. Так идет медленное развитие к единицам, лучше приспособленным к размножению в существующих условиях.

Есть характерная тенденция в этом развитии — единицы становятся все сложнее. Они теряют простые черты, которые были в начале истории их жизни. Большинство изменений происходит в сторону большей дифференциации, к более длинным цепям нуклеиновых кислот, производящим больше белков для специализированных целей. Поэтому с того момента, как возникают единицы, способные самовоспроизводиться, развитие идет в сторону более и более сложных единиц. Лучшее приспособление к внешним условиям почти всегда ведет к более сложным единицам.

Рис. 59. Старейшая из известных форм жизни, существовавшая около 1600 миллионов лет назад. Она несколько напоминает водоросль.

Это развитие во многом напоминает развитие наших автомобилей. Каждый год конструкторы пытаются улучшить автомобили путем небольших добавок здесь и там. Машина становится все сложнее. Несомненно, что можно делать гораздо лучшие и менее сложные машины, но только если перепроектировать их совсем заново. Можно перепроектировать автомобиль, но природа не может сделать этого в отношении процесса естественного развития и отбора. В природе может происходить развитие только путем накопления малых изменений здесь и там, за счет изменения программы в нуклеиновых кислотах. Природа не может начать заново с наброска. Она может только прибавить что-то к предыдущему развитию. Поэтому прогресс в природе почти всегда достигается путем перехода к более сложным формам.

Этот механизм обладает воистину замечательным свойством. Он дает возможность природе совершенствоваться, «строить» все более и более сложные структуры, и притом «естественным» путем, без нарушения каких-либо законов физики и химии и без обращения к заранее установленному плану. Этот процесс тем более замечателен, что в неорганическом мире мы чаще всего замечаем противоположную тенденцию: сложные структуры распадаются на более простые, порядок всегда превращается в беспорядок. Процесс построения возможен только благодаря явлению самовоспроизводства. Он автоматически умножает более сложные структуры тогда и только тогда, когда они лучше приспособлены к окружению.

Посмотрим теперь, как шло развитие за счет естественного отбора. Начнем с зачаточной клетки растения; она содержит необходимые белки, делающие аминокислоты и нуклеотиды из сахара, фосфатов и аммиака, и хлорофилл, производящий сахар с помощью солнечного света. Важнее всего, что клетка содержит нуклеиновую кислоту, которая действует, как шаблон для производства всех белков.

В процессе дальнейшего развития мутации добавляют все новые звенья к нуклеиновой кислоте. Она становится шаблоном для белков клетки с более сложной структурой, более совершенной и лучше организованной, чем зачаточная клетка. И в самом деле, процесс клеточного деления становится гораздо лучше организованным, так что никакие из веществ клетки не теряются в процессе деления. В процессе эволюции был достигнут высокоорганизованный процесс деления, управляемый соответствующими белками.

Но рост здесь не остановился. Очевидно, могут быть достигнуты еще больший рост и размножение, если большее число клеток действует вместе, как одна многоклеточная единица. Такая единица работает производительнее, поскольку функции распределены между различными клетками. Одни клетки могут служить остовом, другие — собирать сырые материалы из воды или почвы, наконец, третьи растут лучше всего там, где сильнее всего солнечный свет, и производят сахар. В результате добавки одного усложнения к другому развились такие живые единицы, как наши современные растения, состоящие из миллионов клеток, приспособленных для многих различных целей. И тогда зеленый ковер растительной жизни покрыл Землю (рис. 60).

Рис. 60. Зеленый ковер растений покрыл Землю.

Когда образовалось это растительное покрывало, установились новые возможности для жизни. Изменилось два существенных обстоятельства. Во-первых, стало сколько угодно сахара, нуклеотидов и аминокислот в растениях и запас всего этого возобновлялся при размножении. Во-вторых, производство сахара в хлорофилле освободило огромное количество кислорода. Атмосфера Земли постепенно наполнилась кислородом, и он остался в ней, потому что потери от окисления и других химических реакций постоянно восполнялись.

Посмотрим теперь, как подействовали эти два важных изменения. До распространения растительной жизни каждой живой единице полезнее всего было содержать хлорофилл, чтобы производить собственный сахар. Пока сахар малоэффективным способом получался на Земле от ультрафиолетовых лучей, его было очень мало. После того, как растения распространились по Земле, его стало в растениях сколько угодно. То же самое верно и для более сложных структур, таких, как аминокислоты и нуклеотиды. Их было очень мало до распространения растений, но потом поверхность Земли покрылась ими.

На этой стадии развития могли появиться живые существа, неспособные производить собственный сахар или аминокислоты. Они легко могли развиваться, «поедая» эти вещества из растений. Этот факт имел интереснейшие последствия. До появления растительного покрова каждая мутация, нарушавшая способность нуклеиновых кислот производить аминокислоты и хлорофилл, делала невозможным размножение той живой единицы, в которой эта мутация произошла, и единица погибала. Но когда возникла растительность, такие изменения перестали быть опасными: можно было размножаться, потребляя растительную пищу. Поэтому многие мутации, которые раньше привели бы к вымиранию, теперь смогли закрепиться и стали воспроизводиться. Вот почему вслед за растительностью развились новые виды живых организмов, мы называем их животными. Освобожденные от необходимости производить основные химические вещества, такие, как аминокислоты, нуклеотиды и хлорофилл, эти новые живые единицы стали развивать свою собственную программу в нуклеиновых кислотах в новых направлениях.

Рис. 61. Реконструкция маленькой пенсильванской амфибии (дипловертеброна).

Возникли и многоклеточные единицы с различными функциями разных клеток, такими, как передвижение или чувствительность к свету и звуку. Такие единицы смогли двигаться, видеть и слышать.

Надо помнить, как медленно происходило это развитие. Оно длилось один или два миллиарда лет. Изменения происходили от того, что накапливались действия мутаций. Проходит много времени, прежде чем случайное изменение или прирост нуклеиновой кислоты приводит к полезному варианту программы. Возник, однако, новый и более эффективный способ развития, когда объединялись две единицы и использовалось смешение их нуклеиновых кислот при повторении. Эта система, половое размножение, имеет огромное преимущество, суммируя новые успешные тенденции, имеющиеся у каждого индивидуума. Оно ускоряет развитие форм, приспособленных лучше. Вот почему это самый распространенный способ воспроизведения для наиболее сложно организованных единиц.

Очень важный факт в эволюции живых структур — это ненаследование свойств, приобретенных отдельным индивидуумом. Изменение в строении тела, которое претерпевает отдельное существо, никогда не передается потомству. Можно отрезать хвосты всем представителям некоторой породы животных и продолжать отрезать хвосты их потомкам, и все же у новорожденных будут хвосты. Причина очевидна. Изменение в строении тела не действует на нуклеиновые кислоты в клетках, которые содержат проект новых индивидуумов. Пока хвост имеется в плане, он будет развиваться у потомков, независимо от того, что случилось с хвостом родителей.

Вернемся теперь ко второму изменению на Земле, произведенному растительным покровом, а именно к кислороду в атмосфере. Вспомним, что образование белков и нуклеиновых кислот требует энергии. Энергия поставляется специальными белками, которые регулируют процесс превращения (сгорание) сахара в двуокись углерода и воду и могут запасать энергию в виде малых порций в молекулах АТФ. Сгорание сахара без должного количества кислорода затруднено. Атомы кислорода содержатся в самой молекуле сахара, они могут быть использованы при горении. Этот тип горения, который использует сам сахар, называется ферментацией; он не является эффективным способом получения энергии от сахара. Когда появился свободный кислород в атмосфере, стало гораздо легче сжигать сахар в клетке и запасать энергию в молекулах АТФ. Возникли новые единицы, которые использовали атмосферный кислород, производя энергию. Это привело не только к более быстрому росту клеток, но и создало избыток энергии, который мог быть использован в движущихся частях живой единицы. Развились мускулы, они дали возможность конечностям двигаться, совершая работу по передвижению и собиранию пищи.

В таких больших многоклеточных единицах, которые мы называем животными, воздух не может легко проникать через клетки тела. Поэтому следующее изменение в программе привело к существам, приспособленным гораздо лучше: развилась система артерий, по которым сквозь тело прокачивается жидкость, содержащая специальные красные кровяные клетки. Эти клетки легко поглощают кислород и переносят его во все клетки тела, нуждающиеся в нем для производства энергии. Поглощение кислорода происходит в определенных клетках — в легких, которые постоянно наполняются свежим воздухом. Такие животные с системой кровообращения смогли пользоваться кислородом для выработки энергии гораздо эффективнее.

Но наибольший шаг вперед в этом стремлении к лучшему согласованию со средой состоял в образовании нервной системы. Это особая комбинация взаимосвязанных клеток, способных передавать стимулы от одной части живого существа к другой. С помощью этих специальных клеток, органов чувств, через соединительные нейроны можно заставить мускулы координировать передвижение со световыми или звуковыми сигналами, получаемыми существом. В результате существо может многими способами реагировать на изменения в среде так, чтобы пользоваться этим при самозащите и добывании пищи. Структура может передвигаться в сторону света, различать пищу по запаху и форме, избегать опасности, уходя или защищаясь, когда приближаются крупные объекты. Существо приобретает то, что мы называем «поведением».

Развитие нервной системы было столь полезным и успешным, что любая мутация или комбинация при скрещивании, ведущая к увеличению нервной системы, давала все лучшие существа. Так началась непрерывная эволюция в сторону увеличения нервных клеток, которая и привела к образованию мозга. Этот орган является скоплением большого числа взаимосвязанных нервных клеток, способных к накоплению стимулов, полученных существом. Это накопление было началом того, что называется памятью. Действие, которое первоначально имело хороший результат в отношение захвата пищи или предупреждения боли, сохраняется в памяти и может быть легко повторено в сходных обстоятельствах. Очевидно, что способность «вспоминать» такие ситуации была огромным усовершенствованием живых единиц и помогала в их борьбе за выживание в трудных условиях. Память дала возможность учиться на опыте.

Такая память и способность к обучению не обязательно должны быть очень сложными. С помощью современного электронного оборудования можно легко построить машину с «нервной системой», которая помнит прошлые положения и определяет на этом основании свои действия. Система взаимосвязанных нервных клеток во многом равноценна системе электронных ламп или транзисторов. Система с несколькими тысячами ламп может выполнять весьма впечатляющие действия по запоминанию положений с тем, чтобы избегать их в дальнейшем. Но в действительности даже мозг насекомого устроен гораздо сложнее. Он содержит от десяти до ста тысяч нервных клеток. Человеческий мозг имеет их много миллиардов.

Факт образования мозга был чрезвычайно важным в развитии жизни. До этого живая единица нее реакции на окружающий мир полностью определялись химическим строением. После того как образовался мозг, реакции индивида стали зависеть не только от его строения, но и от предыдущего опыта. Поведение стало определяться не только программой, заложенной в нуклеиновых кислотах, но и тем, что данное существо испытало в течение жизни. Индивидуальная единица формировалась не только в результате своего биологического развития из нуклеиновых кислот, но и под действием окружающей среды на ее поведение.

В ходе развития мозга роль памяти и приобретенного опыта постепенно становилась все важнее. Нервы не только передают стимулы от одной части тела к другой: если они связаны надлежащим образом, они могут и запасать информацию и превращать ее в понятия, которые в дальнейшем вызывают новые действия. Огромное преимущество этого механизма служит высшей наградой за развитие сложных совокупностей нервных клеток. Нуклеиновые кислоты, цепи которых стимулировали рост таких скоплений нервных клеток, привели к развитию преуспевающих живых существ. Так животные распространились по Земле.

Но надо помнить, что поведение, основанное на обучении и памяти, составляет только весьма малую часть всей системы поведения. Большая часть программы поведения примитивных животных предопределена, так как она развивается на основе программы, заложенной в нуклеиновых кислотах. Мы говорим, что поведение унаследовано. Птицы строят свои гнезда, вскармливают птенцов и перелетают зимой на юг по инстинкту. Эти формы поведения не выученные: они врожденные. Нервные комплексы, стимулирующие эти действия, формируются уже в растущем теле. Реакции, приобретенные обучением, малочисленны. Птицы обучаются некоторым видам щебетания, некоторые высшие животные научаются охотничьим уловкам. Но важнейшие реакции животных врожденные, это доказывается способностью большинства видов новорожденных животных вести в дальнейшем обычную жизнь без всякого контакта с себе подобными. Поэтому как строение тела, так и общественное поведение каждого индивидуума заложены в коде (программе) клетки. Вид и поведение предопределены в нуклеиновой кислоте. Они повторяются в каждом новом поколении и меняются только под влиянием мутации. Поведение меняется так же медленно, как строение тела. Муравьи и пчелы имеют одну и ту же общественную структуру столь же долго, как они существуют в качестве данных видов, и это распространяется на многие тысячи поколений. То же относится и к высшим животным.

Эволюция человека. В нашем рассказе об эволюции мы достигли точки, от которой начало развиваться нечто новое, возникшее от простого возрастания числа нервных клеток, составляющих нервную систему. Но в материальном мире часто бывает, что возрастание количества в некоторый момент приводит к глубоким качественным изменениям.

Рассмотрим пример этого перехода количества в качество. В замкнутой комнате помещен открытый сосуд с водой. Если температура ниже точки кипения, достигается равновесие, при котором с поверхности воды в секунду испаряется известное количество молекул и то же количество возвращается из пара и конденсируется на поверхности. Вода в сосуде по виду остается неизменной, находясь в равновесии с влажным воздухом. Когда мы повышаем температуру, но держим ее все еще ниже точки кипения, происходит только количественное изменение. Увеличивается только число молекул, уходящих с поверхности и приходящих в сосуд. Но если число испаряющихся и конденсирующихся молекул продолжает возрастать, то достигается точка, в которой число возвращающихся молекул больше не уравновешивает числа молекул, покидающих поверхность. Достигается температура, при которой конденсация не возмещает испарения, и вода полностью, превращается в пар, иначе говоря, она выкипает. Наблюдатель увидит, что с водой нечто произошло. На самом деле это не так: испарение имело место и при более низких температурах. Решающим было изменение в соотношении между водой и окружающим воздухом. В точке кипения молекулы воды, приходящие из воздуха, не могут больше скомпенсировать молекулы, уходящие в воздух от испарения; то, что было «безвредным» для воды ниже точки кипения, «уничтожило» ее выше этой точки.

То же явление можно усмотреть и в водном растворе соли. Если концентрация соли ниже точки насыщения, то раствор выглядит прозрачным и осадок не образуется. На самом деле молекулы соли ударяются о стенки сосуда и образуют очень маленькие скопления, но этот осадок немедленно растворяется вновь. Если концентрация раствора увеличивается выше точки насыщения (например, путем выпаривания раствора), то скорость образования осадка становится больше скорости растворения, на стенках начинают образовываться красивые узоры из кристаллов. Наблюдателю снова может показаться, что раствор в этой точке приобрел способность создавать кристаллические структуры. На самом же деле это чисто количественное соотношение между отложением и растворением.

Вернемся теперь к эволюции нервной системы животных. Мы знаем, что нервная система позволяет животным приспосабливаться к окружению с помощью органов чувств и памяти. Как известно, животные «научаются» на опыте, и эта способность к обучению есть один из важных критериев выживания. Но большая часть поведения животных основана на «инстинктах», т. е. на биологическом наследовании.

Когда из животного царства развился человек, должно было произойти нечто новое. Мы утверждаем, что этот новый элемент полностью основывался на количественной разнице между нервными системами. Увеличивая нервную систему, природа установила новый тип эволюции, который сломал и сломает все правила эволюции предыдущих периодов.

В животном мире присутствуют все элементы новой эволюции: память, обучение и, может быть, даже образование идей и понятий. Но, как и в соляном растворе ниже точки конденсации, они слишком слабы, чтобы иметь конструктивное значение. Попытки «обучения» в животном мире в большинстве случаев «растворяются» после смерти индивидуума. Когда развился человек, постоянное усложнение мозга и нервной системы достигло уровня, при котором смерть индивидуума больше не искореняет приобретений, полученных его памятью из опыта. Далее, индивидуум становится способным применять свой мозг, чтобы делать умозаключения из опыта, выводить следствия из поступков, не совершая их. Он может думать, что произойдет при известных условиях, и соответственно организовывать свои действия. Развитие языка и памяти позволило взрослому индивидууму сообщать молодому свой опыт и свое мнение, и ученик смог действовать так, как если бы это был его собственный опыт или его собственное суждение. Действия мозга усложнились настолько, что стал возможным коллективный опыт и общее мышление многих индивидуумов, и произошло накопление опыта и мыслей от поколения к поколению. Это стало возможным благодаря развитию понятий, логических построений, абстрактных идей и многих других способов формулирования и передачи мысли, таких, как письменность и рисование (рис. 62).

Рис. 62. Кладовая опыта.

Разница между человеком и животным аналогична различию между кипением и насыщением. После того, как опыт, накопленный видом как одним целым, становится больше, чем опыт, теряемый со смертью отдельных индивидуумов, начинается новый процесс — образование «традиции».

В этот момент эволюция преодолела барьер, препятствующий наследованию приобретенных свойств.

Пока родители не могут передавать свой опыт потомкам, поведение в каждом новом поколении основывается исключительно на биологическом наследовании, на том, что заключено в программе клетки. Положение не меняется и в том случае, если есть некоторая передача опыта между поколениями. До тех пор, пока сумма опыта, теряемого со смертью, больше или равна сумме, переданной следующему поколению, нет накопления опыта. В каждом поколении поведение, по существу, то же самое, как в предыдущем, и диктуется свойствами, биологически унаследованными. Но если передача опыта между поколениями достаточно велика, чтобы вызвать накопление, молодые будут учиться на успехах и неудачах старых, и поведение будет «наследоваться» не через нуклеиновые кислоты, а через устное слово.

Здесь начался совсем иной вид эволюции. Картина поведения изменяется гораздо быстрее, чем биологическое строение тела. Изменения последнего связаны только с образованием новых цепей нуклеиновых кислот, а поведение меняется значительно скорее, как только изменение в нем как-то определено и может передаваться по традиции следующему поколению. Например, человек из животного, занимавшегося охотой, превратился в животное, занимающееся земледелием, из пещерного жителя — в строителя городов, он развил свою способность делать орудия труда от обтесывания камней до создания фабрик и машин. Все это развитие происходило за периоды, бесконечно более короткие, чем те периоды, за которые происходят биологические изменения, например период развития человека из обезьяноподобного животного. Большой мозг, способный думать, формирование понятий, употребление речи и позднее письма привело к накоплению опыта, который больше не теряется со смертью индивидуума, но развивается дальше в каждом новом поколении.

Когда достигнуто это критическое число нервных клеток на некоторой стадии развития, дальнейшее развитие будет идти все ускоряющимися темпами. Здесь снова уместна аналогия с образованием кристалла из насыщенного раствора. Это образование начинается легче всего с поверхности другого кристалла. У первого кристалла нет такой поверхности, поэтому должно пройти сравнительно долгое время, пока получится первый маленький кристалл. Но следующие структуры уже формируются на поверхностях ранее возникших кристаллов. Это очень ускоряет их образование. Чем больше число образовавшихся кристаллов, тем больше возможности нового образования. Тот же принцип применим и к образованию традиций. Вначале, когда человечество только получило возможность создавать их, образование традиций шло очень медленно. Но раз начавшись, оно шло все с большей силой и дифференциацией.

Традиции не всегда принимают форму, благоприятную для вида. Но если находятся благоприятные меры, приемы — как, например, земледелие, использование металлов, — эти меры и приемы приводят к новому образу жизни за несколько поколений и вызывают изменение в поведении, типичное для человека.

Наука и есть один из примеров накопления опыта и понятий. Потребовалось много поколений, чтобы распутать огромное число наблюдений, отделить реальные связи от кажущихся, отличить предрассудок от научного факта. Но когда был найден систематический метод распознавания фактов, смогла начаться научная революция последних трехсот лет. Нет сомнения, что наука составляет важный шаг в том новом виде эволюции, который возник вместе с образованием традиций.

Пока что, конечно, от поколения к поколению передается только картина поведения и мышление. Строение тела воспроизводится старомодным способом, размножением, и не меняется за много поколений. Но кто может знать? Никто не может решительно исключать возможность иного пути развития. Быть может, удастся по желанию изменять нуклеиновые кислоты, определяющие развитие вида. Наши познания о механизме передачи признаков еще очень ограничены, но они растут с опасной быстротой, и человеческое вмешательство в наследственную структуру зародышевых клеток — дело не столь отдаленного будущего. Если эта цель будет достигнута, планируемое наследование желательных признаков организма станет возможным.

Но и не достигнув этой заветной цели, новая эволюция оставила свой отпечаток на всей планете и вмешивается во все растущем объеме в старый вид эволюции. Человек создает новые породы животных скрещиванием и целеустремленной селекцией. Естественная эволюция животного мира уже не пойдет старым путем. Если человек открывает в природе что-либо вновь развивающееся, он направляет его по своему желанию. Прошло время, когда сама природа развивала свои формы, медленно, путем проб и ошибок и без помех в течение долгих поколений. Мы больше не надеемся на случай, производящий мутации и новые формы и виды жизни, оставаясь счастливыми наблюдателями. Теперь мы сами развиваем природу и ее виды. Это трудная и ответственная работа, в которой много западней. Мы приняли ее бремя только недавно, и нельзя удивляться, что мы иногда ошибаемся. В конце концов, сама природа ошибалась в прошлой эволюции, когда мамонты и динозавры становились все больше и больше, пока не исчезли, как печальные неудачи. И мы должны действовать, пробуя и ошибаясь, как природа. Но шаг новой эволюции, связанной с традицией, бесконечно быстрее старого, связанного с наследственностью. Ошибки наказываются немедленно и вызывают огромные страдания совершившего и его потомков. Мы сами отвечаем за то, что происходит, и не можем проклинать за это природу.

Но не есть ли сам человек часть природы? Традиции, накопленные человечеством, идеи, понятия, мифы и религии — все это результаты многообразного влияния природы на человека. Все это возникло из реакций человека на происходившее в природе, из отношения одного человека к другому, из трудностей жизни в неблагоприятных условиях. Наш организм и организм животных образовались в длительном и медленном процессе естественного отбора; они несут в себе свидетельства условий, в которых им пришлось развиваться в течение миллиардов лет, когда смогли «выжить» только те нуклеиновые кислоты, которые порождали хорошо приспособленные организмы. Традиции человеческого мышления и поведения — это тоже продукты воздействия окружающей среды на человека, но не на нуклеиновые кислоты, а на мозг. Он развился за сравнительно короткий промежуток времени, примерно равный миллиону лет.