Собственно химическая эволюция непосредственно начинается после возникновения различных химических элементов, то есть она теснейшим образом связана с общей эволюцией звезд.
Проблема самоорганизации Вселенной
Сначала все вещество Вселенной было сжато почти до размеров геометрической точки. В определенной степени понять механизм образования подобного уплотнения материи могут помочь некоторые представления о формировании так называемых «черных дыр» Вселенной, которые составляют собой конечный этап развития крупных звезд. «Черные дыры» возникают примерно следующим образом: сферическая масса (больше чем два — три Солнца) начинает сжиматься под действием собственных сил притяжения, пока ее размеры не достигнут критического значения гравитационного радиуса (например для Земли он около 1 см, а для Солнца — 3 км). После этого уже никакие силы не способны прекратить дальнейшего сжатия. Развивается гравитационный коллапс и образуется «черная дыра», у которой искривляются пространство и время, а плотность материи и гравитационное поле достигают чрезвычайно высокого уровня. Это своеобразные антиэнтропийных структуры, находящиеся в статическом состоянии.
При больших температурах и плотности вещества образуется особое состояние материи, характеризующееся огромным отрицательным давлением, создавая гравитацию, гораздо превышающую гравитацию, образованную массой. Это приводит к возникновению гравитационного отталкивания, которое, в свою очередь, обеспечивает гигантские начальные скорости разлета частиц (около 500 км/с). Так объясняется расширение Вселенной. Это событие произошло около 20 млрд. лет назад (так называемый Большой Взрыв). В пользу того, что подобные процессы могли реализоваться в рамках космического пространства, свидетельствует, например, существование:
- — слабого реликтового излучения с температурой около 3К, которое равномерно заполняет всю Вселенную и присутствовало изначально с момента расширения. С ним связано подавляющее большинство энтропии нашей Вселенной;
- — красного смещения света, поступающего к Земле от других галактик;
- — преобладание легких элементов (дейтерия и гелия) над тяжелыми и тому подобное.
Определенные недостатки, присущие концепции Большого Взрыва, пытались учесть авторы модели флуктуации вакуума (инфляционная концепция). Согласно ей наша Вселенная возникла как неуравновешенная система практически из ничего. Его вызвала асимметрия вакуума (разновидность космической энергии), который потенциально содержит в себе все свойства материи. Иными словами, вакуум имеет потенциальные возможности стать чем угодно. Нарушение симметрии было вызвано фазовым переходом и сопровождалось выделением колоссального количества свободной энергии, которая за 10-35 секунды вызвала формирования материальных частиц. При температуре около 1027 °С возникла вещество. Доминирование антигравитационных сил вакуума изменилось в обычную гравитацию, что замедлило расширение.
Дальнейший ход событий обеими теориями рассматривается подобным образом.
Кванты с большой энергией взаимодействовали между собой (свет взаимодействовал со светом), давая начало электрон-позитронных парам, которые, в свою очередь, распадались на пары нейтрино — антинейтрино и т. д. Все взаимодействия осуществлялись через сверхпроводящий вакуум, который, даже при температуре , близкой к абсолютному нулю, существенно ускорял соответствующие процессы.
При наличии огромного количества энергии большинство пар вновь разрушалось, а относительно стабильными оказывались только тяжелые частицы типа нейтронов и позитронов. Взаимодействия между ними вызвали образование различных химических элементов, прежде всего, гелия. Со временем в водородно-гелиевой плазме появились неоднородности, которые представляли собой локальные очаги уменьшение энтропии. Вокруг них начали образовываться сгущения — зародыши будущих галактик и галактических скоплений. В недрах галактик рождались звезды и звездные системы.
На окраине одной из галактик (Млечный путь) около 5 млрд. лет назад сформировалась и Солнечная система. Ее появление обусловлено асимметрией между распределением вещества гигантской молекулярного облака в результате гравитационного притяжения и действия других факторов. При формировании планет происходил вторичный разогрев (вследствие трения, радиоактивного распада и т.д.). Формировались нерегулярные структуры, в которых скорость реакций в химических системах и их сложность значительно увеличивались, создавая предпосылки дальнейшего усложнения. Периферическое положение Солнечной системы также способствовало развитию материи в направлении дальнейшего усложнения.
Это было бы невозможным в центре Галактики, потому что там звездная плотность примерно в 20 000 раз больше, что приводит к слишком высокой интенсивности жесткого звездного излучения. Оно разрушает все сколько-нибудь сложные химические молекулы, которые образовывались в результате взаимодействия различных атомов. Среди частиц, входящих в состав атомов, нет даже двух, которые находились бы в одинаковом состоянии. Это создает асимметрию, которая, в свою очередь, вызывает необходимость энергичного поиска все новых стационарных состояний. Но любой гомеостаз не может поддерживаться бесконечно. Особенности элементарных составляющих частиц снова непременно выведут всю систему в бифуркационную точку.
С особенностями взаимодействия различных частиц между собой связана и трехмерность нашего мира. В частности, большее количество измерений приводила бы того, что не образовывались бы связаны устойчивые системы тел, которые могли бы взаимодействовать с помощью электрических и гравитационных сил. Иными словами, в такой Вселенной не было бы ни атомов, ни планетарных систем, ни галактик. В одномерном или двумерном пространстве взаимодействующие заряды противоположных знаков не могли бы разлететься на большие расстояния, так как обязательно возвращались бы к центральному телу, то есть при таких условиях не существовало бы свободного движения тел.
Могли реализоваться различные варианты формирования Вселенной, но только при условии трехмерности возможно достижение максимальной эффективности процессов самоорганизации материи. В пространствах с другим числом измерений и другими физическими законами жизни возникнуть не могло. Например, во Вселенных с несколько измененными массами элементарных частиц не было бы обычного вещества, так колебания массы нейтрона хотя бы на 0,1% привело бы к отсутствие водорода. Поскольку он является главным ядерным топливом для звезд, при таких условиях они вообще не смогли бы образоваться.
Кроме того, установлена зависимость размеров Метагалактики и времени ее существования от основных физических констант (скорость света, постоянная Планка, заряд электрона и т.д.), сильных и слабых электромагнитных и гравитационных взаимодействий. Такая система связей обусловила химическое своеобразие Вселенной (75% водорода и 25% гелия). Если бы константы слабых взаимодействий были хоть немного меньше, то вся космическая вещество было бы представлена гелием, а водорода вообще не было. Это привело бы к отсутствию воды — жидкости, что является наиболее оптимальным фазовым состоянием для ускоренного развития. Совсем другая картина вырисовывается по предположению существования несколько большей константы слабых взаимодействий: во Вселенной будет только водород. Отсутствие гелия привело бы к невозможности возникновения любых других элементов, что кладет конец дальнейшей химической эволюции. Только в узком диапазоне значений фундаментальных физических констант возможно существование сложных систем, способных к саморазвитию.
Итак, в пределах Вселенной реализовался целый комплекс уникально благоприятных для формообразования событий, обусловил специфичность потоков вещества, энергии и информации, необходимых для самоорганизации.
Осознание этого факта обусловило появление антропного (антропоцентричного) принципа, который иногда еще называют парадоксом наблюдателя. Он заключается в том, что любой сторонний наблюдатель непременно приходит к выводу, что внешний мир специально организовался таким образом, чтобы мог появиться этот наблюдатель.
Глубинные основы такого феномена достигают основных принципов функционирования нервной системы в целом и особенностей психического отражения в частности. Согласно им, в первом приближении можно считать, что любое лицо пытается поддержать и продлить собственное существование и поэтому всегда оценивает внешний мир с позиций вредности или полезности его влияния для себя, ставя свою индивидуальность в центр событий. Не избежали таких подходов и некоторые ученые, занимавшиеся исследованием Вселенной.
Физические и химические свойства и соответствующие константы и законы природы, якобы специально подобранные для появления жизни, действительно впечатляют. Изучение этих особенностей на уровне элементарных частиц привели некоторых специалистов к парадоксальным выводам: тела, особенно очень малые объекты (нейтроны и электроны), начали рассматриваться как волны вероятности. Это привело к тому, что, согласно одной из интерпретаций квантовой теории, только акт наблюдения превращает волну вероятности в определенный объект, например, электрон. Наблюдатель, в определенном смысле, сам создает реальный мир.
Есть несколько вариантов антропного принципа, в частности, один из них утверждает: то, что мы ожидаем увидеть, должно соответствовать условиям, необходимым для нашего присутствия в качестве наблюдателей. Это правильно, но тривиально: если мы наблюдаем, то мы уже существуем, то есть внешние условия так или иначе уже есть совместимые с нашим существованием. В связи с этим нет никакой необходимости вводить дополнительный принцип заинтересованности Вселенной в существовании именно разумного существа, она сама по себе формируется в результате системности процессов самоорганизации энергии и вещества.
Второй вариант антропного принципа выглядит радикально: Вселенная должна быть такой, чтобы для ее наблюдения мог появился наблюдатель, который своим появлением сделает реальным существование Вселенной. Этот парадокс какой-то мере смущает неопытный ум, но не следует забывать об одном простом аргументе: если Вселенная сама «знает» и «хочет», чтобы ее наблюдали, то сам антропный принцип оказывается лишним, поскольку Вселенная с такими признаками сознания является самодостаточной.
Видимая целесообразность внешнего мира обусловлено факторами намного проще: любые неоптимальные варианты строения и функции в открытых системах вообще не могут реализоваться вследствие роста энтропии с последующей разрушением. Только самые сбалансированные по многим параметрам системы способны к длительному существованию и дальнейшему прогрессивному развитию.
Таким образом, вещество Вселенной развивалась в направлении от простого к сложному, из хаоса возникали все новые и новые упорядоченные структуры. Системы, возникающие в таких условиях, никогда не бывают стабильными и устойчивыми. Они всегда далеки от равновесия и, разрушаясь, вновь возвращаются к хаосу. Но среди огромного множества подобных новообразований достаточно часто и неизбежно возникали и системы с минимальным приростом энтропии, которые при определенных условиях хранились, то есть происходил своеобразный отбор только устойчивых физических и химических систем, эволюция которых направлялась в определенную сторону. Ограничение возможных вариантов прогрессивного развития химического вещества обусловлено асимметрией элементов, сложности молекул, физическим состоянием систем, действием стерических и внешних факторов. Они определяют наиболее энергетически выгодную взаимную ориентацию молекул и в условиях нестабильности способствуют достижению системой нового устойчивого состояния.
Оптимальная асимметрия
Асимметрия химических элементов связана с разницей в заряде ядра и количеством электронов на внешней оболочке. Химические элементы с большой асимметрией легко реагируют с системами, имеющими асимметрию противоположного знака. Например, щелочные металлы и галогены очень быстро взаимодействуют между собой. Но именно эта активность обуславливает образование достаточно устойчивых соединений, которые оказываются мало перспективными для дальнейшего развития.
Незначительная асимметрия химических элементов (инертные газы) приводит к тому, что они чрезвычайно трудно вступают в любые взаимодействия и также не способны к прогрессивному развитию.
К длительному усложнению вследствие самоорганизации оказываются способными лишь атомарные системы с оптимальными асимметрией и соответствующей оптимальной активностью. Перспективными в этом отношении являются химические элементы, занимающие срединное положение в периодической системе: фосфор, азот, кислород, сера и углерод. Последнему элементу принадлежит особая роль в химической эволюции благодаря тому, что он, имея 4 электрона на внешней оболочке, может давать очень широкий спектр разнообразных соединений. Число соединений, которые может образовывать углерод, достигает сотен тысяч, а все остальные химические элементы вместе взятые — не более 20 000.
По химическим свойствам к углероду приближается кремний, но его двуокись представляет собой твердое кристаллическое тело (песок). Зато двуокись углерода — это газ, который, благодаря своей подвижности, повсеместно распространен и доступен для многочисленных реакций. В частности, его фиксация в цикле Кальвина при фотосинтезе обеспечивает органическими веществами все другие трофические уровни в экосистемах.
Наличие оптимальной сложности
Очень простые молекулы, не имеют достаточно развитой структуры, будут иметь минимальные возможности для дальнейшего развития. Слишком сложные системы также будут иметь небольшую вероятность перехода на более высокий уровень, поскольку уже реализовали свои потенциальные возможности. Только оптимально структурированные химические соединения способны образовывать новые связи с другими молекулами. Например, мономерами белков стали аминокислоты, отличающиеся полифункциональностью. Именно у средних членов ряда органических веществ наблюдаются максимальные возможности для самоорганизации в результате сбалансированного сочетания устойчивости и изменчивости.
Фазовый оптимум
Твердые кристаллические тела имеют хорошо развитую упорядоченность, структуру и стабильность. Но способность к реакциям низкая благодаря незначительной подвижности элементов кристаллической решетки. Соединения в газообразном состоянии могут быстро реагировать с другими веществами и отличаются лабильностью. Но они характеризуются хаотичностью на макроуровне и неспособностью образовывать сколько-нибудь упорядоченные структуры. Только жидкость имеет оптимальное сочетание устойчивости и лабильности, которое необходимо для дальнейшей самоорганизации химических элементов и молекул в более сложные системы.
Отсюда следует, что для химической эволюции планета должна иметь достаточное гравитационное поле, которое могло содержать гидросферу. Для этого у нее должна быть определенная масса и орбита, приближенная к круговой. Если масса планеты великовата, то происходят интенсивные ядерные реакции, а температура сохраняется на высоком уровне, что препятствует образованию устойчивых сложных химических систем. Малая масса связана с небольшой силой тяжести и невозможностью удержания даже атмосферы. Кроме того, круговая орбита обеспечивает оптимум радиации от центрального светила и определенную равномерность протекания реакций в химических системах. Таким требованиям отвечает очень мало планет в нашей Галактике.
Наличие воды на Земле — это невероятное космическое везение. Сам комплекс из двух атомов водорода и одного атома кислорода вызвал появление уникальной химической системы, существенные особенности которой нельзя свести к простой сумме характеристик двух газов, входящих в ее состав. Уникальность проявляется в том, что вода как система приобретает такие принципиально новые свойства:
- это универсальный растворитель, способный превращать кислоты, щелочи и соли в ионы с повышенной реакционной способностью;
- удельная теплоемкость воды выше, чем во многих других веществ, благодаря чему океаны могут поглощать и отдавать огромное количество тепла, выравнивая климат на планете;
- поверхностное натяжение воды больше, чем у любого другого вещества (кроме ртути), что способствует перемещению водных растворов различных химических веществ по капиллярам растительных сосудов;
- молекулы воды определенным образом упорядочиваются вокруг макромолекул, облегчая их функционирования и тому подобное.
Все вышеизложенное позволяет признать, что первичная Земля была уникальной в том отношении, что условия на ней (достаточно разнообразен газовый состав атмосферы, извержения вулканов, интенсивные процессы выветривания и размывания и т.д.) способствовали формированию постоянных контактов трех фаз (твердой, жидкой и газовой), что существенно активизировало химические процессы. Такое чрезвычайно уместное объединение в единую систему трех различных фаз, сохранялось в течение многих миллионов лет, и получило название сферы равновесия.
Стерические факторы
Для того чтобы системы могли реагировать между собой, они не должны иметь пространственных осложнений во взаимодействии своих функциональных групп. Если пространственное расположение молекул не является термодинамически оптимальным или энергия внешней среды превышает силу связей между элементами структуры, то ее энтропия растет, и система разрушается.
Уникальную роль в поддержании стабильности сложных химических систем играет ВОДОРОД. Он имеет минимальные размеры атома и поэтому может включаться практически к любой структуры.
Существенное значение для уменьшения молекулярной энтропии приобретает и сходство некоторых размеров атомов углерода, кислорода и азота (почти одинаковые радиусы связей, внутриатомных расстоянии в молекулах, углы между связями и т.д.). Как следствие — цепи, образованные этими атомами, имеют подобную геометрию, независимо от соотношения отдельных элементов. Две таких цепи будут в определенной степени соответствовать друг другу практически при любой последовательности атомов, входящих в их состав.
Внешние условия химических процессов
Условия среды играют весьма значительную роль в химической эволюции, определяя направление и скорость реакций. Важнейшими среди них являются температура, давление, ионизирующая радиация, наличие катализаторов и тому подобное. В частности, при абсолютном нуле химические процессы почти не идут.
Повышение температуры вызывает ускорение реакций, но при слишком высоких температурах соединения, которые уже образовались, будут быстро распадаться. Оба процесса (синтез и распад) не имеют четко очерченных температурных границ и перекрываются при средних температурах, в небольшом диапазоне которых (около 37 ° С) они будут равновероятными. При таких условиях и обмен веществ (самоорганизация сложных систем) протекает легче, что обеспечивает оптимальную скорость химической эволюции. Аналогичная ситуация характерна для давления и ионизирующей радиации. Катализаторы способствуют переходу системы в более равновесное состояние за счет уменьшения энергии, необходимой для реакции. Кроме того, в достаточно распространенных химических процессах с автоколебательные режимом образуются продукты, которые могут выполнять функцию катализаторов, что значительно ускоряет любые реакции. Это имеет настолько большое значение, что процесс зарождения жизни можно считать эволюцией катализаторов неорганических базовых реакций. В открытых системах основную часть субстрата использует быстрая реакция. В отличие от обычной химии, где реакции направляются в сторону химического равновесия, в химии открытых систем реакции идут в направлении, указанном им потоком веществ.
Вследствие всех перечисленных реакций осуществляется отбор наиболее целесообразных (оптимальных) соединений и реакций, которые позволяют химической системе очень быстро и с минимальным расходом энергии достичь максимально полезного эффекта. Постепенно осуществлялся переход к качественно новому биологическому этапу развития материи, но общие принципы ее самоорганизации сохранились и на этом уровне.