Четыре картины мира

3.1. Факторы и движущие силы эволюционного процесса в биологии

Эволюция — не хаотичный процесс. Эволюция связана с выработкой новых приспособлений, образованием новых видов, прогрессивным развитием живой природы. Естественный отбор — это единственный фактор, который, действуя в гетерогенной популяции, направляет эволюционный процесс. Предпосылкой естественного отбора, по Ч. Дарвину, является борьба за существование. С современной точки зрения, именно через борьбу за существование осуществляется механизм действия естественного отбора.

Борьба  за существование. Ч. Дарвин считал главной причиной борьбы за существование противоречие между тенденцией организмов к размножению в геометрической прогрессии и ограниченностью средств существования (пища, территория). Однако углубленное изучение этого процесса показало, что борьба за существование — явление многогранное. Взаимоотношения различных форм в каждом конкретном случае по-своему переплетаются, сменяются или незаметно переходят друг в друга. Эти сложные взаимоотношения невозможно свести к трем дарвиновским формам борьбы за существование. В современном понимании борьба за существование — это любые противоречивые взаимоотношения особей, направленные на их развитие и размножение.

Ареной борьбы за существование является экосистема, где проявляются все противоречия между организмами: борьба за пищу, воду, территорию, свет, за партнера при  спаривании и т. п.

Известны две  основные формы борьбы за существование: прямая борьба и конкуренция.

Прямая  борьба проявляется в непосредственном столкновении организмов друг с другом. Она может быть внутри- и межвидовой, активной и пассивной. Межвидовые взаимоотношения могут быть выражены в форме хищник—жертва, паразит—хозяин (рис. 4.7).

Прямая борьба является причиной появления у растений ряда приспособлений, таких как колючки, плотная кутикула, длинные корни  и др. У животных совершенствуются поведенческие реакции (скрытый  образ жизни), способность защищаться от паразитов (приобретение иммунитета), морфологическая и физиологическая  организация (развивается способность  к быстрому бегу, обостряется слух, зрение, обоняние). Важно отметить, что  в результате борьбы за существование  эволюционируют оба звена. Например, всякое совершенствование жертвы влечет за собой изменение у хищников тех признаков, которые связаны  с поиском жертвы, и наоборот.

Конкуренция — это взаимоотношения между живыми организмами, соревнующимися за одни и те же жизненные средства, за возможность размножения и т.д. В основе этого процесса лежат различия между особями, дающие им возможность победить, т. е., в конечном итоге, сохранить потомство и собственную жизнь. Конкуренция играет важную роль в эволюционном процессе, так как именно в состязаниях проявляются противоречия между организмами. Выделяют три разновидности конкуренции: трофическую, топическую и репродуктивную.

Трофическая конкуренция обусловлена потребностями в одинаковой пище при ее недостатке. Она происходит между особями как одного (например, загущенные посевы пшеницы), так и разных (например, культурные растения — сорняки) видов (рис. 4.8). У животных внутривидовая конкуренция может завершаться ка-анимализмом. Трофическая конкуренция является важной причиной совершенствования морфофизиологических признаков и поведенческих реакций, связанных с добыванием или использованием пищи.

Топическая конкуренция происходит между организмами на фоне действия общих абиотических факторов. Например, зимой выживают животные, имеющие более теплый мех или более благоустроенные норы. А в жаркую погоду преимущество получат те растения, которые более экономично расходуют влагу или испаряют меньше воды. На приспособленность организмов и неблагоприятным условиям влияют и биотические факторы. Например, белая окраска зайца-беляка или куропатки воз 7 никла в процессе эволюции не как приспособление к снежному покрову, а как защита от общих врагов (лисы, совы).

Таким образом, в  результате топической конкуренции у организмов вырабатывается ряд приспособлений к неблагоприятным условиям среды.

Репродуктивная конкуренция выражается в борьбе за воспроизведение потомства. У растений эта форма борьбы ведет к совершенствованию опыления, оплодотворения, распространения семян и плодов, обеспечения зародышей запасом питательных веществ и др. У животных наблюдается усиление вторичных половых признаков (яркое оперение, сильные запахи, брачное поведение и пр.) (рис. 4.9).

Мерилом борьбы за существование служит соотношение  между числом родившихся особей и  числом особей, которые достигли половой  зрелости (приняли участие в размножении). Но это ни что иное, как естественный отбор — дифференциальное размножение особей в популяциях.

Естественный  отбор. Ч. Дарвин определил естественный отбор как сохранение особей с полезными и гибель особей с вредными индивидуальными уклонениями — «переживание наиболее приспособленных». Однако эта формулировка недостаточно полно отражает некоторые генетические последствия отбора. Первичный отбор, опираясь на фенотипы, обеспечивает воспроизведение одних генотипов и устранение других. В процессе отбора важны не столько выживание или гибель особей, а вклад каждой особи в генофонд популяции. А больший вклад внесет та особь, которая оставит более многочисленное потомство. Отсюда под естественным отбором следует понимать избирательное (дифференциальное) воспроизведение разных генотипов (или генных комплексов).

Механизм действия естественного отбора, по современным  представлениям, можно представить  следующим образом.

Любая популяция  является гетерогенной по генотипу и  фенотипу (рис. 4.10). Это обусловливает  неравнозначность организмов в борьбе за существование. В ходе борьбы особи, фенотипы которых более конкурентоспособны, сохраняются и дают потомство. В  результате преимущественного размножения  одних организмов и гибели других популяция изменяется в сторону  более ценного генотипа. Если его  фенотип и в следующем поколении  в конкретных условиях окажется адаптивно  полезным, то он снова будет сохранен в процессе отбора. Если же изменения  признаков не будут способствовать выживанию особей, то отбор такие  формы будет элиминировать и  популяция сохранит старую структуру. В популяциях может возникнуть одновременно несколько полезных признаков. Сохраняя их, отбор приведет к увеличению многообразия особей (генотипов) популяции. Таким образом, естественный отбор  дифференцирует размножение определенных фенотипов в популяциях, изменяет соотношение их генотипов.

Выделяют две  формы естественного отбора:

Стабилизирующий отбор сохраняет в популяции среднюю ранее сформировавшуюся норму признака. Он действует в относительно постоянных условиях среды и направлен против крайних вариантов изменчивости в популяциях (рис. 4.11). Показателен эксперимент, проделанный самой природой. После снегопада и сильных ветров в Северной Америке было найдено 136 оглушенных домовых воробьев; 72 из них выжили, а 64 погибли. У погибших были очень длинные или очень короткие крылья. Воробьи, имеющие средние размеры крыльев, выжили, что способствовало сохранению вида. Действием этой формы отбора можно объяснить существование реликтовых форм (гаттерия, секвойя, латимерия и др.). Дарвиновское представление отбора, ведущее к образованию нового

вида, получило название движущего отбора. Его суть заключается в том, что при постоянном изменении в определенном направлении условий среды происходит смещение нормы реакции организма в сторону изменчивости признака (рис. 4.12, 4.13). Такой отбор способствует закреплению новой формы взамен старой, пришедшей в несоответствие с изменившейся средой.

Классическим примером движущего отбора является «промышленный  механизм» бабочек. В промышленных городах Англии за 100 лет ночные бабочки  березовой пяденицы изменили окраску. Преимущество получили механические формы  — особи с темной окраской, так  как птицы их не замечают на темных стволах деревьев (рис. 4.14). Значение движущего отбора в эволюции заключается  в выработке у живых организмов приспособлений к окружающей среде.

Главной направляющей силой эволюционного процесса является естественный отбор, который, действуя в гетерогенной популяции.

Глава 4

Космологическая картина мира

Современная космология становится лидером физических наук. Ее стремительное  развитие приводит к настолько сильным  преобразованиям научной картины  мира, что нередко говорят о  новой революции в науке о  Вселенной. Действительно, динамизм ситуации в космологии на рубеже XX–XXI веков  вполне сравним с тем, который  был характерен столетие назад для  физики. Познание Вселенной подвело к пределам применимости известных фундаментальных теорий. Вселенная в современной картине мира выступает не как ставшее бытие, а как поток становления, порождающий такие фундаментальные объекты природы, как элементарные частицы, из которых формируется наблюдаемая иерархия уровней организации Вселенной.

4.1. Пульсары

Пульсары - это  очень маленькие, очень плотные, быстровращающиеся звёзды, формирующиеся  в момент коллапса ядра большой и  массивной звезды, во время которого давление в ядре уже не может противостоять  силе тяжести. Внешние слои звёзды, в это же время раздираются взрывом сверхновой. После обнаружения первых пульсаров, пульсар был обнаружен и в Крабовидной туманности. Масса пульсара сравнима с массой нашего Солнца, но его радиус составляет около 10 километров, что соответствует плотности в миллиарды тонн на чайную ложку вещества.

Подобные ультра плотные звёзды называются нейтронными потому, что  при такой высокой плотности (сравнимой  с плотностью атомного ядра), материя  состоит в основном из нейтронов. Ядра нейтронных звёзд могут быть даже более плотными, чем атомное  ядро и содержать гипероны - частицы  похожие на нейтроны и протоны, но только более тяжёлые. При ещё  большей плотности, материя должна превращаться в смесь из "верхнего", "нижнего" и "странного" кварка, которые составляют нейтроны, протоны и гипероны. Если вблизи центра плотность этих звёзд становится достаточно высокой, то некоторые из таких звёзд могут иметь кварковые ядра, а сами звёзды, могут быть названы "гибридными звёздами". Возможно, также, что существуют звёзды, целиком состоящие из странного кварка, хотя для того, чтобы убедиться в этом, наших знаний о свойствах кварков недостаточно. В большинстве случаев, (для краткости), мы будем использовать термин "нейтронная звезда", но помня о том, что возможно существование и гораздо более необычных объектов.

Некоторые нейтронные звёзды наблюдаются  как пульсары потому, что у них  есть очень сильное магнитное  поле, замечаемое с Земли в виде электромагнитных волн, пучком излучаемых с полюсов нейтронной звезды. Из-за вращения звезды, получающийся "луч" несётся сквозь космос, превращаясь  в космический маяк. Вообразите себе луч маяка, приходящего к вам  с каждым поворотом его прожектора. В этом случае вы бы видели по одному импульсу света за один его оборот. Точно также мы видим и радиоимпульсы, излучаемые пульсаром - во время очередного прохождения пучка электромагнитных волн по Земле, происходящего каждый оборот. Поэтому объекты, наблюдаемые  таким образом, и называются пульсарами. Следует отметить, что время от времени, радиоимпульсы могут рассеиваться межзвёздным газом и пылью, из-за чего они могут непредсказуемо появляться и исчезать.

С того момента, как Энтони Хьюиш и Джослин Белл обнаружили первые известные пульсары, по электромагнитному излучению, воспринимаемому наземными радиотелескопами, было открыто ещё несколько тысяч других. Частота вращения известных пульсаров лежит в диапазоне от одного оборота за несколько секунд, до сотен оборотов за одну секунду. Наибольшая наблюдаемая частота вращения составляет 642 оборота в секунду! Полагается, что в нашей Галактике есть сто тысяч быстровращающихся пульсаров, большая часть из которых ещё не обнаружена. (Не обнаружена из-за того, что либо излучение пульсара проходит мимо Земли, либо импульсы размываются космическими облаками или пылью, или же из-за того, что вращающаяся нейтронная звезда не обладает магнитным полем, необходимым для того, чтобы мы могли зарегистрировать её излучение).

Einstein@Home - это одно из самых мощных средств, позволяющих искать гравитационные волны от неизвестных ранее , плотных вращающихся звёзд. Поскольку гравитационные волны не излучаются узконаправленным пучком (а они излучаются во всех направлениях, хотя и не равномерно), распространяются не в виде импульсов и могут быть не связаны с уже известными источниками радиоимпульсов, для их источников можно изобретать новые имена. Например, их можно назвать "гравитационно-волновыми пульсарами", "GWENs" - Gravitational-Wave Emitting Neutron Stars, или "гравитары". Но для простоты, в данном отчёте для обозначения подобных источников будет использоваться термин "пульсар".

Обнаружение гравитационных волн, идущих от пульсаров, даст нам новый способ открытия и поиска нейтронных звёзд  и уникальную возможность понимания  природы материи высокой плотности.

Заключение

Один  из старинных девизов гласит: “знание  есть сила” Наука делает человека могущественным перед силами природы. Великие научные открытия (и тесно  связанные с ними технические  изобретения) всегда оказывали колоссальное (и подчас совершенно неожиданное) воздействие  на судьбы человеческой истории. Такими открытиями были, например, открытия в  ХVII в. законов механики, позволившие создать всю машинную технологию цивилизации; открытие в ХIХ в. электромагнитного поля и создание электротехники, радиотехники, а затем и радиоэлектроники; создание в ХХ в, теории атомного ядра, а вслед за ним - открытие средств высвобождения ядерной энергии; раскрытие в середине ХХ в. молекулярной биологией природы наследственности (структуры ДНК) и открывшиеся вслед возможности генной инженерии по управлению наследственностью. Большая часть современной материальной цивилизации была бы невозможна без участия в ее создании научных теорий, научно-конструкторских разработок, предсказанных наукой технологий и др.